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国内生态浮床原位修复复合强化技术研究进展

北极星环境修复网  来源:北方园艺  作者:辛在军 等  2019/11/19 11:08:54  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘 要:生态浮床作为一项重要的水体修复技术具有独特的优势,已被广泛应用。然而受到生态浮床本身构造的限制,浮床植物及根系微生物对水体的净化能力有限,为提高生态浮床的应用效果,国内很多学者对生态浮床进行了复合及强化改良研究。该研究对现阶段广泛应用的生态浮床复合及强化措施进行总结与比较,并对目前生态浮床改良技术存在的问题及发展方向进行阐述,以期为生态浮床技术研究及应用提供参考依据。

关键词:生态浮床;复合;强化;应用

生态浮床技术是自20世纪80年代发展起来的一项重要的水环境修复技术,在富营养化水体治理中具有独特的优势。它通过植物生长过程中从水体中吸收氮、磷等营养物质的特性除去水体中的氮、磷;通过发达的根系及根系部位附着的微生物,发挥对悬浮颗粒、有机及无机污染物的吸附、降解作用;还可以通过根系泌氧功能改善水体的氧环境。与其它湿地修复系统相比,生态浮床修复技术具有原位修复、不占用额外土地、可移动、无动力、使用寿命长等优点,已经广泛应用于农业废水、生活污水、城市雨水、养殖废水处理等方面[1]。

然而受到生态浮床本身的限制,处于浮床表层的浮床植物对于深层水体的净化能力有限;受到植物根系数量、根系表面积的限制,植物根系吸收同化及根系表面微生物降解的污染物十分有限,这在一定程度上限制了生态浮床技术的应用及推广。为此国内很多学者在提高生态浮床的应用效果方面做了很多研究[2-5],该研究主要从生态浮床的复合及强化2个方面对目前国内生态浮床改良研究做分析总结,以期为国内生态浮床的复合强化技术及应用提供参考依据。

1 国内生态浮床强化技术

强化主要是指通过一些改进措施,在不改变生态浮床构造的基础上提高生态浮床的应用效果,目前主要有下面几种措施:改进构造材料、改进构造方式、植物优化筛选和植物刈割强化。

1.1 改进构造材料

典型的浮床由浮床框体、浮床床体、浮床基质、浮床植物4个部分构成。其中浮床载体、浮床基质均可以进行材料改进,进而提高生态浮床的 实用效果。 浮床载体(框体、床体)使用比较多的有 PVC 管、木材、竹子、泡沫、废旧轮胎等,也有专业化公司生产的中空型塑料浮床种植盘。目前国内很多的应用型生态浮床相关研究均是基于PVC 管[6-10]、竹子[11],也有很多机理性研究与是基于塑料泡沫[12-14]。 在浮床载体新材料方面,很多研究基于无机载体材料研发具有生物载体和基质双功能的材料,这样的载体材料本身能够净化水体,同时能够提供较大的表面积。目前研究比较多的轻质无机载体材料有陶粒、蛭石、膨胀珍珠岩、多孔陶瓷、浮石、沸石、生物质碳等[15]。无机载体材料在生 态 浮床应用中具有较好的处理效果,然而其密度大, 处理成本高,难以大面积推广。相比之下,国内对 人工合成有机载体的积极性更高一些,因为有机载体密度小,形状规则,更容易在生态浮床中布设,且相比未添加有机载体的生态浮床具更好的水体净化效果。 目前国内对浮床基质的研究主要集中于沸 石、蛙石、钢渣、活性炭、石灰石、粉煤灰、矿物材料等,也取得了一定的研究成果[18-21],对生物纤维基质也有较多的研究[22-25]。生物纤维基质与矿 石类基质相比能够补充碳源,增强系统的脱氮效果[26],然而生物纤维素基质会随着浮床的运行气生物 量 逐 渐 减 少,这在一定程度上限制了应用推广。

1.2 改进构造方式

一般常用的措施就是在传统浮床系统上直接添加水生动物区组成构造上的立体生态浮床;也 可以通过在水里放养特定水生动物形成功能上的立体生态浮床。 在添加水生动物区方面,国内比较常见的做法是在生态浮床上直接添加水生贝类层。李先宁等[27]通过添加河蚬构建了一种由 水 生 植 物空心菜、水生动物河蚬(Corbiculafluminea)及微生物组成的 3 层组合型立体浮床生态系统;王国芳等[28]通过添加三角帆蚌构建了空心菜、滤食性贝类三角帆蚌和微生物强化人工介质构成的组合型立体生态浮床,发现水生动物单元对叶绿素的去除贡献率达到79.7%,三角帆蚌的滤食及排氨作用促进了颗粒有机物的可溶化和无机化。金秋等[29]研究了添加滤食性水生动物贝类层空心菜生态浮床系统,研究生态浮床各级生物配置对源水中污染物的去除效果,生态浮床各级配置对TP的去除作用排序为人工介质>水生植物>水生动物。 在添加功能层方面常见的做法是添加鱼类, 使生态浮床与鱼类形成功能上的互补强化。王俊臣等[30]利用黄花鸢尾生态浮床和鲢鳙构成功能上的立体生态浮床,对池塘养殖污染水体净化效果进行研究,发现鲢鳙摄食浮游生物等天然饵料,氮磷去除能力。朱术超等[31]构建了包含香根草、 黄菖蒲、西芹组合的7种生态浮床,并进行组合斑马鱼研究,发现添加斑马鱼的黄菖蒲复合浮床系统能更有效地抑制水体中COD 增长,而投放斑马鱼的香根草复合浮床系统能更有效地去除水体中氮磷营养盐,表明一定条件下植物-动物复合浮 床系统比单一的植物浮床能更好的改善水体环境。 总体来说,在生态浮床立体化构造改良方面, 国内的研究相对较少,而且以物理构造的立体化改进为主,在功能层搭配方面研究相对缺乏。

1.3 植物优化筛选

目前国内对浮床植物的优选主要基于净化能力、本地物种、低温条件、根系泌氧能力4个原则。在净化能力强的植物筛选及本地物种筛选方面,国内做了比较多的研究,筛选出来一批具有较强水体净化能力的浮床植物物种[31-34]。然而 在 耐低温植物筛选及泌氧能力强植物筛选方面,国内一直没有很大的突破,冬春季节水芹菜仍然是 生态浮床的首选植物[35-38]。国内在冬季浮床植物选择方面,一直采用筛选耐寒植物的方法,而在借助现代基因改良技术改进植物耐寒性方面的研究相对较少,适当开展生物转基因技术对湿地植 物的改良研究,使其适应低温生长环境是一种重要的解决思路。 浮床植物根系部位的泌氧促进了污染物的好氧降解,在浮床水体净化过程中发挥了重要作用, 因而筛选根系发达泌氧能力强的植物也可以增强浮床系统的应用效果[39]。国内缺少在根系泌样能力强的植物筛选方面的研究。

1.4 植物刈割强化

浮床植物的收割刈割可以作为强化浮床应用 效果的常 用 措 施[38,40-45]。一般 认 为,对 植 物 进 行 收割或者刈割能够显著促进新芽再生能力,引起 植物的超补偿生长,使得植物在生物量分配模式 上发生改变,进而改善浮床植物系统的水体净化 能力[40],通 过收割或刈割还可以移除部分生物 体,防止植物体腐烂重新进入水体中。

2 国内生态浮床复合技术

生态浮床的复合技术主要是通过复合外加措施,增加或改善生态浮床本身的某些功能,目前在生态浮床复合技术方面,主要有以下几种措施。

2.1 复合碳源措施

生态浮床修复水体很大一部分依靠水体微生物的硝化作用和反硝化作用,这就需要足够的氧气和碳源[46],传统的浮床结构无法为微生物的活 动提供足够的碳源,在此基础上国内相关人员开展了很多添加碳源的复合生态浮床系统研究[47-54]。在碳源添加研究方面,国内研 究 比 较 多 的集中于添加玉米秆、稻草、麦秸等生物质碳,添加生物质碳一方面可以解决微生物碳源问题,又 可以为玉米秆、稻草、麦秸等农业产物提供出路。 王芳等[52]研究了添加玉米芯、稻草等碳源条件下,组合型生态浮床系统脱氮效果研究,发现玉米 芯和稻草表面微生物多样性丰富程度较高,稻草 和底泥中氨氧化菌的谱带种类最多,浮床具有较 高脱氮能力。曹 文 平[48]研 究了稻草秸秆作为生 物反硝化碳源的可行性和效果,发现稻草作为生 态浮床基质显示出较为明显的优势,具备了强化 生物脱氮的潜力,但也发现稻草基质在生态浮床 系统脱氮效果的稳定性和持久性方面有待研究。 近年来,利用一些天然纤维素物质作 为 生 物 反硝化的固体供给碳源,利用固体供给碳源既作为碳源,也可以作为生物载体,然而如何将天然纤 维素碳源与生态浮床有效结合成了一个难题[49]。

2.2 复合自然生物膜措施

在自然水体中,微生物细胞和非生物质通过镶嵌在微生物分泌的有机聚合物基质并附着在基 质表面形成自然生物膜,为微生物的附着生长和 包裹吸附其它物质提供了物质基础[6]。自然生物 膜通过形成好氧-厌氧区,通过生物膜中相关微生 物的硝化作用及反硝化作用去除水中的氮元素, 自然生物膜的氧化还原作用对有机污染物的降解发挥了重要作用,目前已被广泛应用于污染水体修复[55-61]。 目前对生态浮床复合自然生物膜主要是通过 填充不同填料实现。目前国内研究比较多的是 PVC材料填料如组合填料、性立体填料、球 型 填料等及生物绳等。PVC填料具有表面积大、比重小的特点,已经广泛应用于人工湿地及工业化 的污水处理系统。在生态浮床系统中,王郑等[62]通过添加 球 型 塑 料填料来增加浮床系统的生物膜,发现植物根系吸收、填料吸附及微生物的协同作用对污染物的去除效果要优于单一系统;陈亚男[63]研究了考察组合填料、弹性立体填料和竹填料的挂膜特征,发现在挂膜试验期间,组合填料和弹性立体填料的污染物去除效果优于竹填料弹性,立体填料系统更有利于静态挂膜。 目前生态浮床系统添加生物填料增加生物膜的强化措施研究相对较少,而且在新材料探索方面也缺乏研究。纳米颗粒材料相对其它材料具有更高的比表面积,应用于生态浮床填料是一个不错的选择。

2.3 复合微生物措施

生态浮床复合微生物技术主要是通过添加硝 化细菌、反硝化细菌等功能型微生物来实现。在 天然浮床系统中自然的硝化细菌及反硝化细菌缺 乏,生长缓慢,严重制约了生态浮床系统的净化能 力,目前国内相关研究多以添加单一或者复合细 菌来加 强 浮 床 系 统 的 净 化 能 力[64-70]。另外 在 浮 床微生物种类的筛选方面,国内研究偏重于培育 通用性微生物菌种,对当地微生物菌种的优选培 育比较欠缺。赵 婷 婷 等[64]筛选了一株具有高效 氨化能力的工程菌用于植物浮岛人工湿地中进行 强化分解有机氮试验,发现加入氨化细菌菌剂后, 植物根系能够更多的吸收氨氮,为植物根系周围 的微生物群提供了充足的氧气进行硝化作用,提 高了植物浮岛对氮素的去除效果。

2.4 复合曝气增氧措施

浮床植物根系微生物对水中有机污染物的降解主要依靠氧化作用,因此充足的氧气是浮床系 统发挥水体净化作用的重要条件。作为一种重要的增氧手段,曝气被广泛研究并应用于生态浮床系统中[59,71-81]。目前在生态浮床曝气研究中多采用鼓风、微曝气或者微纳米曝气,太阳能曝气系统的研究相对较少。 聂玉 华[75]研究了微曝气强化生态浮床系统其对污水中氮元素的去除效果,发现微曝气强化了生态浮床对氮元素的去除作用。谭 剑 聪[82]发 现微曝气能显著提高水中微生物的生物量和生物 活性,强化了浮床系统对水中有机负荷的去除效率和脱氮除磷的效果。齐钰鹏 等[77]发现微纳米曝气与微孔曝气2种方式下微纳米碳纤维浮床更 短的时间内完成碳纤维填料的挂膜过程,有更好的强化去除效果。叶春等[79]探索微纳米曝气技术对再力花植物浮床脱氮的影响,发现微纳米曝气形成的富氧环境不利于硝态氮的去除,微纳米曝气具有更好的充氧效果,可显著改变植物根系微环境,有利于植物根系氨化细菌、硝化细菌的生长。 综合比较目前生态浮床常用的曝气增氧技术,鼓风曝气效果一般,能源消耗高;微曝气手段或者微纳米曝气都具有较好的曝气效果,然而其曝气设施复杂;太阳能曝气长期运行成本相对较低,然而前期投入相对较大,难以推广。一旦太阳能曝气系统成本降低,结合太阳能曝气与微曝气 及微纳米曝气的曝气系统会是未来的发展方向。

3  国内生态浮床技术改良研究方向

目前国内普遍使用的生态浮床改良措施主要是复合措施,主要通过微生物添加、曝气增氧、生 物膜添加、碳源添加等措施提高生态浮床的应用效果,针对水体微生物的功能进行强化;而在生态浮床本身的强化方面,如生态浮床的物理构造、提高使用寿命、冬季低温条件植物筛选改造方面,由 于受到技术手段的限制,相关研究相对较少,限制了生态浮床净化效果的提高及应用范围。 由于单一的复合或者强化技术并不能显著提供生态浮床的应用效果,因此在实际应用中多是 采用多种复合强化技术综合使用的方法提高生态浮床的应用效果。

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4 展望

生态浮床是一种依靠植物吸收、根系微生物生物化学反应及及植物收割移除的水体净化技术,具有运行成本低、处理效果好、原位修复、改善和恢复生态环境的优点,然而也存在修复见效慢、 时间长、受季节性影响的缺点。目前,生态浮床的原位修复强化技术研究主要集中在改进构造材料、改进浮床构造、植物优化筛选、植物刈割强化及复合碳源、生物膜、微生物、曝气增氧等措施,主 要是通过一些通用型强化措施改善生态浮床的应用效果。 在实际应用中,生态浮床植物及根系部位微生物的组成对水体氮磷元素及有机物的去除有直接影响,特定浮床植物及根系微生物就会形成特 有的水体氮磷及有机物去除特征。在浮床微生物的复合强化措施中,通过附加不同碳源、不同的增氧曝气、添加不同生物膜及添加不同比例的硝化、 反硝化等微生物群落可以实现浮床不同功能种类微生物的数量、活性的调节,进而针对不同污染水体开展对氮磷及不同有机物的去除。因此,通过开展 不同浮床植物、不同微生物、微生物添加碳源、增氧曝气、添加生物膜对污染水体氮、磷、有机物去除比例的研究,就可以形成不同植物、微生物对污染水体的特异性去除特征,通过结合不同水体的污染特征就可以开展组合定制化的浮床水体净化研究。组合定制化的生态浮床,通过针对污染水体的污染特征,有针对性的筛选植物及植物组合,通过培养添加特定的微生物及组合,复合特异性的碳源、生物膜及曝气措施,可以显著提高生态浮床的应用效果,是未来生态浮床应用研究的 一个重要方向。

原标题:国内生态浮床原位修复复合强化技术研究进展

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