立體生態模塊處理杭州市玉皇山南基金小鎮水體氮的效果

裴建川，張書廷，楊金艷，張 進

（1.天津大學 環境科學與工程學院，天津300072；2.浙江農林大學環境與資源學院，浙江杭州311300）

玉皇山南基金小鎮位于杭州市，小鎮內自然景觀優美，景觀層次豐富。設計中水系水源來自于白渠，但由于白渠周邊施工，水系補水源頭暫時中斷，導致水體缺乏活力。目前，水系主要來自于玉皇山雨水，因落差較大，水體下流過程中沖刷地表而攜帶大量污染物，導致氮過高，加上小鎮內部極個別生活污水間斷性排放至水體，水體氮進一步升高。氮是引起水華的重要驅動因子［1］，小鎮景觀水系多處水體出現綠藻水華現象。這對小鎮整體環境非常不利，急需治理。目前水體氮治理主要有物理-化學法［2］、生物法［3－4］、生物-生態復合法［5－6］等，以復合法最為常用。該法將微生物凈化與植物凈化相結合，在除氮的同時兼具景觀美化作用，尤其適用于城市景觀水體修復，但一般表現形式為人工濕地、人工生態浮島等，占地面積較大［7］，施工周期較長，在大型辦公娛樂休閑地區的景觀水體應用受限。模塊化技術［8－9］可簡化生產環節、降低成本，在第三次產業革命后逐漸成為主導技術。為此開發高效、價格低廉、易施工的模塊化治理技術，對城市景觀水體修復治理意義重大。本研究根據玉皇山南基金小鎮綜合環境及水系實際情況，在污染較為嚴重的副景觀區采用了挺水植物模塊、微生物填料模塊、沉水植物模塊，復合組成的立體生態模塊，對水體進行修復。開展立體生態模塊去除該水系氮的性能研究，旨在探索立體生態模塊除氮能力和機制，植物及生物填料類型對氮去除效果影響及模塊最佳長度，為城市大型復雜景觀污水的研究與應用提供技術參考。

1 研究地區與方法

1.1 研究區概況

場址位于杭州市玉皇山南基金小鎮（30.21°N，120.15°E）的副景觀區（圖1）。該區屬于亞熱帶季風氣候，光照充足，雨水充沛。2015年，全年平均氣溫為17.3℃，年總降水量為1 947.6 mm，年總日照時數為1 358.5 h。

圖1 實驗區地理位置示意圖Figure 1 Geographical location of the experiment

1.2 實驗水樣

以玉皇山南基金小鎮水系中污染較為嚴重的副景觀區水體作為治理對象，如圖1。該水體通過主景觀區利用泵水房補給水，水流極緩，水深為1.5～2.0 m，進水污染物質量濃度變化較大，統計結果見表1。根據GB3838-2002《地表水環境質量標準》可知：水質處于五類水以下（劣Ⅴ類水）。

表1 治理前玉皇山南基金小鎮水系水質Table 1 Water quality of Yuhuang Shannan Fund Town before treatment

1.3 模塊技術設計

立體生態模塊由挺水植物模塊、沉水植物模塊及微生物填料模塊組成，各模塊設計如下：①挺水植物模塊。選取香蒲Typha orientalis，美人蕉Canna indica，千屈菜Lythrum salicaria，構建3種挺水植物模塊。模塊大?。洪L×寬×高為1.75 m×1.00 m×0.20 m，以竹竿（內徑D=6～8 cm）為支撐邊，上面放置聚乙烯塑料浮板（長0.33 m×寬0.33 m×高0.06 m），浮板內套軟花盆（上口徑0.15 m，下口徑0.11 m，高0.13 m），花盆內鋪設0.10 m厚的陶粒，陶粒平均粒徑為2.2 cm。植物種植于花盆內，栽植密度為16株·m－2。②沉水植物模塊。選取狐尾藻Myriophyllum verticillatum，竹葉眼子菜Potamogeton malaianus，伊樂藻Elodea nuttallii，構建3種沉水植物模塊。模塊尺度：長×寬×高為1.75 m×1.00 m×0.50 m，以竹竿（內徑D=4～6 cm）為支撐邊，上面布設紗網袋（100目），網袋內鋪設0.15 m厚的陶粒，陶粒平均粒徑為2.2 cm。沉水植物栽植于網內，栽植密度為25株·m－2。③微生物填料模塊。選取碳纖維草（比表面積=1 000 m2·g－1）， 立體超細纖維草（比表面積=8 000 m2·m－3）， 構建 2 個微生物填料模塊。 生物填料模塊為長方體（長1.75 m×寬1.00 m×高0.50 m），框架用竹竿（內徑D=4～6 cm）搭建，人工水草鋪設體積率為5%。

將上述3種模塊按照微生物填料模塊→沉水植物模塊→挺水植物模塊的順序從下至上固定，復合成18個立體生態模塊。

1.4 實驗方法

18個立體生態模塊建成后，放置于透明的有機玻璃（厚度T=2 mm）反應器（長1.85 m×寬1.10 m×高1.40 m）內，與周圍水體隔離，安裝于玉皇山基金小鎮副景觀區水系。其中進水口位于反應器一側頂端直通入下部，在距離立體生態模塊進水口端0.30，0.70和1.85 m處，距離立體生態模塊底部0.25，0.75和1.10 m處，設采水管（直徑d=2.0 cm），共計9個，采水管不采樣時處于閉管狀態，出水口為9號采樣口，如圖2所示。另設1個空白組。

先試運行1.5個月，2016年5月13日起向模塊進水，系統運行2個月，至2016年7月12日結束。進水方式：用流量泵將副景觀區水抽至立體生態模塊，通過模塊進水口均勻持續進水，每個模塊進水量均為15.00 m3·d－1，水力負荷為7.37 m·d－1。運行期內每周采集1次水樣，5月13日14:00第1次采樣，以后隔6 d在14:00采樣1次，共采集9次水樣。實驗期間現場測定模塊內pH值和水溫。采集后的水樣放置于采集瓶，其中入水口處水樣為進水水質，9號采集管出水樣為出水水質，1～3號采集管抽取10.00 mL混勻為0.30 m處水樣，4～6號采集管抽取10.00 mL混勻為0.70 m處水樣，7～9號采集管抽取10.00 mL混勻為1.85 m處水樣。做好標記放于冰盒內運至分析室存于0℃冰箱內。24 h內完成分析。

采集水樣主要測試指標有總氮、銨態氮、硝態氮、pH值（酸堿度）、溫度，分析方法采用文獻［10］所述方法，其中總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨態氮采用靛酚藍比色法，硝態氮采用酚二磺酸分光光度法， pH 值采用電極法， 溫度采用溫度計法。 平均質量濃度 ρ平均=（ρ1＋ρ2＋ρ3＋…＋ρn）/n， 其中：ρ表示質量濃度，ρ1為第1次采集水樣所測的質量濃度，ρ2為第2次采集水樣所測得質量濃度，其他以此類推。 去除率=（ρ進水－ρ出水）/ρ進水×100%。

圖2 立體生態模塊示意圖Figure 2 Diagram of vertical ecological modules

2 結果與分析

2.1 對去除污水總氮及耐沖擊負荷分析

由表2可知：實驗周期內，進水總氮質量濃度平均為5.60 mg·L－1。經立體生態模塊后，香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊總氮質量濃度平均為0.13 mg·L－1，低于其他立體生態模塊（0.22～1.48 mg·L－1）及空白組（3.87 mg·L－1）。 香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態?？偟骄コ蕿?97.61%， 高于其他立體生態模塊（73.58%～96.10%）及空白組（30.87%）。對于銨態氮而言，香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊出水總氮質量濃度平均為0.04 mg·L－1，低于其他立體生態模塊（0.08～0.88 mg·L－1）及空白組（1.96 mg·L－1）。香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊的銨態氮平均去除率為98.68%，高于其他立體生態模塊（71.05%～97.37%）及空白（35.53%）。而對硝態氮，去除效果仍以香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊最好，去除率為96.97%，高于其他立體生態模塊（63.93%～93.11%）及空白（20.50%）。

顯著性分析（表2）發現：立體生態模塊與空白組相比較，對總氮、銨態氮、硝態氮去除率呈極顯著差異，而且植物和生物填料類型對去除率有一定影響?？瞻椎目偟|量濃度平均去除率極顯著低于立體生態模塊（P＜0.01）。在18個復合立體生態模塊中，香蒲-伊樂藻-碳纖維草（97.64%），美人蕉-伊樂藻-碳纖維草（96.02%），香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草（93.05%）3種復合立體生態模塊對總氮去除效果最好，其中去除率最高的香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊總氮平均去除率比空白組高70.61%。18個立體生態模塊中，除香蒲-狐尾藻-碳纖維草、香蒲-竹葉眼子菜-碳纖維草、香蒲-狐尾藻-立體超細纖維草、美人蕉-狐尾藻-碳纖維草、美人蕉-竹葉眼子菜-碳纖維草、千屈菜-狐尾藻-碳纖維草、千屈菜-伊樂藻-立體超細纖維草7個復合立體生態模塊外，其他復合立體生態模塊均呈顯著差異（P＜0.05），這說明所選植物及生物填料不但能促進總氮去除，而且種類對總氮去除率也有一定影響。通過比較可知，由伊樂藻構建的沉水植物模塊在所有模塊中對總氮的去除率提高效果最顯著；挺水植物模塊中香蒲模塊對總氮的去除率最高，其次是美人蕉，千屈菜降解率最低；碳纖維草模塊對總氮的去除率高于立體超細纖維草模塊。對于銨態氮質量濃度，空白組和18個立體生態模塊組兩者差異達顯著水平（P＜0.01），其中香蒲-伊樂藻-碳纖維草等14個立體生態模塊又與立體生態模塊整體呈顯著差異。這說明不同植物及生物填料對銨態氮去除率影響比對總氮去除率顯著?？瞻捉M硝態氮去除率和立體生態模塊同樣呈極顯著差別。在18個立體生態模塊中，去除率與模塊整體呈顯著差異達72.00%，同樣說明植物和生物填料類型對硝態氮去除率有一定影響。

副景觀區水體總氮質量濃度波動較大，分別為3.02～10.87 mg·L－1，表明不同立體生態模塊的抗沖擊負荷能力差異顯著。最高總氮進水質量濃度發生在2016年5月13日（10.87 mg·L－1），空白組的總氮去除率為19.96%，立體生態模塊的總氮去除率為66.51%～95.22%。最低總氮進水質量濃度發生在2016年5月20日（3.02 mg·L－1），而空白的總氮去除率為29.80%，立體生態模塊的總氮去除率為62.58%～94.70%。對比可見：總氮去除率，除空白組相差較大外，進水負荷對立體生態模塊影響不大。說明立體生態模塊具有較強的抗沖擊負荷能力，對質量濃度波動較大的水體保持較高的去除率。

可見，副景觀區污水通過立體生態模塊凈化后總氮降低，18個立體生態模塊的平均出水質量濃度參照GB3838-2002《地表水環境質量標準》，總氮已達Ⅳ類水水質標準（1.5 mg·L－1）。但其出水水質總氮尚未達到Ⅲ類地表水水質標準，一般不能直接作為接觸性娛樂性景觀用水。故對于副景觀區，可以采取曝氣充氧＋立體生態模塊工藝，再加上后續副景觀區塘邊緩沖帶，以保障副景觀區的水質。

表2 不同立體生態模塊進水氮質量濃度及去除率（平均值）Table 2 Concentration and removal rate of nitrogen in various vertical ecological modules

2.2 各形態氮的質量濃度沿長度變化趨勢分析

選取對總氮降解率最高的3組（香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊），考察各形態氮質量濃度的沿長度變化。由圖3A和圖3B可見：立體生態模塊中總氮、銨態氮質量濃度均呈沿長度降低之勢，且距出水口越近去除效果越好。由圖3C可知：雖各立體生態模塊硝態氮質量濃度均低于進水，但立體生態模塊在0.70 m后質量濃度下降更明顯，而空白組硝態氮質量濃度穩定下降，變化曲線形狀與總氮和銨態氮相似。立體生態模塊全程無硝態氮積累，這與僅采用植物凈化的效果不同［11－14］。這可能和立體生態模塊位于最低端的微生物填料模塊的反硝化作用更強，促進了硝態氮的還原有關。香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊在0.30，0.70和1.85 m處所取水樣的總氮、銨態氮、硝態氮質量濃度低于空白組，香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草和美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊，在3個立體生態模塊中最低。

2.3 pH值及植物、生物填料對去除氮效果分析

選取去除率最高的3組（香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊），考察pH值變化趨勢及各子模塊對增強氮去除效果。由圖3D可見：實驗期各模塊酸堿度為pH 7.15～7.40?？瞻捉M沿長度pH值均大于或等于pH 7.39且曲線變化幅度相對較小，尾端pH值有一定升幅，而香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊pH值均小于空白，pH值隨長度增加均小幅度下降，其原因可能為立體生態模塊中的挺水植物和沉水植物泌氧功能，通過立體生態模塊中植物根系輸氧能力和沉水植物光合作用使模塊內挺水植物模塊和沉水植物模塊水體氧含量增加，硝化作用增強，釋放了大量的質子，導致pH值沿長度下降，且低于空白組的pH值，這種變化趨勢與黃季超等［11］研究結果相似。因反應系統pH值均小于pH 7.50，故實驗過程氨揮發可以忽略［12］。以此推斷，實驗過程立體生態模塊中氮的去除可能主要靠硝化/反硝化、厭氧氨氧化和植物光合作用，通常在有氧條件下，水體氮一部分經過銨鹽→亞硝酸鹽→硝酸鹽的過程轉化為水溶鹽，含氮鹽在缺氧條件下經過硝酸鹽→亞硝酸鹽→一氧化氮→一氧化二氮→氮氣轉化為氣態氮；一部分氮在缺氧條件下經過銨鹽→氮氣直接經過厭氧氨氧化作用轉化為氣體［15］。硝化菌最佳酸堿度為pH 7.0～8.6，反硝化菌和厭氧氨氧化菌酸堿度為pH 7.0～8.0［14－15］。pH值監測結果表明：立體生態模塊中pH值在此范圍內，適合氮降解細菌的生長繁殖。在后期，為了深入探究反應過程pH值呈現這種變化的原因，可增設溶解氧（DO），微生物種類及數量等指標監測，來論證現在的推斷。

種植了植物和生物填料的立體生態模塊的脫氮效果優于空白組。主要原因：①立體生態模塊的水流受植物生長和生物填料影響，水流受到阻滯，延長停留時間；②植物生長吸收硝態氮和銨態氮；③挺水植物根系、沉水植物和生物填料為模塊中微生物生長提供了繁殖場所［16－18］，根系和生物填料會創造有利于多種微生物生長的小環境，在沉水植物及挺水植物根莖附近會形成有氧小環境，形成硝化好氧區，在遠離沉水植物和挺水植物根莖、模塊最底部的生物填料模塊形成反硝化、氨氧化缺氧區。

本研究植物初始平均株高為香蒲1.56 m，美人蕉2.02 m，伊樂藻1.45 m，實驗結束時植物平均株高為香蒲1.75 m，美人蕉1.32 m，而伊樂藻已覆蓋整個沉水植物模塊（長1.75 m×寬1.00 m×高0.50 m）紗網袋，并且分別于2016年5月27日和6月17日進行收割，水體氮鹽可通過光合作用作為營養物質暫時儲存于植物［19］。長勢最好的香蒲和伊樂藻對氮的去除效果最好。挺水植物和沉水植物組合成水生植物群落，比單一水生植物氮磷去除率更好。劉足根等［20］研究表明：鄉土種穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum+狹葉香蒲Typha angustifolia的鑲嵌組合對總氮、硝態氮的去除率分別達52.96%和61.74%，比單一生活型水生植物氮磷去除率更高，且凈化效果更為穩定。所以，可選這些植物生長到一定季節，適時收割植物部分莖和葉，以達到對氮良好的去除效果。

挺水植物和沉水植物的泌氧功能在立體生態模塊凈化污水過程中發揮著重要作用。通過模塊內植物根系和沉水植物莖葉的輸氧，使其周圍形成一個有氧區，而距離較遠的區域形成缺氧、厭氧區，為好氧、厭氧微生物提供生存條件［21］。水中銨態氮去除發生的硝化反應，與水中溶解氧有很大關系。硝化過程所需的氧主要為水中溶解氧，泌氧能力較強的植物可向模塊水體輸送更多氧氣，有利于硝化作用增強，促進除氮能力。香蒲、伊樂藻、美人蕉3種植物都有很強的泌氧能力［22－24］，且存活率和生長情況與本研究的其他3種（千屈菜、竹葉眼子菜、狐尾藻）相比較，表現出更好的長勢，這可能是這3種復合立體生態模塊去除氮效率較高的原因之一。

生物填料比表面積大、空隙率高，能讓微生物在固體表面附著生長形成生物膜，從而實現對污水的生物處理［25］。生物膜中的微生物可以利用污水中溶解氧和有機物促進自身生長繁殖，同時生物膜逐漸增厚，形成厭氧區［26］。水中硝態氮的去除主要在厭氧區進行，香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊脫氮過程中均未出現硝酸根積累的現象，這與僅單純用植物凈化相比，關鍵因素可能因為處于底層的生物填料模塊處于缺氧環境，又對反硝化菌有較好的吸附作用，促使反硝化菌在其表面形成生物膜。有研究表明［27］：在較低負荷下硝化功能菌屬Dechloromonas相對豐度的增加可能是引起填料生物膜反硝化脫氮能力提高的重要原因。為了深入了解生物填料對除氮的影響，可增設監測生物填料模塊總氮、有機溶解氮、銨態氮、硝態氮等各類氮質量濃度變化。

2.4 模塊最佳長度分析

模塊長度受多因素影響，比如降水量、植物品種、生物填料類型等。本研究以玉皇山南基金小鎮景觀水水質凈化為目的，以不同挺水植物、沉水植物、生物填料模塊為控制變量，根據污水污染物降解和沿長度去除率變化確定生態立體模塊最佳長度。用Origin 2017分析軟件，根據立體生態模塊對景觀污水中氮的實際去除效果，分別擬合香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊總氮、銨氮、硝態氮的去除率和沿長度距離，表明總氮、銨氮、硝態氮和沿長度距離呈顯著的指數關系（圖4和表3），所得擬合公式如表3。

圖3 立體生態模塊下總氮、銨態氮、硝態氮和pH值沿長度的變化Figure 3 TN,NH4+-N,NO3--N concentration and pH change along flow direction in vertical ecological modules

擬合結果（表3）顯示：立體生態模塊長度與污染物去除效果呈正相關，但受水體功能限制，不能將水體表面全部覆蓋。玉皇山南基金小鎮景觀水域區總面積僅6 700 m2。為此，在有限的水域面，達到用立體生態模塊控制副景觀區污水的最佳效果，確定立體生態模塊最佳長度。根據表3擬合公式，計算出去除率為85.00%時的值，為不同模塊復合條件下的最佳長度。結果表明：在本實驗條件及周期內，總氮去除率為85.00%時，最佳立體生態模塊長度為香蒲-伊樂藻-碳纖維草1.34 m，美人蕉-伊樂藻-碳纖維1.44 m，香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草1.64 m，空白+∞。香蒲-伊樂藻-碳纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維、香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草相比空白，讓總氮去除率提升至85.00%成為可能?？梢娏Ⅲw生態模塊能顯著提高水系除氮效果，合理的長度設計可有效減少水域面積覆蓋度，增加水系景觀的親水性。

圖4 立體生態模塊下總氮、銨態氮和硝態氮沿長度的去除率變化Figure 4 TN,NH4+-N and NO3--N removal rate change along flow direction in vertical ecological modules

表3 不同立體生態模塊的除氮最佳長度Table 3 Fitted optimal length of vertical ecological modules for nitrogen removal

3 結論

立體生態模塊能有效凈化景觀水體中的氮且具有一定的抗沖擊負荷能力。實驗運營期內，立體生態模塊對總氮、銨態氮、硝態氮去除率均明顯高于空白組，且呈極顯著差異（P＜0.01）。立體生態模塊中當進水總氮平均質量濃度為5.60 mg·L－1，出水總氮最低質量濃度平均值為香蒲-伊樂藻-碳纖維草復合立體生態模塊的0.13 mg·L－1，該模塊平均去除率為97.61%。其余模塊出水氮質量濃度為0.22～1.48 mg·L－1，空白組出水氮質量濃度為3.87 mg·L－1，均高于該模塊。

植物種類和生物填料類型對氮的凈化效果有一定影響。18個1.85 m長立體生態模塊，總氮平均去除率為73.58%～97.61%，銨態氮平均去除率為71.05%～98.68%，硝態氮平均去除率為63.93%～96.97%，且分別有11個（總氮）、14個（銨態氮）、13個（硝態氮）模塊與立體生態模塊組呈顯著差異（P＜0.05）。其中3種挺水植物模塊中香蒲模塊對總氮去除率最高，沉水植物模塊中伊樂藻模塊對總氮去除率最高，生物填料模塊中碳纖維模塊對總氮去除率高于立體超細纖維模塊。對總氮去除率前3種復合模塊類型為香蒲-伊樂藻-碳纖維草97.61%，美人蕉-伊樂藻-碳纖維96.10%，香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草92.61%，去除率均與整體均呈極顯著差異（P＜0.01）。

立體生態模塊pH值在模塊運行過程中呈現不同程度的降低，但均處在硝化/反硝化、厭氧氨氧化的最佳pH值范圍內，這可能為氮的生化作用提供了較好的外在條件。后續可通過溶解氧、微生物種類及數量等的數據檢測來證實。

植物和生物填料種類對確定立體生態模塊最佳長度有一定影響。不同植物和生物填料復合成的立體生態模塊最佳長度不同，對總氮去除率越高的植物模塊和生物填料模塊復合成的立體生態模塊最佳長度越短，反之增長。在總氮去除率達85.00%時，在除氮效果前3的模塊中，香蒲-伊樂藻-碳纖維草最佳長度為1.34 m，美人蕉-伊樂藻-碳纖維為1.44 m，香蒲-伊樂藻-立體超細纖維草為1.64 m。這不但提高了水體凈化能力，而且有效減少水體覆蓋度。最佳長度可為立體生態模塊技術在景觀水系修復工程應用提供參考。