水稻组合生态浮床治理污染河流及其综合效果分析

来源:用户上传      作者:蒋媛 刘福兴 杨宏伟

　　摘要 采用水稻组合生态浮床治理污染河道，该技术优化了河道的微生物结构，增加了水体的自净能力，从而有效去除了水体的主要污染物，提高了水体透明度;试验结果表明水稻组合生态浮床能在污染河道条件下，保证工程植物水稻的正常生长，产量达7 500 kg/hm2以上，通过收获植物体的形式，可直接从河道水体中去除的N、P总量分别达31.57、14.89 kg。试验区对TN、TP、NH4+-N和CODMn的平均去除率分别为6.51%、18.75%、15.64%和13.55%。该技术是一种新型的生态浮床技术，使经济效益与生态效益有机结合，可为我国污染河道治理提供科学依据。
　　关键词 污染河流;水稻组合生态浮床;微生物;综合效果
　　Abstract The technology of rice combination ecological floating bed was used to treat polluted river，optimized the microbial structure， increased the selfpurification ability， effectively removed the main pollutants， and improved the transparency of water body. The experimental results showed that the technology could ensure the normal growth of engineering plant rice under polluted river conditions， and the yield could reach 7 500 kg/hm2. Above all， the total amount of nitrogen and phosphorus that can be directly removed from river water by harvesting plant body reached 31.57 kg and 14.89 kg， respectively. The average removal rates of TN， TP， NH4+N and CODMn were 6.51%， 18.75%， 15.64% and 13.55%， respectively. This technology is a new type of ecological floating bed technology， which combines economic benefits with ecological benefits， and provides a scientific basis for the treatment of polluted rivers in China.
　　Key words Polluted rivers;Rice combination ecological floating bed;Microorganisms;Comprehensive effects
　　20世纪80年代以来我国经济得到快速發展，由于环保意识与环境治理技术的相对落后，加之污染企业废水的直接排放，市政污水管网建设的滞后性，导致城市接纳水体污染状况日益严重，造成河道水体的富营养化，季节性水体黑臭状况时有出现。数据表明，我国黑臭水体污染严重，共有1 900多个黑臭水体，当前国家正积极推进黑臭水体治理，针对黑臭水体的生态浮床技术是比较有效的生态治理方法之一，它是一种将现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植技术[1-4]，生态浮床具有良好的水质净化效果[5-8]，然而传统的生态浮床经济成本相对较高。
　　水稻浮床早在20世纪末进行了少量研究[9]，该试验是在原有水稻浮床的基础上加以改进，增加了包括半软性填料和沸石基质的辅助填料系统，选取粮食作物—水稻作为浮床植物，通过植物吸收、填料吸附、微生物降解及协同作用，达到降低水体污染物浓度的目的[9-10]，同时，获得一定程度的经济利益，弥补了传统生态浮床处理效率不稳定、应用过程中成本无法部分补偿的缺点（图1），实现了环境效益和经济效益的高度统一，从而探索一种新的水环境治理之路。
　　1 试验设计与样品采集
　　1.1 试验设计
　　浮床载体采用传统的发泡塑料材质，水稻为移栽，移栽时秧龄39 d，单本水稻的株高平均为43 cm，分蘖6.5个，苗龄7.8，干物质重1.11 g。移栽时行株距为25.0 cm×21.4 cm，合18.67丛/m2、186 675丛/hm2，水稻品种为旱优湘晴;每平方米浮床辅助填料悬挂1.5 kg沸石、0.15 m3半软性填料。设计水稻组合生态浮床的河段长度为280 m，该河段内浮床覆盖度约为25%，共计1 000 m2。试验地点为无锡市某郊区河道（总长850 m），河道的水流方向不定，属往复流且流速较慢。试验开始前4—6月进行河道采样，共采集3个采样点4次水样，水体主要水质指标TN、TP、NH4+-N和CODMn平均分别为6.96、0.27、2.71、11.50 mg/L。整个试验周期为5—10月。
　　1.2 样品采集与测定方法
　　选取试验区3个采样点，区外选择1个采样点作为对照，在水稻不同生长阶段，共计采集5次水质与生物指标。水体中总氮（TN）含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989），总磷（TP）含量测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989），铵态氮（NH4+-N）采用纳氏试剂法测定。
　　2 结果与分析
　　2.1 水稻的生育状况分析
　　水稻的各生育期：于5月25日播种，7月3日移栽，9月5日抽穗，10月28日成熟，全生育期为156 d，与当地水稻生产相比，除移栽期较当地水稻生产推迟10 d左右外，其他节点基本相同。其中，水稻的工程运行期，即在河道中生育周期为117 d。试验结果显示，工程水稻每丛的基本苗为6.5株，最高苗为25.8株，有效穗12.5个，与当地水田水稻生产相比均偏高约20%。基本苗重207.30 kg/hm2，根茎叶枝粳重19 647.00 kg/hm2，谷粒重9 352.50 kg/hm2，总重28 999.50 kg/hm2，净重28 792.20 kg/hm2，生长186 675.00丛/hm2，株高105.3 cm，穗长15.2 cm，结实率65.6%，理论产量7 611 kg/hm2。 　　2.2 水稻组合生态浮床对水体内微生物的影响
　　从表1可知，水稻浮床明显促进了水体中好氧细菌和真菌生长，其中水稻浮床附近水体中好氧细菌和真菌数量分别是无浮床处水体的2.58倍和2.24倍，水稻根系及辅助填料中好氧细菌和真菌数量更是高达72.0×106、390.0×102 CFU/g，分别是对照水体的8.1倍和5.1倍。水稻浮床促进了水体中亚硝化菌生长，而对氨化菌和反硝化菌的影响不大，但水稻根系及辅助填料系统中的氮循环细菌数量远远高于水体，氨化菌、亚硝化菌和反硝化菌数量分别是对照水体的4.8倍、100.0倍和33.3倍。
　　试验结果表明，水稻浮床明显优化了处理河道的微生物结构，提高了河道系统净化水体的能力。这是由于水稻根系拥有巨大的表面积和良好的生物相容性[11]，同时辅助填料系统的设置为微生物提供了良好的附着和繁衍场所，成为各种微生物的重要载体。
　　水稻根区形成的有氧区域和厌氧或嫌氧区域为不同功能的微生物提供了不同的生境条件，水稻浮床根系所截留的有机污染物和分泌物中的有机碳源，如糖类、有机酸、氨基酸、酚类化合物等[12]，又给微生物提供了丰富的营养物质[13]，并且粗大的根系有利于均匀布水，防止水体对微生物冲刷，能够大大扩展生态浮床净化污水的空间，有利于微生物特别是硝化菌和亚硝化菌等好氧细菌向水体深部分布。
　　2.3 水质改善效果分析
　　2.3.1 植物对水体氮磷的富集效果。
　　生态浮床的植物收获期N、P营养盐积累量的多少是关键参数之一。植物对N、P的吸收去除能力，即去除效果主要决定于试验期间植物对N、P的吸收积累量。由表2可知，通过收获水稻植物体的形式，直接从水体中去除了31.57 kg的N和14.89 kg的P。
　　2.3.2 水体主要污染物的去除效果。
　　试验期间，试验区内河道水体中的主要污染物呈不同程度的下降趋势（图2），水体透明度有较大幅度的增加，较对照点提高了32 cm，达135 cm。表3显示试验区内的水质得到了一定程度的改善，试验工程运行后，植物进入正常生长期，水体改善效果明显，水体中TN、TP、NH4+-N和CODMn的平均去除率分别为6.51%、18.75%、15.64%和13.55%。
　　3 结论与讨论
　　（1）试验结果表明水稻组合生态浮床能在污染河道条件下，保证工程植物水稻的正常生长，产量达7 500 kg/hm2以上，获得了一定的经济效益;干物质收获量达28 792.0 kg/hm2，通过收获植物体的形式，可直接从河道水体中去除的N、P总量分别达31.57和14.89 kg。
　　（2）水稻组合生态浮床能有效促进水体以及植物根系微生物生长和分布，优化微生物结构，分解污染物能力增强，增加水体的自净能力。结果表明试验区对TN、TP、NH4+-N和CODMn的平均去除率分别为6.51%、18.75%、15.64%和13.55%。
　　（3）从相关经济性状和干物质生产量来看，与该水稻品种的种性潜力和在水田种植时的表现相比，除其中的有效穗数表现偏高外，其他性状指标均为偏低，可能受河道两岸遮阴的影响，影响植物的光合作用而导致结实率偏低;同时由于河道中不能使用农药，浮床植物水稻的病虫害也是研究中值得关注的问题。
　　总之，水稻组合生態浮床作为一种新型的生态浮床技术，使经济效益与生态效益有机结合，为我国污染河道治理提供了科学依据。
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