水体富营养化治理中生态浮岛技术的性能优化研究

(整期优先)网络出版时间:2025-01-23
/ 2

水体富营养化治理中生态浮岛技术的性能优化研究

陈娟1 宗镇2李强3

1.370902198204123320    2.370902198808305416   3.372425197607110019

摘要:随着水体富营养化问题日益严重,生态浮岛技术作为一种原位生态修复手段备受关注。本研究旨在深入探讨生态浮岛技术在治理水体富营养化过程中的性能表现,并通过多方面实验与分析提出针对性的优化策略,以期提升该技术的应用效果,为水环境修复提供更有效的解决方案。通过对浮岛植物筛选、载体结构改进以及微生物协同作用等关键环节的研究,揭示了生态浮岛技术优化的潜力与方向。

关键词:水体富营养化;生态浮岛;性能优化;植物筛选;载体结构

一、引言

水体富营养化是全球性的水环境问题,致使藻类大量繁殖、水质恶化、水生生态系统失衡等诸多负面效应,严重威胁人类健康与水生态安全。生态浮岛技术作为绿色、可持续的水体修复方法,凭借水生植物根系吸附、吸收营养物质,微生物降解以及物理过滤等协同作用净化水体。然而,实际应用中该技术存在净化效率不稳、植物生长受限、长期运行效果欠佳等问题,亟待深入研究与优化其性能。

二、生态浮岛技术原理

生态浮岛主要由浮岛载体、水生植物、微生物群落构成。水生植物依靠根系摄取水体中的氮、磷等营养盐用于自身生长代谢,部分植物还可分泌化感物质遏制藻类生长。浮岛载体为植物生长筑牢根基,其特殊构造能够附着海量微生物,进而形成生物膜。微生物在有氧或无氧条件下,将有机污染物分解为无害的二氧化碳、水等,强化水体净化成效。从物理层面来看,浮岛能够阻拦部分悬浮颗粒物,降低水体浊度。

三、影响生态浮岛性能的因素

影响生态浮岛性能的因素众多。植物种类是关键一环,不同水生植物在营养盐吸收、生长快慢及耐污性上差异显著,如凤眼莲吸氮磷效率高却易繁殖过度致生态问题,菖蒲耐污且四季常绿兼具景观美[1]。植物根系发达、表面积大时,既能强力吸附污染物,又可为微生物提供优良附着点。载体材料与结构不容小觑,材质关乎浮力、耐久性与生物亲和性,聚乙烯、聚苯乙烯泡沫板常用,可降解生物质材料也渐受青睐;合理结构能优化水流交换、植物扎根及微生物分布,恰当孔隙率与孔洞设计可加速水流、保氧防根腐,提升污染物去除率。水体环境条件至关重要,水温、光照、水流速度显著影响浮岛运行,适温促植物、微生物活力,光照不足削弱植物净化力,水流过快冲击浮岛、过慢致死水,均不利净化。微生物群落举足轻重,硝化细菌、反硝化细菌等有益菌在营养转化、有机物降解中关键,其数量、活性受水体溶解氧、pH 值、底物浓度调控,构建稳定高效群落协同植物、载体,是提升浮岛性能核心。

四、性能优化实验设计与实施

(一)植物筛选实验

选取本地10种常见水生植物,包含挺水、浮叶、沉水、漂浮四类,如芦苇、香蒲等。设置相同浮岛单元,统一种植密度,放于富营养化模拟池塘,持续6个月监测氮磷浓度、植物生物量与藻类抑制率。结果显示,香蒲和金鱼藻夏季总氮去除率达65%,睡莲富集磷能力强,且组合植物生长平稳。深入探究四季变化,春季水温升,黑藻率先复苏吸附颗粒物、吸收氨氮,芦苇扎根深摄取深层营养;夏季香蒲、金鱼藻共生净化达峰值,前者遮光控藻,后者吸氮磷;秋季睡莲虽叶枯但根吸磷防冬磷累积。

(二)载体结构优化实验

设计平板、蜂窝状、立体框架三种载体,以平板为对照。蜂窝状孔隙率与表面积大,立体框架有多层空间与水流通道。搭载相同植物于可控流速水槽,模拟富营养化水体,监测不同流速(0.1- 0.5 m/s)下氨氮、COD 去除效果。发现立体框架型在0.3m/s 流速时,氨氮去除率比平板高20%,COD高15%,得益于水流交换好、微生物附着多。用FISH 技术探究载体与微生物分布关联,蜂窝状浅层孔隙利硝化细菌富集转化氨氮,立体框架底层助反硝化细菌转化硝态氮,阐释优化载体的内在机理,为精细设计打基础。

(三)微生物强化实验

向浮岛系统接种含硝化菌等的高效菌剂,设未接种对照,定期检测微生物群落、酶活性与水质。接种3个月后,实验组硝态氮降30%,总磷去除率升10%,微生物多样、有益菌成优势种群。拓展研究,对比集中与分批接种,发现分批接种助微生物平稳适应,提升定殖成功率;同时研究不同水温、pH 值下微生物活性,构建模型预判最佳接种策略,保障强化环节高效稳定。

五、优化后的生态浮岛性能评估

(一)水质净化效果

优化后的生态浮岛对富营养化水体的主要污染物指标改善显著。在为期一年的实际湖泊应用监测中,水体总氮、总磷浓度分别降低 45%、50%,COD 降低35%,达到地表水环境质量标准(GB 3838 - 2002)中 Ⅳ 类水部分指标要求,有力遏制藻类水华爆发,水体透明度跃升至0.8 m。细化水质净化效果评估,深度解析净化进程中的水质动态变化:春季藻类萌发初期,生态浮岛凭借植物吸附与微生物抑制双重作用,延缓藻类生长速率,使水体叶绿素a含量始终维持在低位,成功规避水华形成

[2];夏季暴雨频繁时段,尽管大量外源污染物涌入湖泊,浮岛系统依托高效的氮磷去除能力,迅速削减入湖营养盐负荷,确保水体主要污染物浓度不出现大幅反弹;秋季水温降低,微生物活性下滑,此时植物残体缓慢分解释放营养物质,浮岛借助优化的植物组合,利用秋季仍具活性的植物如菖蒲持续吸收,维系水质稳定。全年水质的动态监测,全方位展现优化后生态浮岛应对复杂水环境变化的卓越净化本领。

(二)植物生长状况

所选植物组合生长状态良好,顺应季节变化,年生物量增长稳定维持在20% -30%。冬季香蒲枯萎后,其残体经微生物缓慢分解,持续释放营养物质供底栖生物利用;春季金鱼藻迅速复苏,再度施展净化效能,构建起良性生态循环,为浮岛全年运行保驾护航。深入探究植物生长与生态系统物质循环的协同机理:运用同位素标记技术追踪植物吸收营养物质的来源与去向,发现夏季植物生长旺盛期,约70%的氮素摄取源自水体溶解态氮,30%源于微生物矿化底泥释放的氮,而磷元素则近60%从水体获取,40%由微生物对有机磷的转化提供。这种紧密的物质循环纽带,既保障植物生长所需,又推动微生物群落繁荣,强化整个生态浮岛的稳定性与可持续性。

(三)生态系统稳定性

微生物群落与植物、载体紧密共生,抵御外界干扰能力显著增强。即便遭遇暴雨、高温等极端天气,浮岛系统也能在1-2周内快速恢复净化效能,水生生物多样性逐步回暖,浮游动物、底栖动物种类与数量增多,生态位得以丰富,搭建起相对稳定的水生态系统。探究生态系统稳定性维系的生态阈值:模拟不同强度的外界干扰,诸如连续高强度降雨、短期大幅水温波动等,测定生态浮岛关键生态指标的变化。经研究发现,当暴雨强度在每小时50毫米以内,水温日波动不超过10℃时,浮岛生态系统可凭借自身调节机制维持基本结构与功能稳定,微生物群落多样性虽有起伏但关键功能菌种群数量平稳,植物光合作用受影响短暂且能迅速复原,为生态浮岛工程实践中的风险预警与应对提供量化参照。

六、结论与展望

本研究通过全方位优化生态浮岛技术的性能,在水体富营养化治理方面成效斐然。筛选适配植物组合、改良载体结构、强化微生物协同作用堪称关键优化路径,达成水质净化、植物持续生长与生态系统稳定的多元目标。展望未来,研究可聚焦于智能化监测与调控系统开发,依据实时水质、气象数据自动调控浮岛运行参数;拓展生态浮岛功能,如融合生态渔业、景观营造,提升综合效益;深入挖掘不同生态型水体中浮岛技术的个性化优化方案,推动该技术广泛、高效应用于各类富营养化水域修复,助力水生态文明建设大步前行。

参考文献:

[1]蒋其忠.水生植物治理水体富营养化的研究进展[J].青海环境,2024,34(04): 216-219+227.

[2]刘畅,王红旗.水体典型污染物的水生态风险研究进展[J].济宁医学院学报, 2024,47(06):519-524.