新型浮岛的水质净化技术研究

宜兴市位于江苏省南部，属于太湖流域，其境内多条河流均有不同程度的富营养化现象，尤其是一些较小的支流，由于沿线各类污染源的贡献，再加上大多流动缓慢，因此，自净能力较差，春夏季易爆发水华，严重影响居民的生活，急需治理。

人工浮岛是一种在载体上种植植物的漂浮结构，最旱是用来为生物提供栖息的场所。20世纪70年代，浮岛技术首先在欧美和日本等发达国家得到广泛的应用。90年代以后，才逐渐受到我国的重视。相比较一些传统的治理富营养化的方法，人工浮岛具有占地面积小，应用灵活等优点，不仅可以净化水质，而且可以起到美化景观，消浪护岸的作用。

传统的浮岛属于植物型浮岛，是在载体上种植各类陆生或水生植物，利用植物吸收去除水体中的氮、磷，植物根系上所附着的微生物也能起到降解污染物的作用。因此，浮岛就像漂浮在水中的湿地一样，可对水体起到很好的原位修复作用。研究人员通过改进浮岛的结构、植物的筛选等提高其水质净化效果。CALHEIROS等和KLOMJEK等研究了不同植物对水体的修复效果，为浮岛植物的选择提供了依据。但结果也显示了植物型浮岛的季节性明显。WANC等指出植物在生长过程中可以大量去除水体中的氮磷，LADISLAS等更指出植物以及根系微生物对一些重金属也有相当的去除作用，但他们都提出了其去除多依赖植物的收割，增加了管理的困难。

研究人员通过引入填料，来克服季节性明显和管理困难的缺点。马潮江等通过引入纤维束填料，研发了一种复合人工生态浮岛载体，利用网状结构层支架固定纤维束填料，增加了浮岛的净化效果。汤颖等研发的人工浮岛水体净化装置，在浮体下悬挂装有颗粒型填料的网笼，兼有传统生态浮床和吸附填料之长。由此可见，性能优良的填料可以起到强化浮岛净化能力的作用。

在LU等和CHANC等的研究中都构建了新型浮岛，他们采用传统的浮岛联合曝气技术。LU等提出曝气可以提高水体的氧化还原电位，抑制藻类生长，CHANC等则指出曝气可以促进水质均匀，大幅提高局部溶解氧浓度，改善水质。因此，构建新型浮岛是可行的，但其对填料的研究过少。基于此，我们提出构建不依赖植物功能的新型浮岛，主要以填料的生物膜净化和吸附拦截作用为主，辅以植物的吸收作用，强化浮岛的净化效果。所以，本文主要从改进填料的角度研究如何提高浮岛的净化效果。

目前，应用于新型填料浮岛技术的填料主要分为有机填料和无机填料2类。有机填料，包括纤维束填料(软性、半软性和复合填料)、颗粒型有机填料(环状填料、柱状填料、多面空心球均质填料、内置式填料和多孔旋转球型填料)。无机填料有轻质颗粒型无机填料，如陶粒和沸石等。有机填料的挂膜性能较好，净化效果稳定。无机颗粒主要吸附拦截去除污染物，起效快，但挂膜性能差，比重大，不适合单独使用。对比颗粒型有机填料，纤维束填料不仅会发生堵塞和结团的现象，而且需要悬挂或固定在框架上，安装不便，影响了浮岛的净化效果和制作运行成本。因此，本实验室研究拟采用颗粒型有机填料和轻质颗粒型无机填料进行合理的组合。

各种填料在挂膜速度、挂膜量及净化效果等方面存在差异。国内外研究者对此做了大量的研究，但主要针对有机填料强化污水处理能力，作为浮岛基质的相关研究较少。所以，该研究首先针对3种常用的颗粒型有机填料，在模拟宜兴当地河流水质的条件下，通过对比各填料自身的性质、挂膜性能、净化效果及经济成本，筛选出一种性能良好，经济可行，适合应用于新型浮岛技术的有机填料，并以此为基础，引入无机颗粒填料，提出一种可以进一步提高净化效果的组合填料，为新型浮岛的进一步研发提供重要支撑。

1实验部分

1. 1实验装置与填料

实验装置如图1所示。为模拟浮岛净化水质的情况，拟采用的反应装置主体为塑料桶，有效容积为45 L。在反应器底部合适位置处以三脚架固定曝气盘，该实验所使用的曝气盘为直径8 cm的高温烧结曝气盘，通过软管与气泵相连，并采用时间继电器控制曝气时间。反应器中部设置填料区(不锈钢网笼，内部装填实验所用填料)，以塑料绳悬挂于曝气盘之上，填料网笼以直径3 mm的304不锈钢条焊接而成，尺寸为10 cm X 10 cm X 15 cm，带有可拆卸不锈钢网盖，供调节网笼容积，本文调节网笼有效容积均为1 L。实验采用手动更换水的方式，每天更换一次，体积为1 L。

实验所用各种有机填料如图2所示。3种有机填料均为聚乙烯材料注塑制成，其中，空心球直径为25 mm，比表面积为460 m2˙m-3，堆积个数为85 000个˙m-3 ,鲍尔环为圆柱状，底面直径为25 mm，高度为25 mm，壁厚约为1. 2 mm，比表面积为175 m2˙m-3 ,K3填料为环状，底面直径为25 mm，高度为10一12mm，比表面积为860 m2˙m-3 。

1. 2实验水质

实验用水采用模拟宜兴当地富营养化河水配制，以葡萄糖作为碳源，硝酸钠和碳酸氢钱作为氮源，磷酸氢二钾作为磷源。进水各水质指标如表1所示，其中低负荷水质为根据宜兴当地富营养化河水实际所测水质配制，中负荷和高负荷水质则分别用于后续实验中为了测试目标填料对冲击性进水负荷的反应。其中，各反应器配制低负荷水质下各药品的用量分别为:葡萄糖2. 5 g，碳酸氢钱740 mg，硝酸钠790 mg,磷酸氢二钾320 mg 。

1. 3实验方法

组装并运行反应器，按低负荷水质配制水样，在室温条件下连续运行，控制溶解氧浓度为3一4 mg / L ，对比3种填料的挂膜性能。并将挂膜完成后的填料(1L)置于5 L新配制水样中，研究不同填料挂膜后对各污染物的去除速率，筛选填料。通过改变污染物负荷、水温和溶解氧浓度，研究所筛选出填料的性能，并对比单种的有机填料与组合填料净化效果，研究浮岛技术采用组合填料的可能性。

1. 4分析方法

COD采用重铬酸钾法测定，氨氮采用纳氏试剂光度法测定，总氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定，总磷采用钥锑抗分光光度法测定，溶解氧采用便携式溶解氧仪测定。

填料生物膜量测定方法:取一定数量挂膜后的填料置于烧杯中，加入适当体积的超纯水，超声10 min ,使填料表面的生物膜脱落。将超声后的生物膜溶液用滤纸过滤后，放入烘箱中105℃烘干至恒重，过滤前后重量差按填料堆积系数换算即可求得单位体积填料(1 L)的生物膜量。

DGGE高通量测序方法:取出挂膜后的填料，将填料表面的生物膜刮下，水样先经滤膜过滤后，采集富集于滤膜上的过滤物。提取采集到的生物样品的DNA，利用通用引物扩增其16S rRNA基因，然后将等摩尔的纯化后的PCR产物混合上机测序。