罗固源,卜发平,许晓毅,曹 佳,舒为群(.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045；.第三军医大学军事预防医学院,重庆 400038)

温度对生态浮床系统的影响

罗固源1*,卜发平1,许晓毅1,曹 佳2,舒为群2(1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045；2.第三军医大学军事预防医学院,重庆 400038)

通过构建生态浮床净化临江河重污染河水,全面考察了温度对浮床系统的影响.结果表明,温度对生态浮床系统有明显的影响作用,对生态浮床系统氮、磷净化效果的影响呈抛物线型.在水温为2~29℃时,生态浮床对TN和TP的去除率随温度的增加而明显增加;当水温超过29℃时,系统对TN和TP的去除率随温度的增加呈下降趋势;且温度对TN去除效果的影响要大于对TP的影响.研究表明,浮床系统的最佳运行水温为25~29℃,此时浮床植物的平均株高为209.9cm,对氮、磷的平均累积量分别为69.84,19.73g/m2;浮床对TN和TP的去除率分别为38.7%~44.1%和38.6%~43.6%.

温度；生态浮床；植物；总氮；总磷

Abstract：In order to investigate the effect of temperature on the ecological floating bed system, the ecological floating bed was constructed to treat heavily polluted river water of Linjiang River. The temperature influenced the ecological floating bed system significantly, among which the effect on the purification of TN and TP could be best described as a notably parabolic relationship. The removal efficiencies of TN and TP increased significantly with the increase in the water temperature from 2 to 29℃, but exhibited a decreasing trend with the increase in temperature was higher than 29℃. In addition, temperature showed a greater effect on TN removal than on TP removal. The optimal operating temperature of the ecological floating bed was 25~29℃, when the average height of plants was 209.9 cm, the average amounts of nutrient storage in plant tissues was 69.84 g/m2for nitrogen,19.73 g/m2for phosphorus; and the removal efficiencies of TN and TP were 38.7%~44.1%, 38.6%~43.6%, respectively.

Key words：temperature；ecological floating bed；plants；TN；TP

温度是影响水处理的重要因素.近年来,国内外众多学者[1-6]做了大量有关温度影响的研究,结果表明,温度对水处理工艺(设备)的影响明显.因此,考察并确定最适温度对提高水处理工艺的效果和工艺的推广应用意义重大.

生态浮床是近年来发展起来的一种新的水处理技术,具有处理效果好、投资少等优点,它主要通过植物吸收、植物根系的截留过滤和微生物作用去除氮磷等污染物[7-8].同样,研究温度对生态浮床的影响对于浮床的运行、设计和推广也显得尤为重要.因此,本研究以美人蕉为浮床植物构建生态浮床净化临江河重污染河水,着重考察了温度对浮床植物和氮磷净化效果的影响,旨在为提高浮床的净化效果和浮床的推广应用提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1试验装置与流程

试验采用人工模拟小型水体的方式,在三峡库区临江河回水区末端建立试验场.用于构建生态浮床的试验池内部净尺寸为270cm× 230cm×100cm,有效水深为0.8m,如图1所示.浮床的覆盖面积为4m2,覆盖率约为64%.浮床采用规格为200cm×100cm×5cm的聚苯乙烯发泡板,在板上打孔,孔间距为18cm,在每块发泡板上栽种32株植物,用中泡海绵把苗株固定于孔内,整板可漂浮于水面上.以美人蕉(Canna indica)为浮床栽培植物,美人蕉属多年生宿根草本植物,性喜温暖湿润、忌干燥、可周年生长,在重庆地区常作为浮床栽培植物.生态浮床所处理的为临江河重污染河水,试验期间的水温为2~35(℃平均为20.8)℃, pH值为6.6~9.2(平均为7.4), DO、COD、TN、TP分别为1.6~8.2,6.34~21.58,6.08~14.63, 1.01~2.46mg/L,均值分别为3.6,13.38,9.73, 1.58mg/L.试验池依靠河水落差产生的重力流进水,由布置在与水面相平的PVC管引入,出水由布置在水面以下0.4m处的收集管收集,排出系统.

图1 试验装置与流程Fig.1 Schematic diagram of the ecological floating bed

1.2试验过程

试验时间为1年(2008年4月至2009年4月).浮床植物于2008年3月初移栽(移栽时平均株高为28.3cm),稳定一个月后,系统于4月3日开始运行.试验期间,水力停留时间(HRT)恒定在2.5d.定期采集高、中、矮3株具有代表性的植株测定植物整株高度、湿重、含水率、植物体内的氮、磷含量,以及对植物的干物质生物量(以下简称生物量)进行估算,并对系统进、出水水质进行测试分析.试验结束时,对底泥样品进行采样并分析.

1.3计算与分析方法

精益服务为具体服务制定了标准，促进了站经理的主动管理、员工的主动服务。在河北销售石家庄分公司136加油站，新零售精益服务考核方式，打破了以往传统的吨油绩效分配方式，实施以精益服务为核心的全新考核模式，将服务类指标的考核权重提高到60%，员工收入与服务质量硬挂钩，增添了员工主动将优质服务提高到精益服务的内驱动力。

单位面积浮床的去除量采用式(1)计算:式中: f为单位面积浮床对氮、磷的去除量,g/m2;S为浮床的表面积,m2; C0、Ci分别为浮床进、出水氮、磷浓度, mg/L; Q0、Qi分别为进、出水水量,m3/d; T为浮床运行时间,d.

浮床系统对氮、磷的去除由植物吸收、微生物作用和底泥沉积作用3部分完成,即:

总去除量=M1(植物累积量)+M2(底泥沉积量)+M3(微生物作用去除量) (2)

式中: M1由式(3)计算; M2由底泥氮磷含量和单位面积的底泥干重计算出; M3由式(2)衡算出.

式中: mi、m0分别为试验结束和起始时植物生物量, g/m2; pi、p0分别为试验结束和起始时植物体内的氮、磷含量, mg/g;

通过计算植物对氮、磷的累积(吸收)量和底泥沉积量等以此来分析氮、磷的去除途径.

植物生物量及氮、磷含量等的测试见文献[9],底泥样品的采集与分析采用标准方法[10].

水质指标TN、TP及COD采用Hach-2800型便携式仪器现场测定.水温、pH值采用Hach便携仪器sensIONTM测试;DO采用Hach便携仪器sensION6型溶氧仪测试.

2 试验结果

2.1不同温度下植物的长势

图2 不同温度下植株高度的变化Fig.2 Development of plant height at different temperatures

由图2可见,在系统运行的第1个月,植物生长缓慢,整株高度仅增加了约40cm(系统运行时株高为38.1cm),这主要是由植物尚处在适应期及低温所致,该时段的平均水温仅为17.6℃;从5月初开始(第29d),植物的生长加快,植株明显增高,到7月中旬(第104d)时达到最大值(245.6cm),这表明植物已经完全适应了水漂浮式的栽培方式和环境条件;7月中旬以后,植物已基本停止生长;从8月中旬开始(第135d),植物整株的平均高度开始衰减,在水温为2℃时衰减到极值(128.6cm).此后,随着水温的逐渐回升,植物的生长又开始加快.

2.2不同温度下TN和TP的去除效果

由图3可知,随着系统的运行和水温的逐渐上升,TN去除率开始增加,在水温达到最大值35℃时(第90d),去除率为38.9%;水温为28℃时,TN去除率达到最大值44.1%(第104d).从7月中旬至10月中旬(第104~192d), TN的去除率变化较小;在冬季低温条件下,TN的去除效果下降明显,水温低于10℃时,去除率一直低于20%.可见,温度对TN的去除效果有较大的影响作用,并且28℃时浮床对TN去除效果最佳.

图3 不同温度下TN和TP的去除效果Fig.3 Removal effects of TN and TP at different temperatures

如图3所示,浮床对TP的去除效果的变化与温度的变化同步.随着水温的上升,去除率亦开始增加;在第44~192d的运行时间段内,尽管水温在23~35℃之间波动,但系统对TP的去除效果相对比较稳定,去除率为37.8%~43.6%;而在冬季低温的条件下,TP去除效果明显下降,但去除率仍高于20%.

3 讨论

3.1温度对浮床植物的影响

为了明确温度对浮床植物的影响,试验过程中将水温分成4个阶段,在每个阶段对植物的平均株高、生物量、氮、磷含量和对氮、磷的累积量进行统计分析,结果见表1.由表1可知,温度对浮床植物的影响较大.植物的生长状况(包括平均株高和生物量)、植物体内的氮、磷含量及对氮、磷的累积量在25~29℃时达到最佳, 2~10℃时最差,表明温度过高或过低都不利于植物的生长和对氮、磷的累积.在试验条件下,可认为浮床植物生长的最适温度(水温)为25~29℃,此时浮床植物的平均株高为209.9cm,对氮、磷的累积量分别为69.84,19.73g/m2.

在夏季极端高温条件下(30~35)℃,植物的生长状况不及25~29℃时,这是因为温度过高,植物光合作用降低甚至被抑制,导致植株萎蔫和生物量下降等.而在冬季,较低温度(2~10)℃导致部分植物枯萎或死亡,并且植物体内的氮、磷含量最低,表明冬季植物已经向水体中释放了一定的氮、磷,引起出水浓度的增加和植物对氮、磷累积量的减少,故这是冬季浮床净化效果下降的一个重要原因.试验过程中还发现,植物水上部分的生物量占总生物量的比例一直高于70%,且从通过收割植物去除氮、磷的角度来看,水面上部生物量在总的生物量中所占的比重越大,越有利于通过收割植物去除氮、磷.因此,在秋末将水上部分的植物进行收割可在一定程度上提高冬季浮床的净化效果.

3.2温度对氮、磷净化效果的影响

由图3、表1可知,水温在2~29℃变化时,温度越高,生态浮床的净化效果越好;反之,则越差,其主要原因有两方面:(1)在2~29℃,温度越高植物生长越快,植物对氮、磷的累积量越大,故通过植物吸收去除的氮、磷量就越大.如表1所示,平均水温为6.4℃时的氮、磷的累积量仅为26.9℃时的40.5%、31.9%,并且在冬季植物已向水体中释放一定的氮磷,导致低温时去除效果下降明显;(2)随着温度的逐渐上升,微生物活性加强,所以生物脱氮除磷作用亦逐渐加强;而低温时,微生物活性受到抑制,故去除效果下降.

表1 浮床植物的生理特性和去除效果的统计分析结果Table 1 Statistical results of physiological characteristics of plants and removal effect

当水温为30~35℃时,TN和TP的去除率随温度的增加反而呈下降的趋势.原因是当温度上升到一定程度后,温度过高导致通过植物吸收去除的氮、磷量减少;由于植物根系具有泌氧作用,在根系区就形成了有利于生物脱氮除磷的好氧-缺氧-厌氧的微环境[11-12],但高温易使植物的输氧能力降低,一般认为在20~30℃时,植物的输氧能力达到最大;当温度超过30℃时,植物的呼吸作用明显加强,净释氧可忽略[13],故高温又导致植物根系区的微环境被破坏;超出最适温度时,微生物的活性下降,生物脱氮除磷受到负影响.

因此,温度过高或过低均不利于浮床系统净化氮磷.结合温度对浮床植物的影响,可认为生态浮床运行的最适水温为25~29℃,此时浮床对TN和TP的去除率分别为38.7%~44.1%和38.6%~ 43.6%.

此外,由表1可知,平均水温从26.9℃降至18.6℃,再降到6.4℃时,TN的平均去除率分别下降了11.2%和14.0%,而TP的去除率只降了7.7%、9.2%,表明温度对TN去除效果的影响要大于对TP去除效果的影响,这亦可以从图3中TN和TP随运行时间的变化幅度不同得到论证,主要是由于浮床系统对TN和TP的去除途径不同所致.通过物料衡算发现(表2),浮床中约有60.3%的TN,75.4%的TP是通过底泥沉积作用去除的;微生物作用对TN的去除贡献约占30%,远高于对TP去除的贡献率;而植物吸收对TN、TP去除贡献的差别不明显.由于温度是影响微生物作用的一个重要因素,而沉积作用受环境条件的影响较小,故温度对TN去除效果的影响要大于对TP的影响.

表2 浮床系统中氮磷的去除途径Table 2 Removal pathways of TN and TP in the ecological system

4 结论

4.1植物的长势和对氮、磷的累积量在水温为 25~ 29℃时达到最佳,在2~10℃时最差.在2~29℃时,浮床对TN和TP的去除率随着温度的增加而明显增加;当水温为30~35℃时,去除率随着温度的增加而呈下降趋势.

4.2温度对TN去除效果的影响要大于对TP的影响.

4.3在试验条件下,生态浮床运行的最适温度(水温)为25~29℃,此时浮床植物的平均株高为209.9cm,对氮、磷的平均累积量分别为69.84、19.73g/m2,TN和TP的去除率分别为38.7%~ 44.1%和38.6%~43.6%.

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Effect of temperature on the ecological floating bed system.

LUO Gu-yuan1*, BU Fa-ping1, XU Xiao-yi1, CAO Jia2, SHU Wei-qun2(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China；2.Faculty of Preventive Medicine, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：499~503

X703.1

A

1000-6923(2010)04-0499-05

罗固源(1944-),男,重庆人,教授,主要研究方向为水污染控制技术研究.发表论文110余篇.

2009-09-08

科技部国际合作项目(2007DFA90660);重庆市重大科技攻关项目(CSTC,2006AA7003); 重庆市自然科学基金项目(CSTC, 2008BB7305)

* 责任作者, 教授, gyluo@cqu.edu.cn