张金麟 吴 菁 杨文卿，3

（1泉州麦可环保成套设备有限公司 福建泉州 362000 2福建师范大学闽南科技学院环境科学研究所 福建泉州 362332 3福建师范大学泉港石化研究院 福建泉州 362800）

引言

时至今日，世界各地都出现了严重的水环境问题，其中水体富营养化是主要问题，因此大多数地区对其污染控制技术进行一系列探索。我国共有湖泊大约有2900多个，占中国地域约9万多平方公里。根据全球范围各种调查资料表明，我国较为主要的37个湖泊里，重富营养型的湖泊所占比例超过8%，达到8.8%，而富营养型的接近15%，大部分属于营养型及中富营养型，其所占比例大于55%。中国90%以上的水体环境污染是因水中的N、P含量超标而引起的富营养化，然而对植物的生长来说，氮元素和磷元素同时也是必需营养元素。人工浮岛作为探索对象是从自20世纪80年代开始[1]，广泛的被认为是一项具有环境效益的原位水体的恢复工艺。目前许多国家普遍性地使用在环境生态的恢复和地表的水体污染控制方面[2]。该技术主要是类比人工湿地能够过滤富营养水中污染物质的原理，再嵌入人工浮岛技术，利用微孔之间水的毛细作用将富营养水吸入浮岛基质内，通过植物叶片的蒸腾作用后，将基质内的水通过根系吸收至植物体内进行固氮固磷作用，从而达到净化水质、增强观赏效应以及提高其他经济效益的目的[3]。最后通过植物的移除以达到N、P和COD的转移与再利用。

人工浮岛自创造以来在全国乃至全世界都得到普遍探索研究。其中，对人工浮岛基质的研究可分为生物基质、有机聚合物基质、无机基质[4]，其中较为普遍运用的有陶粒、沸石、生物质碳等。1998年刘淑媛等人为了研究对富营养水体的净化效果，采用蛭石作为浮岛载体，以水芹、多花黑麦草和水雍菜作为浮岛植物[5]。后来，美国Lang Teck环保公司开发了一种被称为生物坝的人工浮岛[6]，该种浮岛是由若干个装有以球形的改性环氧树脂为基质的生物箱连接而成，基质上附着微生物。便捷装备的生物坝，是以水面的宽度条件实行现场的装载，并且某些箱体被破坏后也可以单独的进行更换。王怡等人在2005年利用珍珠岩开发了一种生物型载体[7]，挂膜试验显示微生物在该载体附着生长良好，故而这种珍珠岩载体拟被广泛应用在生物膜的反应器中。郑剑锋等人[8]将生物陶粒当作基质，微生物依附在基质上生长，将其添加到生态浮岛的反应器中后，水体恢复效率得到了必然的提高。施亮亮等[9]利用天然的秸秆作为浮岛基质，实现了水体生态修复和秸秆资源化利用的双重效益。刘洋[10]选择采用土壤、页岩、钢渣、砂石、煤渣、炉渣6种不同填料，以静态试验的方式研究了在人工湿地上各种不同的填料对除磷的效果的好坏，为今后的人工浮岛基质的选取提供理论上的依据。

考虑到此技术运用到实际中能够容易操纵，文章选择用渗透性好、使用经济、来源方便易得且能够进行废料运用的基质填料。实验用活性炭、页岩陶粒、膨胀蛭石作为基质[11]，通过实验计算人工浮岛对TN、TP、COD的去除效率，分析研究各种基质的脱氮除磷、降解 COD的能力，旨在寻求一种性价比较高的人工浮岛填充基质，力求将生态浮岛技术成熟应用，以减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭、富营养化等现象。

1 材料与方法

1.1 主要材料

1.1.1 人工浮岛装置

图1是人工浮岛实验装置，其制作材料为直径16cm、高12cm的圆柱形PVC塑料,底部的PVC板钻出一定距离、一定数量孔径为4mm的小孔，并由PVC胶粘合而成，作为人工浮岛的底。为了增加浮岛浮力，使其浮于水面，在人工浮岛装置的外圈覆上一层八边形的聚氨酯泡沫，如图1（A）所示。此外，为防后续试验过程中填入的基质渗漏，在人工浮岛装置中加入数层纱布，其效果如图1（B）所示。

图1 人工浮岛实验装置

1.1.2 人工浮岛植物

综合考虑泉州地区的环境、气候等客观因素的影响，文章选择根系发达、生长力旺盛、具有较强的耐污能力及一定经济和食用价值的空心菜作为本次实验的供试植物[12]。实验前进行历时一周的空心菜苗的培育，将空心菜苗培育至2-4cm。

1.1.3 人工浮岛基质

实验选取页岩陶粒、膨胀蛭石、活性炭作为人工浮岛的填充基质，比较其对氮、磷、COD的去除效果。

1.2 实验水体

实验采用3个规格一致的水桶构成三组平行实验，分别向三个水桶内投入体积为17L的模拟富营养水。此外，为保证各种微量元素的供给，植物良好生长，每6天向人工模拟的富营养水中滴加2.5ml微量元素溶液。

表1 模拟富营养水体成分组成及水质参数

1.3 实验方法

实验采用规格相同的水桶组建3个平行实验，向三个人工浮岛中分别填入三种处理过的基质，从事先培育好的空心菜苗中选取长势、株高相近的空心菜苗12株，每个浮岛4株，将其种入人工浮岛实验装置中构成生物浮岛，再将实验装置置于水桶内，让其吸收净化模拟富营养水。每个周期历时12天，共24天，期间每三天进行一次采样，对水中TN、TP、COD进行检测分析。水质测定均采用国家标准方法进行测定。TN-碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP-钼酸铵分光光度法，COD-重铬酸钾滴定法。

2 结论与分析

2.1 植物生长情况比较

图2 植物株高生长变化

图3 植物根长生长变化

图2、图3是空心菜在分别以页岩陶粒、膨胀蛭石、活性炭为基质的人工浮岛中的株高及根长生长变化。较之活性炭和膨胀蛭石，空心菜在以页岩陶粒为基质的浮岛中生长得更好。在页岩陶粒基质浮岛中生长的空心菜株高增长量为27.83cm，是膨胀蛭石基质浮岛中生长的空心菜的1.0036倍，是活性炭基质浮岛中生长的空心菜的1.1145倍；空心菜在页岩陶粒中的根长增长量为13.05cm，在膨胀蛭石中的根长增长量为页岩陶粒的84.52%，在活性炭中的根长增长量仅为页岩陶粒的60.15%。此外，页岩陶粒中含有较低的金属钙氧化物和较高的金属铝氧化物，促进了铝对磷的物理化学作用，增进了钙与磷化学反应的完全进行[13-14]，使植物长得更好。可见，页岩陶粒的截污能力较之活性炭和膨胀蛭石更强，对水中氮、磷等物质的吸附性能好，更有利于植物生长。

2.2 TN的去除效果对比

图4是3组实验浮岛对水体中TN的浓度变化情况。实验的两个周期均显示，3组平行实验浮岛在基质的吸附作用及植物的蒸腾作用下，水中的含氮污染物主要以NH3-N和NO3-N的形式作为植物养分被植物吸收利用，达到了降解水中TN含量的目的。

分析图4可知，实验两个阶段，实验前期三种基质对TN的降解速率较快，后期较为缓和，这是因为前期主要是基质的吸附和植物的吸收共同作用，实验前期基质处于饥饿状态，基质大量吸附水中的含氮化合物，经过硝化作用以NH3-N和NO3-N的形式作为植物的养分被吸收利用，去除效果较好，后期降解速率减缓，主要以植物的硝化吸收作用为主，且富营养水体经过浮岛净化后含氮量降低，所以降解速率下降。总体而言，活性炭与膨胀蛭石对TN的降解效率相当，页岩陶粒相对较差。实验第一阶段，活性炭的去除率达60.82%，膨胀蛭石约为52%，实验第二阶段，活性炭的去除率约58%，膨胀蛭石的去除率较第一阶段有所上升，达到60.15%，但总体效果较稳定。而页岩陶粒在两个阶段的去除率均稳定在48.84%-53.69%之间，去除效果相对较差。综上所述，活性炭和膨胀蛭石对TN的降解效果相比于页岩陶粒更好。

图4 人工浮岛对TN的降解效果

2.3 TP的去除效果对比

图5 人工浮岛对TP的降解效果

3组平行实验对水体中含磷污染物的浓度变化如图5所示，三种基质对含磷污染物的去除能力为：活性炭＞页岩陶粒＞膨胀蛭石。观察下图可知，实验两个阶段活性炭对磷的去除曲线的下降趋势最为明显，去除率高达72%以上，去除效果最好，这是因为活性炭内部有许多细小的孔洞且孔隙发达、比表面积巨大，吸附体积大、过滤速率快。页岩陶粒次之，第一阶段的降解率为52.78%，第二阶段的降解率为65%，总体去除效果较好，膨胀蛭石去除效果最差，最高不足48%，这是因为页岩陶粒基质呈多孔结构，孔隙率高，比表面积大，且页岩陶粒中含有较高的金属铝氧化物和较低的金属钙氧化物，更有利于溶液中的磷元素均匀地吸附在基质表面，加强了铝和磷之间的理化作用，加快了钙与磷形成沉淀反应的速率[13-14]。而膨胀蛭石中钙的含量为1-2%，页岩陶粒的含量是膨胀蛭石的1.75倍，铝含量为9-17%，仅是页岩陶粒的1/2，自然吸附效果次于页岩陶粒。

2.4 COD的去除效果对比

图6 人工浮岛对COD的降解效果

图6是3组平行实验浮岛对水中COD的浓度变化情况。在实验第一阶段，活性炭、膨胀蛭石、页岩陶粒对COD的去除效果明显，累积降解率分别为74.57%、74.03%、70.92%，均达到70%以上。这是因为实验初期基质处于饥饿状态，可以大量吸附水中的COD。实验第二阶段，三种基质对COD的降解速度较为缓慢，活性炭和页岩陶粒的降解率均在33.5%左右，膨胀蛭石的降解率仅为22.01%。这是由于水中的COD主要在基质的吸附过滤作用下得以降解，实验后期基质基本已处于饱和状态，此外，COD对植物的生长不起作用，植物对COD仅有吸附作用而无吸收作用，所以去除效果差[15]。综合而言，三种不同基质的人工浮岛对COD的降解率相近，都能维持70%左右，活性炭的降解率接近75%，可见活性炭的吸附能力更强。

结语

页岩陶粒的截污能力较之活性炭和膨胀蛭石更强，对水中氮、磷等物质的吸附性能好，更有利于植物生长。在页岩陶粒基质浮岛中生长的空心菜株高增长量是膨胀蛭石的1.0036倍，是活性炭的1.1145倍；空心菜在膨胀蛭石中的根长增长量为页岩陶粒的84.52%，在活性炭中的根长增长量仅为页岩陶粒的60.15%。页岩陶粒对于TN去除率稳定在48.84%-53.69%之间。对TP的降解率为72.89%，对COD的去除率为70.92%，去污能力略低于活性炭。但结合其价格，页岩陶粒的性价比较高。

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