全 文 ：第 31 卷第 10 期 重 庆 大 学 学 报 Vol.31 No.10
2008 年 10 月 Journal of Chongqing Univer sity Oct.2008
文章编号:1000-582X(2008)10-1169-05
风车草泡板型浮岛在污染河水中的脱氮试验
罗固源 ,吴 松 ,肖 华 ,韩金奎 ,许晓毅 ,郑剑锋
(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室 ,重庆 400030)
收稿日期:2008-06-10
基金项目:重庆市科技攻关计划资助项目(CSTC , 2006AB7020)
作者简介:罗固源(1944-),男 , 重庆大学教授 , 博士生导师 ,主要从事水污染控制理论与技术的研究 ,
(E-mail)gy luo@cqu.edu.cn。
摘 要:介绍了泡板型浮岛在污染河水中的脱氮试验。实验表明浮岛植物的脱氮效能依次为:
风车草>香根草>菖蒲。研究了去除负荷与覆盖率及进水负荷之间关系 ,结果表明以 30%覆盖率
为分界点 ,去除负荷与覆盖率之间的关系有明显的变化;去除负荷与进水负荷之间满足二次函数关
系。最后得出了实验条件下的最适宜的覆盖率和进水负荷 。
关键词:浮岛;去除负荷;脱氮;风车草
中图分类号:X703.1 文献标志码:A
Analysis of Cyperus alterni folius foam floating islands on nitrogen
removal in polluted rivers
LUO Gu-yuan , WU Song , XIAO Hua , HAN Jin-kui , XUXiao-yi , ZHENG Jian-feng
(Key Labo ratory of the Three Go rges Reservoir Regions Eco-Environment , Ministry of
Educat ion , Chongqing University , Chongqing 400030 , P .R.China)
Abstract:We conducted a ni trog en removal test using f loat ing islands in polluted rivers.The results show
the nit rogen removal ef ficiency o f Cyperus alterni folius exceeds that of Vetiveria zizanioides which in turn
is g reater than f laglea f .T he relationship among removal lo ading , coverage rate and inflow loading w as
studied.The boundary of cove rage rate w as 30%.T here w as a signif icant change in the relationship
between removal loading and coverage rate.The relationship between removal lo ading and inf low loading
fo llow s a quadrat ic function.The appropriate coverage rate and inflow loading w ere found based on this
test.
Key words:f loating islands;removal lo ading ;nit rogen removal;Cyperus alterni folius
人工浮岛的雏形产生于 20世纪 50年代 ,20世
纪 70年代前 ,国外利用水生高等植物净化污水 ,常
常选用一般的水生杂草 ,净化效果不甚理想 。20世
纪 80年代以后 ,一些国家对人工浮岛技术进行了较
为深入的研究 ,在浮岛载体 、植物种类 、污染物负荷
等关键因素上取得突破 ,获得了非常好的治理效果。
中国从 20世纪 80年代起也对人工浮岛技术开展了
一些有意义的研究 ,推广了一系列示范工程 ,如在太
湖五里湖 、北京什刹海等污染水体的治理中 ,人工浮
岛技术都显现出良好的效果。人工浮岛由于其投资
少 、运行费用低 、不单独占用土地 、不产生二次污染
且有一定景观效果等特点 ,得到越来越广泛的应用 。
风车草(Cy perus al terni f ol ius)属多年生草本
植物 ,由于其生物量大 、根系发达 、对氮磷吸收效果
较好 ,被广泛应用于污染水体的治理[ 1-2] 。目前 ,大
部分研究主要从植物的角度考察风车草对氮磷的吸
收能力[ 1 , 3] ,有关风车草脱氮能力与其主要影响因素
的关系鲜有报道 。试验将风车草等植物应用于泡板
型浮岛 ,考察其对污染河水的脱氮效果 ,并进一步研
究了去除负荷与进水负荷 、覆盖率(人工浮岛面积与
水面面积的比值)等影响因素的关系 ,找出试验条件
下风车草浮岛适宜的覆盖率和进水负荷 ,为风车草
泡板型浮岛治理污染水体提供依据和参考。
1 试验装置和方法
1.1 试验装置
试验基地位于重庆市江津区朱杨镇 ,临江河下
游 ,毗邻临江河河口 。试验水池建于临江河畔 ,污染
河水自上游引入水池。试验分别设计风车草 、香根
草 、菖蒲植物浮岛各 1个 ,进行植物筛选试验 。进行
覆盖率实验时 ,每种覆盖率单独设计一个浮岛 ,并设
一空白水池进行对比分析。单个试验水池尺寸为
2.7 m ×2.3 m×1.0 m ,水深 0.8 m(如图 1所示)。
浮板采用聚苯乙烯发泡板(长 2.0 m ,宽 1.0 m ,
厚 5 cm), 在板上均匀打孔栽种植物 , 密度为
16 株/m 2 ,每株 2 ～ 4个分蘖 ,栽种时用中泡海绵将
植株固定于孔内 。风车草和香根草种苗从重庆市环
境科学研究院试验场地移栽 ,菖蒲为当地植物 。
图 1 试验装置示意图
1.2 试验方法
浮岛于2007年3月 28日建成并运行 40 d后开
始取样 ,每隔 3 d测试水质数据 ,每隔 10 d测量植物
株高和根长变化 。具体试验安排如下:
1)植物筛选 。采用风车草 、香根草和菖蒲 3 种
植物浮岛 ,在相同进水负荷 0.26 m 3/(m2 ·d)、相同
覆盖率(30%)条件下 ,考察植物种类对脱氮效果的
影响 ,筛选合适的脱氮植物。
2)覆盖率试验 。分别设置 10%、20%、30%、
45%和 60%几种覆盖率 ,并设置一空白池作对比 ,
采用试验(1)选出的浮岛植物(风车草)以及相同的
进水负荷 0.26 m3/(m 2 ·d),研究覆盖率对浮岛脱
氮效果的影响。
3)处理负荷的试验。通过调节进水水量控制进
水负荷 ,考察在不同负荷下的总氮去除效果 ,研究去
除负荷随进水负荷变化的关系 。
1.3 试验水质
试验用水采用临江河河水 ,临江河流经重庆永
川 、江津两区 ,流域内人口稠密 、工农业发达 ,污水排
放量大 ,其污染来源主要是永川 、江津两区排放的工
业废水 、生活污水及沿途农业面源污染水体 ,河水水
质属 GB3838-2002《地表水环境质量标准》中劣 V
类 ,为重度污染河流。试验期间其水质如表 1所示 。
表 1 试验用水水质 mg/ L
指标 TN NH 3 DO
范围 26.1～ 42.0 20.8～ 33.6 0.9～ 1.4
1.4 仪器与方法
水体中总氮采用哈希公司 DR/2800型便携式
分光光度计和 DRB200 消解器测试 , DO 测试使用
哈希公司 sensION6型便携式溶氧仪 。
2 试验结果与分析
2.1 植物生长情况
试验于 2007年 3月 28日栽种植物 ,移栽时采
用带根的风车草 、香根草和菖蒲 ,截去茎的中上部 ,
保留约 15 cm 左右。试验期间 ,植物高度和根长随
时间变化如图 2所示 , 4月下旬植物开始发芽分孽 ,
成活率分别达到 95%、91%和 94%。进入 5 、6 月
份 ,植物生长迅速 ,特别是 6 月中旬到 7 月中旬 ,这
段时间是植物生长最迅速的时候 , 3种植物高度变
化为 2.1 cm/d 、2 cm/d 和 1.8 cm/d , 根长变化为
1 cm/d 、0.7 cm/d 、0.4 cm/d。到 7 月下旬的时候 ,
植物成熟 ,高度和根长不再显著变化 。
图 2 植物株高 、根长变化图
3种植物在浮岛中经过近 4个月的生长 ,株高 、
根长和生物量如表 2所示。3种指标都是风车草最
高 ,菖蒲最低 ,几种植物的种间差异显著 ,在相同覆
盖率的情况下 ,风车草的平均生物量达 2 744 g/m2 ,
是香根草和菖蒲的 1.5倍以上 。
1170 重 庆 大 学 学 报 第 31 卷
表 2 成熟植物的株高 、根长和生物量
植物 株高/ cm 根长/ cm 生物量/(g·m2) 样本数/个
风车草 135±15 70±9 2 744±125 32
香根草 118±10 57±8 1 710±96 32
菖蒲 105±12 32±6 1 652±101 32
注:表中数据为均值±标准差
2.2 3种植物脱氮效果比较
3种植物浮岛的脱氮效果见表 3。从表 3可知 ,
在 TN进水平均浓度为 30.2 mg/L 条件下 ,风车草 、
香根草和菖蒲浮岛对 TN 平均去除率分别达到
45.6%、38.9%、36.1%。
表 3 植物的脱氮效果 mg/ L
指标 风车草 香根草 菖蒲 样本数/个
TN
进水 30.2±4.5 30.2±4.5 30.2±4.5 20
出水 16.4±1.9 18.4±2.7 19.3±2.4 20
注:表中数据除样本数外均为均值±标准差。
几种植物浮岛中 ,风车草浮岛脱氮效果最好 ,香
根草次之 ,菖蒲相对较差 。经分析认为:试验期间 ,
风车草生长速度最快 ,生物量大于香根草和菖蒲 ,在
相同生长周期内 ,生物量一般是香根草和菖蒲的1.5
倍以上 ,为了提供生长所需要的氮元素 ,必然更多的
吸收水体中的氮 。植物的根系对污染物的吸附和吸
收作用是浮岛技术处理污染水体的重要途径 ,风车
草根系发达 ,根须多 ,根长可达到 60 ～ 80 cm ,是香
根草和菖蒲根长的 1.2 ～ 2倍 ,在浮岛中形成类似于
网状的结构 ,有利于水体中污染物的沉降 。同时 ,植
物根系发达则向水中转移输送氧气的能力强 ,易于
形成好氧-厌氧的微环境[ 4-8] ,也为微生物提供良好
的栖息载体 ,有利于硝化和反硝化细菌的附着生长 ,
可以为微生物的硝化/反硝化脱氮提供有利条件。
试验结果表明 , 3种植物脱氮能力的高低依次为:风
车草>香根草>菖蒲 。
2.3 覆盖率对脱氮效果的影响
不同覆盖下 TN 去除负荷及水体中溶解氧浓度
见图 3 ,从图 3可以看出 ,溶解氧浓度在覆盖率为 0
的时候最大 ,达到 2.1 mg/ L ,在覆盖率较低的时候 ,
覆盖率的增加对溶解氧浓度影响较小 ,这时随着覆
盖率的上升 ,溶解氧浓度降低的幅度较小。当覆盖
率超过 30%的时候 ,浮岛内溶解氧受覆盖率的影响
较大 ,溶解氧下降十分明显 ,覆盖率达到 60%时 ,溶
解氧浓度降至 0.8 mg/ L。
图 3 不同覆盖率下的去除负荷及溶解氧
去除负荷随覆盖率的变化在覆盖率为 30%前后具
有比较明显的差异 ,以覆盖率 30%为分界点对两者进
行分段拟合。当覆盖率在 30%以下时 ,去除负荷与覆
盖率之间呈 y=-30.25x2 +18.945x+0.574 5关系 ,而
当覆盖率超过 30%的时候 ,去除负荷与覆盖率之间基
本成线性关系 ,其数学模式为 y =0.982 8x+3.282 8 ,
两式中 x均表示覆盖率 , y 均表示去除负荷。
从图 3 可以看出 ,随着覆盖率的增加 , TN 去除
负荷的上升呈先快后慢的趋势 ,覆盖率较低时 ,去除
负荷随覆盖率的增加迅速上升 ,当覆盖率大于 30%
时 ,去除负荷与覆盖率之间呈一条平缓的直线 ,去除
负荷上升缓慢。这是因为:当覆盖率小于 30%时 ,
浮岛内溶解氧充分 ,此时脱氮的主要影响因素为植
物的数量 ,覆盖率增加 ,植物吸收的氮增加 ,同时植
物生长营造了适合于微生物生长的环境 ,使得浮岛
内硝化/反硝化反应能够顺利的进行 ,且由于植物的
存在 ,浮岛内吸附 、沉淀的效果增强 ,所以去除负荷
上升显著。而当覆盖率超过 30%时 ,覆盖率的增加
对提高去除负荷的贡献十分有限 ,去除负荷增加缓
慢 。此时 ,浮岛内溶解氧浓度下降明显 ,导致植物根
系附近的溶解氧浓度偏低 ,根系附近发生硝化/反硝
化作用脱氮的能力减弱。此时 ,由于植物增多 ,吸附
及吸收水体中总氮的能力增强 ,植物吸收去除的总
氮有所增加 ,但由于植物吸收在脱氮中占的比例很
小 ,而硝化/反硝化反应对脱氮的贡献很大[ 9-12] ,植
物吸收所增加的去除负荷被因硝化/反硝化反应脱
氮能力减弱而降低的去除负荷抵消一部分 ,因而导
致总的去除负荷增加量很小 ,在这种情况下 ,依靠覆
盖率的增加来提高浮岛的去除负荷是不可取的。所
以 ,风车草泡板型浮岛采用 30%的覆盖率是较为经
济的 ,也可以取得较好的脱氮效果。
2.4 进水负荷对去除负荷的影响
进水负荷是影响浮岛脱氮效果的关键因素之
一 ,试验通过改变进水水量来调节进水负荷 ,试验共
1171第 10 期 罗固源 ,等:风车草泡板型浮岛在污染河水中的脱氮试验
采用了 10种 TN 进水负荷 ,在同一进水负荷下至少
测试 3次数据 ,考察进水负荷对去除负荷的影响 ,不
同进水负荷下的去除负荷如图 4所示。
图 4 去除负荷与进水负荷的关系
采用多项式对进水负荷与去除负荷之间的关系
进行拟合 ,结果如图 4所示 ,得出进水负荷对去除负
荷影响的数学模式为 y=-0.018 3 x2 +0.507 4 x+
0.367 6 ,其中 y 表示去除负荷 , x 表示进水负荷。
从图 4可知 ,进水负荷低于 10 g/(m2 ·d)时 , TN 的
去除负荷随着进水负荷的上升而上升 ,且上升幅度
较大 ,当 TN 的进水负荷在 10 ～ 14 g/(m2 ·d),去
除负荷较高且维持在比较恒定的水平 ,基本不随进
水负荷的变化而改变 , 当 TN 进水负荷超过
14 g/(m2 .d)时 ,去除负荷随着进水负荷的上升有下
降的趋势 。其原因是进水负荷较低时 ,随着进水负
荷的增加 ,停留时间有一定下降 ,但依然能够保证浮
岛内各种脱氮反应顺利进行所需时间 ,同时由于反
应物 TN浓度增加 ,各种脱氮反应可以很好的发生 ,
去除负荷上升明显。当进水负荷超过14 g/(m2 ·d)
时 ,进水负荷的增加导致水力负荷上升 ,停留时间明
显下降 ,污染物沉淀和接触时间下降 ,植物根系吸附
水体中微小颗粒的难度增加 ,不利于植物对营养物
质的吸收 ,也不利于硝化/反硝化反应的完全进行 ,
此时的停留时间已不能再保证浮岛内各种脱氮反应
的顺利进行 ,且 TN 浓度过大可能抑制一些脱氮反
应[ 13-15] ,去除负荷反而有所下降。而当进水负荷在
10 ～ 14 g/(m2 .d)时 , TN 在浮岛中停留的时间长 ,
且作为反应物它的浓度较大 ,可以使脱氮的各种反
应很好的发生 ,故此时的去除负荷较高。因此 ,在试
验条件下 , 进水 TN 负荷在 10 ～ 14 g/(m2 ·d)之
间 , TN 可以取得较好的去除效果 。
3 结 论
1)在相同的进水负荷和覆盖率条件下 ,几种植
物脱氮的效果依次为:风车草>香根草>菖蒲 。
2)对于风车草泡板型浮岛 ,当其覆盖率在 30%
以下时 ,去除负荷随覆盖率的增加显著上升;而当覆
盖率超过 30%时 ,覆盖率增加对提高去除负荷的贡
献十分有限 ,去除负荷随覆盖率上升缓慢。30%是
风车草浮岛比较合适的覆盖率 。
3)风车草泡板型浮岛的进水负荷与去除负荷之
间具有明显的相关关系。当 TN 进水负荷在 10 ～
14 g/(m2 .d)之间时 ,去除负荷较高且比较恒定 ,基本
不随着进水负荷变动 , TN可以取得较为理想的去除
效果。
4)试验所在的临江河中 ,采用覆盖率为 30%的
风车草泡板型浮岛 , 控制进水 TN 负荷在 10 ～
14 g/(m 2 .d),能够取得较好的脱氮效果。
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