第6卷第9期
环境工程学报
Vol ．6，No ．92012年9月
Chinese Journal of Environmental Engineering
Sep ．2012
处理中的应用研究
潘静赟
李正魁
水炮泥*
（南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，南京210046）
摘要采用新型亲水性和疏水性材料作为生物填料，研究了生物填料-沉水植物联用技术在静态和原位水体中对武进港红旗河的水强化处理性能。静态实验选用2种生物填料考察其水处理特性，筛选出性能较好的填料进行了原位实验，沉水植物选取原位常见的狐尾藻、金鱼藻和伊乐藻。通过原位实验进一步考察了所选生物填料性能及生物填料-沉水植物联用对河道水的处理效果。结果表明，原位实验处理效果优于静态实验，原位实验中各测定指标的总平均去除率分别为：氨氮69.07%，亚硝氮70.28%，硝态氮47.58%，总氮53.28%，正磷酸盐84.88%，总磷83.50%。填料平均挂膜速率为453.01nmol /（g ·d ）。 关键词生物填料-沉水植物联用武进港富营养化入湖河道太湖
中图分类号
X524
文献标识码
A
文章编号1673-ipanel
9108（2012）09-2963-06Applied study of biofilm carrier-macrophyte assemblage
in strengthening river water treatment
Pan Jingyun
Li Zhengkui
（State Key Laboratory of Pollutant Control and Resources Reuse ，School of Environment ，Nanjing University ，Nanjing 210046，China ）
Abstract New type of hydrophilic and hydrophobic materials were selected as biofilm carriers ，and the wa-ter treatment properties of biofim carrier-macrophyte assemblage technology was studied under static flow pattern and in situ water column of Hongqi River．The aim of static experiment was to select biofilm carrier with better performance of water purification for the next in situ river experiment．In the study ，local popular macrophytes of Myriophyllum spicatum ，Ceratophyllum demersum and Elodea nuttallii were chosen for the experiment．The in si-tu experiment was conducted to further investigate the properties of selected biofilm carrier and the rejoined puri-fication effect of biofim carrier-macrophyte assemblage in Hongqi River．The results showed that it had better wa-ter treatment effect during in situ experiment ，and the average removal percentages of NH +4-N ，NO －2-N ，NO －3-N ，total N （TN ），PO 3－
4and total P （TP ）were 69.07%，
70.28%，47.58%，53.28%，84.88%and 83.50%，respectively．The average rate of biofilm culturing was 453.01nmol /（g ·d ）．
Key words biofilm carrier-macrophyte assemblage ；Wujin River ；eutrophication ；inflow river channel ；
Taihu Lake
基金项目：江苏省自然科学基金－重点项目（BK2010056）；江苏省环
保厅项目（201108）；国家“水体污染控制与治理”科技重大专项（2008ZX07101-004，2008ZX07101-012）收稿日期：2011－05－26；修订日期：2011－08－11
作者简介：潘静赟（1987 ），女，硕士研究生，主要从事水污染控制
与生态修复研究工作。E-mail ：berylpjy@gmail．com *通讯联系人，E-mail ：zhkuili@nju．edu．cn
近年来，随着我国社会经济的发展，污染物排放
逐年增加，导致湖泊水体污染和富营养化现象日趋严重［1］
。长江中下游五大淡水湖之一的太湖也深受其扰，湖体平均水质劣于V 类，全湖富营养化程度处于中等富营养水平。太湖水体的污染物质主要
是有机物和氮、磷，且经常暴发蓝藻水华［2］
，严重影响到太湖为水源地的饮用水供水安全，而污染物经入湖河道的持续排入是导致太湖水体逐年恶化主要
原因之一［3］
。因此，
必须重视入湖河流的氮磷污染控制、水质净化及生态修复
［4，5］
。河道水质的改善对于遏制太湖水质恶化，减缓太湖富营养化程度具
有重要意义。
武进港是太湖主要入湖河道之一，东至直湖港西岸，西至武宜运河东岸，北至京杭运河西岸，南至
环境工程学报第6卷
太湖、太滆运河北岸。红旗河是武进港的支流，周边有农村生活污水排放、
农田尾水以及企业排污。监测显示，红旗河主要是总氮、总磷超标，河流水质总体为劣Ⅴ类。因此，控制红旗河水体污染对于净化武进港入湖河道水体水质进而遏制太湖富营养化具有重要作用。
目前，国内外对于入湖河道的污染控制主要采
用前置库技术［6］、人工湿地技术［7］
、生态浮岛技术
［8］
和生物填料技术
［9］
等，取得了一定的效果。其
中在生态修复方面通常采用的生态浮岛技术［10］
，虽对水质具有一定的改善效果，但如不及时收割，会对
水质产生二次污染［11］
。因此，选用适合的技术对控制武进港红旗河污染至关重要。
本研究针对武进港红旗河水体水流缓慢、水体浊度较大、主要污染物为总氮、总磷等、且污染物质难以快速降解等特点，
结合沉水植物对于氮磷等污染物的吸收净化功能［12］
，采用原位生物接触氧化技术对红旗河水体进行原位污染控制实验［13］
，取得了有益的实验效果，其结果对入湖河流污染控制、逐步
改善太湖水体水质具有一定意义。
1
材料与方法
1.1
研究区概况
本研究的目标水体是位于江苏省常州市武进区
的武进港红旗河（图1），该河东入武进港，全长1.68km ，河宽平均16m ，河深平均1.68m ，底泥深0.16m ，水流缓慢。河流穿过马弛村和天井村，汇水
面积约129.6hm 2，其中耕地约46.8hm 2。红旗河周边有农村生活污水排放、农田尾水以及企业排污，
水体浊度较大。监测显示，红旗河主要是总氮、总磷超标，河流水质总体为劣Ⅴ类
。
图1红旗河水域位置图Fig.1
Location of Hongqi River
1.2实验材料
本实验中所用的实验材料主要分沉水植物和生物填料两部分。沉水植物根据武进港当地的情况选取3种，分别为狐尾藻、金鱼藻和伊乐藻。生物填料
采用亲水型生物填料（简称填料1）和疏水性生物填料两种（简称填料2）。其中填料1是以维纶醛化丝为主要材料的亲水性填料，平均纤维束长60mm ，束间距30mm ，安装间距60mm ，纤维束量9259束/
m 3，成膜后重200kg /m 3
，孔隙率＞99%，理论比表
面积9891m 2/m 3
。2种填料的照片见图2。
图2填料照片
Fig.2
Photos of packing
1.3
实验方法
本实验共分两阶段进行：第1阶段进行静态实验，主要以筛选处理效果相对较好的填料为目的，第2阶段为原位实验，重点考察第1阶段筛选出的填料与沉水植物在原位动态水流条件下对原位河水的联合处理效果。
静态实验中根据对红旗河的长期监测数据配制自配水，在12个规格为40cm ˑ50cm ˑ40cm 的透明
玻璃缸中分别对不同组合进行水处理效果的研究。
这12组组合分别为：空白、填料1、填料2、伊乐藻、
金鱼藻、狐尾藻、填料1+伊乐藻、填料1+金鱼藻、填料1+狐尾藻、填料2+伊乐藻、填料2+金鱼藻、填料2+狐尾藻。投加量：植物组水生植物各100g （湿重），填料组填料各100g ，混合组填料与水生植物各50g 。每隔一周取缸底水样检测各指标，每2 3周测定填料生物量。实验时间从2009年11月6日起，共9周。原位实验以红旗河边为实验地点，实验装置为
规格的PVC 水槽，
理论容积800L ，有效容积640L 。水槽中用带孔的隔板将其平均分为8个水处理块，
底部设取样阀。用泵抽取红旗河原水作为实验用
水。选择填料1和静态实验中的3种水生植物为实验材料。水处理组合为：空白，填料1，填料1+狐尾藻，填料1+金鱼藻，填料1+伊乐藻，狐尾藻，金鱼
4
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第9期潘静赟等：生物填料-沉水植物联用在河道水强化处理中的应用研究
藻，伊乐藻（图3）。生物填料和沉水植物的添加量
为静态实验的2倍。采用间歇进水的方式，12h 内连续换水6h ，牧一征
进水时水力停留时间0.2h 。隔天取槽底水样检测指标，每隔2d 测定填料生物量。实验时间从2010年10月15日起共2周
。
图3
覆膜砂自动生产线原位实验示意图
Fig.3
Schematic of in situ experiment
1.4指标测定及方法
监测指标主要为TN （mg /L ）（过硫酸钾氧
化—
——紫外分光光度法）、NH +4-N （mg /L ）（纳氏试剂光度法）、
NO －3-N （mg /L ）（紫外分光光度法）、NO －2-N （mg /L ）（N-（1-柰基）-乙二胺光度法）、TP （mg /L ）（过硫酸钾消解———钼锑抗分光光度法）、
PO 3－4（mg /L ）（钼锑抗分光光度法）
［14］
、pH （雷磁便携式pH 计，PHB-4）、氧化-还原电位（雷磁便携式ORP 仪）、COD （快速COD 仪检测仪-6B-2000型）、DO （雷磁便携式DO 仪）和生物量（脂磷法）。1.5数据分析
本研究中所有的数据图表均使用软件ORI-GIN7.5与AutoCAD 进行绘制，使用软件SPSS 13.0进行数据的统计分析。
2
结果与分析
2.1
静态实验
静态实验时的取样温度范围从19.9ħ波动下
降至1ħ。平均温度8.45ħ。
图4是静态实验氮类指标和填料生物量的关系
图。在静态实验中所测的氮类指标有TN 、NH +4-N 、NO －3-N 和NO －2-N ，取12种实验组合的数
据平均值
作图。生物量取填料1和填料2的生物量各组数据平均值作图。实验结果表明，氮类指标浓度整体呈下降趋势。其中TN 浓度从10.39mg /L 下降至
6.55mg /L ，降解率为36.96%；NO －
2-N 值在0.60mg /L 左右，无显著降解效果；NH +4-N 浓度从5.02mg /L 下降至1.26mg /L ，降解率为74.97%；NO －
3-
N 浓度从4.40mg /L 上升至5.67mg /L 。实验初期，
NH +4-N 占TN 比例为48.3%，NO －3-N 占TN 比例为42.3%，两者为总氮的主要贡献者。而随着实验进
行，NH +4-N 所占比例不断减少，而NO －
3-N 比例持续增加。而到实验末期，NH +
4-
N 占TN 比例为19.2%，NO －3-N 则高达86.6%。该变化产生的原因可能来自于生物填料与沉水植物中富集的氮循环微
生物的作用。氨氧化细菌将水体中的氨氮氧化成中间产物亚硝态氮，同时沉水植物通过释氧会改变水
体氧化还原环境，
亚硝态氮在氧化条件下被持续转化成硝态氮。在本研究中，相比于较强的硝化作用
而言，反硝化作用似乎是生物填料-沉水植物体系中的限制步骤，这部分解释了硝态氮短暂积累的原因。
图4静态实验氮类指标与填料生物量变化关系Fig.4
Relationship between biomass and concentration of nitrogen indexes
生物量整体呈现上升趋势。静态实验结束时，
填料1上累积的生物量平均值为4942.24nmol /g ，挂膜速率为78.45nmol /（g ·d ），填料2上累积的生
物量平均值为4716.94nmol /g ，挂膜速率为74.87nmol /（g ·d ）。由图4可知，静态实验中2种填料的生物量变化趋势基本与氮类指标的浓度变化相反，即生物量增加而氮类指标浓度降低，其中TN 和
5
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NH +4-N 的降解效果相对明显。2种填料中填料1具有相对较高的挂膜效率。
图5表明了静态实验磷类指标与填料生物量的变化关系。静态实验中所测的磷类指标为TP 和
PO 3－4
2种，取12种实验组合的数据平均值作图，生物量同图4。实验结果表明，磷类指标浓度整体呈
下降趋势。其中TP 浓度从2.87mg /L 降至0.63
mg /L ，降解率为77.96%；PO 3－
4的浓度从2.20mg /L 降至0.52mg /L ，降解率为76.52%。在静态实验中，磷类指标浓度的变化趋势和生物量的变化趋势相反，即生物量增加而磷类指标浓度降低。其中TP
和PO 3－
4浓度下降明显，有较高的降解率。以上两图表明，填料生物量增加的同时，水体中的氮、磷在不断被去除。生物填料在静态实验过程中挂膜效果明显，在周围水体营养充足的条件下，生物膜中微生物种
通过新陈代谢作用，
其数量不断累积，同时降低了周围水体环境中的氮磷等营养物，有助于净化水体
。
图5静态实验磷类指标与填料生物量的关系Fig.5Relationship between biomass and
concentration of phosphorus indexes
静态实验阶段COD 平均降解率为66.52%，pH 在6 9范围内。而将12个实验组合分为三大类进行实验结果的比较表明：第1类为空白对照组，包含空白、填料1、填料2，该类处理效果相对不佳，NH +
4
-N 平均去除率为23.06%，PO 3－
4平均下降9.56%，TP 降解率为27.65%；第2类为填料与植物的混合组，是2种填料与3种水生植物的不同组合，该类的NH +4-N 平均去除率为57.75%，PO 3－4平均下降了32.06%，TP 降解率为41.32%；第3类为沉水植物组，包含狐尾藻、金鱼藻和伊乐藻，该类的NH +
4-N 平均去除率为74.17%，PO 3－
4平均下降了38.57%，TP 降解率为45.25%。NO －
3-N 的总平均去除率为45.25%，TN 的平均去除率为36.96%。从上述结果可以得出，与空白组相比，沉水植物
组具最优水质净化效果，
生物填料-沉水植物联用组合也表现出较高的净化率，
而单独使用填料效果相对不佳。当有沉水植物存在时，植物不仅可以通过吸收同化作用提高水体氮磷等营养盐的去除效率，同时植物也为微生物落提供了巨大的表面积，使得含植物水体的微生物含量要显著高于不含植物的
水体［15］
，较高的水体微生物密度同样有利于提高生物填料的挂膜效果与处理能力，当生物载体挂膜良好时，就会表现出较强的硝化反硝化能力，沉水植物的存在促进了生物填料的总体净化效果。从本研究可以推断，在生物填料-沉水植物联用组合中，沉水植物对于系统营养盐去除的贡献较大。2.2原位实验
原位实验的采样温度范围从26ħ左右逐渐下降到16.4ħ。平均温度22ħ。
图6是原位实验氮类指标浓度与生物量变化关
系图。实验进行到第9天时，
狐尾藻死亡沉底，这解释了后续实验中NO －
3-N 浓度有所上升的原因。NH +4-N 的总降解率为69.07%，NO －2-N 为70.28%，
NO －3-N 为47.58%，TN 为53.28%。图7是原位实
验磷类指标浓度与生物量变化关系图。实验过程中
TP 、PO 3－4呈现出整体下降的趋势，PO 3－
4降解率为84.88%，TP 的降解率为83.50%；另外，从图中还可以看出，生物量呈上升趋势，其变化趋势与氮、磷浓度变化相反。本阶段实验结束时，生物量为5889.12nmol /g ，挂膜速率为453.01nmol /（g ·d ）。
这表明生物量的累积与氮、磷的去除具有一致性。生物量的增加表明填料丝上的微生物数量增加，提
高了填料的硝化反硝化能力，
促进了填料的除氮效果。由于天然河道中无法满足生物膜除磷的条件［16］
，填料段对TP 的去除主要是依靠填料对吸附
在悬浮颗粒的拦截作用，
使其沉入水底［17］
投篮训练器，本实验中水流速度缓慢，SS 范围为20 150mg /L ，这是磷浓度显著降低的主要原因。
在原位实验中，除测定了上述指标以外，还检测了部分物理指标。到实验结束为止，水中的溶解氧浓度已总体达地表水环境质量标准（GB3838-2002）
中Ⅱ类水标准，部分处理单元已达到Ⅰ类水标准。从原位实验的综合处理效果来看，生物填料-沉水植
物联用组合对水质净化的效果要明显高于静态实验，由于微生物活性、挂膜效率及沉水植物新陈代谢
作用都受温度影响，因此，季节气温的变化是影响本
应用研究综合处理效果的一个重要因素。
6
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第9期潘静赟等：生物填料-
沉水植物联用在河道水强化处理中的应用研究
2.3
数据分析
本实验数据采用SPSS13.0进行相关性分析，分析结果见表1。在P ＜0.01时极显著相关的实验指
标是NO －
3-N 与NH +4-N ，在P ＜0.05时显著相关的实验指标有TN 与温度、
TN 与NH +
4
-N 、TP 与温度、TP 与TN 。通过相关分析说明，红旗河中氨氮和硝
氮是氮素的主要贡献者，
温度与N 、P 及微生物生物量均相关，是影响整个净化效果的关键因素之一。
3讨论
（1）在平均温度为8.45ħ的静态实验条件下，
水生植物具有最优处理效果，
NH +4-N 平均去除率为74.17%，PO 3－
4
平均去除率为38.57%，TP 降解率为45.25%，NO －3-N 总平均去除率为45.25%；填料、水生植物联用效果次之，
NH +4-N 平均去除率为57.75%，PO 3－4
平均下降32.06%，TP 降解率为41.32%。填料1总平均挂膜速率为78.45nmol /（g ·d ），填料2总平均挂膜速率为74.87nmol /（g ·d ），表明填料1比填料2有更高的挂膜速率。
表1因素相关性分析
Table 1
Correlations analysis of different factors
项目填料1
温度
氨氮
总氮
总磷
温度r =－0.679p =0.207氨氮r =－0.595p =0.289r =0.731p =0.160
总氮r =－0.490p =0.402r =0.904*p =0.035r =0.901*p =0.037总磷r =－0.636p =0.249r =0.947*
p =0.015r =0.846p =0.71r =0.946*p =0.015硝氮
r =－0.513p =0.377
r =0.577p =0.308
r =0.978＊
＊p =0.004
r =0.809p =0.097
r =0.719p =0.171
注：r 相关系数，p 为显著性水平，*相关性p ＜0.05，＊＊相关性p ＜0.01。
沉水植物的同化吸收与微生物附着对于水体营养盐的去除具有重要作用。沉水植物与生物填料的巨大表面为氮循环等微生物的生长提供了适宜生长
环境，
微生物落的增加强化了水体的硝化-反硝化效率，在本实验中，生物填料-沉水植物联用组合的硝化作用较明显，而反硝化途径是水体脱氮的控制步骤。与无植物组合相比，含植物组合中生物填料挂膜效果明显，表明附着土著微生物的植物的存在，可以一定程度上促进生物填料的挂膜生长。随着生
物膜厚度的增加，
营养物扩散路径延长，同时好氧-厌氧界面的形成，促进了硝化反硝化过程，整体上提高水体综合净化效果。
（2）在原位实验中，平均温度为22ħ，各指标总
平均去除率分别为：NH +
4-N 69.07%，NO －2-N 70.28%，NO －3-N 47.58%，TN 53.28%，PO 3－
4
84.88%，TP 83.50%。相比于静态实验，原位实验处理效果有显著提高。填料平均挂膜速率为453.0nmol /（g ·d ）。
（3）从处理单元的组合选择来看，填料、植物的联用组合是相对最佳的选择。植物的水质净化效果受季节气温变化影响，生物填料与植物的联用可以弥补植物在冬季的低处理效果，从而达到有效而稳定减轻河道污染负荷的目的。在植物的选择方面，除了优先选择水处理效果较强的水生植物外，同时应综合考虑当地河道的本地优势种（如动态实验中的金鱼藻）；在填料的选择上建议选用当地价廉易得的亲水性填料。
（4）由相关性分析表明，温度与氮、磷的去除率有显著相关性，并且沉水植物新陈代谢与微生物活性均受温度影响，因此，温度是影响生物填料-沉水
7
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植物联用单元处理效果的重要环境因子之一。TP
与TN的显著相关性表明，在含有生物填料的处理
单元内脱氮、脱磷的过程有同步性。
4结论
（1）原位实验的水处理效果优于比静态实验。
原位实验中各测定指标的总平均去除率分别为：氨
氮69.07%，亚硝氮70.28%，硝态氮47.58%，总氮
53.28%，正磷酸盐84.88%，总磷83.50%。填料1
平均挂膜速率为453.01nmol/（g·d）。
（2）在接近天然河道的状态下，NO－
3
-N与
NH+
4-N显出极显著相关性，TN与温度、TN与NH+
4
-
N、TP与温度、TP与TN显示出显著相关性。温度是本实验中的重要影响因子。
（3）填料丝上生物量的多少直接影响水体净化效果。生物量的累积可以显著提高填料表面脱氮的效果，同时，生物填料特殊的结构对水体中SS良好的拦截作用是本实验具有显著除磷效果的原因。
（4）生物填料-沉水植物联用能够促进生物膜挂膜效果，提高水体净化的效果与稳定性，在河道水处理中体现出相当的优势和可操作性。在选择植物种时本地优势植物种是一种可行选择。
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（in Chinese）
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