静安区彭越浦河道生态浮岛+曝气充氧组合工艺增强河道净化能力研究

李滢莹

（上海市静安区河道水政管理所，上海市 200072）

0 引 言

人工生态浮岛是一种经过人工设计建造、漂浮于水面上，供动植物和微生物生长、繁衍、栖息的生态设施。除此之外，生态浮岛还可以用来降解水中的有机污染物、氮和磷等污染物，从而实现水体透明度提高，水质指标改善、水中藻类抑制、水体富营养化减轻等目标。随着水体中氮磷等富营养元素的超量排放[1]。利用生态浮岛对河道进行水质改善已成为一项重要的工程技术手段。生态浮岛对水质净化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的污染物，特别是氮磷等富营养元素，减轻水体由于封闭或自循环不足带来的富营养化现象。近年人工浮岛的园林水景景观功能得以开发利用，使人工生物浮岛技术成为一项多功能的实用技术：即水体净化和环境景观美化。

河道曝气技术是根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气（或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质[2]。河道曝气技术已成为目前对黑臭水体净化的重要手段。但单一的人工曝气仍面临着：能耗大、效果差，尚难解决底泥污染等一系列问题。

为克服曝气充氧技术单一的缺点，本文研究了一种生态浮岛+曝气充氧组合工艺以充分发挥各工艺特点，旨在为利用生态浮岛治理富营养化水体提供理论研究，为后续工程提供实践指导。

1 试验装置与方案

实验用的单体浮岛见图1。

图1 试验装置（单位：cm）

单体浮岛可通过周边相互扣接方式进行组合。组合后浮岛在下方1 m处使用尼龙绳吊接曝气头部，以组合成生态浮岛-曝气联合净化设备。

测试时，试验装置通过锁链固定河道围栏处。为防止水中杂物对试验的干扰，在设备周边设置间隙为1 cm，深度为1 m的不锈钢条形格栅。

设置三组平行试验：1#试验为生态浮岛+曝气充氧联合净化设备；2#试验单独设置生态浮岛；3#试验单独设置曝气装置。

2 试验地点与测试方法

本试验在上海市静安区彭越浦河道进行（见图2），试验时间为2018年5月3日至6月8日，试验持续35 d。

图2 静安区彭越浦生态浮岛与曝气充氧现场照片

每隔3 d取装置中的水样，连续检测水体总磷（TP）与氨氮（NH4+-N）浓度变化。其中，TP测定采用钼锑分光光度法、NH4+-N测定采用纳氏试剂分光光度法。

3 结果与讨论

3.1 各试验组对TP的去除效果

生态浮岛对水体中TP去除机理为：浮岛中植物的根系对颗粒态磷的拦截与截留、根系与附着在其上的细菌通过协同作用实现对有机磷的矿化、根系对磷的吸附以及颗粒态磷的沉降。而曝气充氧对水体中TP的去除机理为：好氧环境中，聚磷菌（PAOs）对磷的过量吸收[3]。不同试验组对TP去除效果见图3和图4。

图3 试验期间TP的变化

图4 不同组合的TP去除率

三个试验条件下均获得了较好的TP去除效果：组合工艺的TP在试验前半段由0.52 mg/L快速下降至0.11 mg/L，去除率达80.3%。在试验后半段，TP浓度维持在稳定状态，在0.10 mg/L左右波动。当试验截止时，TP浓度为0.11 mg/L，试验阶段TP的去除率为78.84%。生态浮岛在试验前18 d内呈现出TP浓度持续下降的趋势，这与曝气试验的现象较为类似。在上述试验阶段内，生态浮岛+曝气试验中的总磷分别由0.52 mg/L和0.51 mg/L下降至0.31 mg/L和0.33 mg/L。均出现了快速的下降趋势，这可能是由于：一方面，随着时间推移，生态浮岛植物根系（或微生物）已适应（或挂膜成功）了原位环境，开始充分发挥协同作用从而对TP有着较好的吸收效果；另一方面，曝气提升了水体中的溶解氧，增强了好细菌（特别是聚磷菌）的代谢活性，强化了对TP的吸收。在18 d后，生态浮岛对TP的去除持续进行，TP浓度由0.31 mg/L继续下降至0.23 mg/L，随着时间推移，可能植物根系与细菌协同作用持续加强，促进了对磷的吸收。而曝气对TP的去除并未获得显著效果，可能是在水体空间区域内细菌数量与活性受水体迁移或水中碳源缺乏的影响，以至于不能形成稳定的聚磷菌富集，从而无法持续性地对磷过量吸收。而组合工艺则可以利用根系或细菌的生物膜来实现对聚磷菌的固定化以提高对TP的去除。

综上，对TP的去除效果依次为：生态浮岛（去除率78.46%）、生态浮岛（去除率55.77%）、曝气充氧（去除率44.23%）。

3.2 各试验组对NH4+-N的去除效果

生态浮岛对NH4+-N的去除主要通过植物根系吸收和硝化菌的氨氧化作用来实现。曝气充氧对NH4+-N去除主要通过硝化细菌转化与吹脱作用[4]。不同试验组对TP去除效果见图5和图6。

图5 试验期间NH4+-N的变化

图6 不同组合的NH4+-N去除率

在不同的试验中，NH4+-N浓度均出现了不断下降的趋势。其中，组合工艺与曝气充氧的变化趋势较为类似：在0～15 d内，NH4+-N迅速下降，分别由6.87 mg/L和6.89 mg/L下降至1.11 mg/L和1.34 mg/L。可能是因为短时间内，较大曝气量实现了对水中氨的吹脱。在剩余的试验时间内（16～33 d），NH4+-N浓度维持在较为稳定的水平。试验结束时NH4+-N浓度分别为：0.91 mg/L和0.97 mg/L。生态浮岛对NH4+-N的去除效能弱于其他两组：在试验阶段NH4+-N浓度没有出现快速下降的趋势，而是由6.37 mg/L缓慢降至结束时的1.77 mg/L。出现这种情况可能是由于：生态浮岛对NH4+-N的主要去除方式是通过根系与硝化菌来完成，根系的吸收与吸附需要一定时间进行过度与适应，而硝化细菌为自养细菌，代谢速度较慢，决定了提升氨氧化的效果不如单纯地曝气。而随着试验的进行，根系的吸收能力与细菌的代谢能力开始提升使生态浮岛对NH4+-N的去除能力呈现出稳定升高的趋势[5]。

综上，对NH4+-N的去除效果依次为：生态浮岛（去除率86.80%）、生态浮岛（去除率75.16%）、曝气充氧（去除率85.85%）。

4 结 论

（1）通过在生态浮岛下方吊接曝气设备方式形成了生态浮岛与曝气充氧的组合工艺。

（2）生态浮岛+曝气充氧组合工艺、生态浮岛和曝气充氧对TP的去除率分别为：78.46%、55.77%、44.23%。组合工艺可以实现初期对TP的快速去除。

（3）生态浮岛+曝气充氧组合工艺、生态浮岛和曝气充氧对NH4+-N的去除率分别为：86.80%、75.16%、85.85%。组合工艺与曝气充氧可以实现初期对NH4+-N的快速去除。