不同生态浮床对水体氮磷的净化效果及机理探讨

摘要  ［目的］研究不同生态浮床对水体氮磷的净化效果及机理。［方法］通过构建空心菜-生物膜组合生态浮床，与对照组和空心菜浮床组比较对富营养化水体氮磷的去除效果，分析不同生态浮床的植物根系微生物的生物量、氮磷吸收量及去除贡献率，探讨生态浮床的氮磷去除机制。［结果］与空心菜浮床相比，组合生态浮床对氮磷污染物的去除效果更好，TN、TP、NH4+-N、NO3--N平均去除率分别为71.35%、70.05%、83.17%、85.83%，较空心菜浮床提高了13.92%～21.08%；在氮磷去除过程中植物根系充当“载体”，富集大量的微生物，形成根系生物膜，而组合生态浮床根系生物膜的微生物生物量显著大于空心菜浮床（P<0.05），表明载体生物膜对植物根系微生物的富集和生长有显著促进作用；空心菜浮床和组合生态浮床中植物对氮磷的吸收量均有限，氮去除贡献率分别为25.56%、20.24%，磷去除贡献率分别为5.99%、4.18%，表明植物吸收作用不是浮床系统氮磷去除的主体。［结论］生态浮床对水体氮磷的去除主要依靠微生物转化作用，组合生态浮床的微生物生物量较大，可有效提高水质净化效果和系统稳定性。

关键词  生态浮床；生物膜；水体氮磷；净化效果；去除机制

中图分类号  X52  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）13-0045-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Exploration on the Purification Effect and Mechanism of Nitrogen and Phosphorus in Water by Different Ecological Floating Beds

CHENG Yu，CHEN Yong-cheng， YU Peng et al

（ Jiangsu Coastal Area Institute of Agricultural Sciences， Yancheng，Jiangsu 224002）

Abstract  ［Objective］To study the purification effect and mechanism of different ecological floating beds on nitrogen and phosphorus in water.［Method］A combined ecological floating bed（CEFB） was constructed by hanging packing biofilm under the roots of water spinach. By comparing the purification efficiency of the eutrophic wastewater by the CEFB with the water spinach floating-bed and the blank control group， and analysing the difference of the counts of bacteria in plant root， the removal contribution of plant absorption， the nitrogen and phosphorus removal mechanisms of CEFB were explored. ［Result］Compared with water spinach floating-bed，the removal efficiency of the CEFB on TN，TP， NH4+-N， NO3--N were 71.35%， 70.05%，83.17%， 85.83%， respectively. The removal rate of nitrogen and phosphorus were increased from 13.92% to 21.08%.The microbes in wastewater quietly multiply on the surface of plant roots and formed a biofilm in nitrogen and phosphorus removal. The microbial biomass on plant roots in group of CEFB was significantly larger than that of water spinach floating-bed（P<0.05）， which indicated that packing biofilms of CEFB could promote microorganism growth and improve the microbial amounts on plant roots.In the CEFB system， the removal contribution of plant absorption on nitrogen and phosphorus was 25.56% and 5.99%， respectively， which in water spinach floating-bed was 20.24% and 4.18%， suggestting that plant absorption was not the main function of nitrogen and phosphorus removal. ［Conclusion］Microbial conversion may be the main mechanism in reduction of nitrogen and phosphorus， and the large microbial biomass of CEFB could enhance purification efficiency and system stability.

Key words  Ecological floating bed;Biofilm;Nitrogen and phosphorus in water bodies;Purification effect;Removal mechanism

基金项目  中国盐城渔业高质量发展研究课题（YCSCYJ2021029）；2019年度江苏沿海地区农业科学研究所科研基金项目（YHS2019-06）；江苏省自然科学基金项目（BK20191215）。

作者简介  成钰（1991—），女，江苏盐城人，助理研究员，硕士，从事水域生态修复研究。

*通信作者，副研究员，博士，从事生态健康养殖研究。

收稿日期  2023-09-04；修回日期  2023-10-08

水体富营养化是全球性的环境污染问题，氮、磷营养物质过剩是水体富营养化的主要原因和物质基础［1-2］。2022年我国对204个重点湖泊（水库）开展的营养状态调查报告显示［3］，轻度富营养状态湖泊（水库）占24.0%，比2021年上升1.0%，中度富营养状态湖泊（水库）占5.9%，比2021年上升1.6%，可见我国水体富营养化形势比较严峻。水体富营养化不仅会导致浮游生物大量繁殖，引起水体缺氧、蓝藻水华、水质恶化等，还会造成鱼类及其他生物大量死亡，严重威胁了生物多样性和生态系统稳定性［4］。因此，研究如何降低氮、磷营养盐浓度在水体富营养化生态修复中极为重要。

生态浮床是一项新型高效环保的水体原位生态修复技术，利用水培的方式，将水生植物固定在浮床上，通过植物吸收、根系吸附及附着微生物代谢作用有效去除氮磷污染物，从而达到水质净化的效果。相比其他修复技术，生态浮床具备成本较低、原位修复、运行简便等优点，已被广泛应用于富营养化水体治理中［5-6］。近年来，为提高生态浮床的净水效能，广大学者通过在浮床系统中添加水生动物、藻类、微生物、吸附填料等手段对传统生态浮床进行了改良和研究，形成了各种类型的组合型生态浮床，然而这类研究多集中于植物组合［7］、填料或基质筛选［8］、生物质碳源［9］、固定化微生物菌种［10］、生物膜覆盖面积［11］等对组合型生态浮床的净水效能评价，缺少对其净水机理方面的探究。

该试验以模拟的富营养化水体为研究对象，构建了空心菜浮床和空心菜-生物膜组合生态浮床，通过对比分析传统生态浮床和组合型生态浮床的净水效果、植物氮磷吸收量及根系微生物的生物量，探讨传统生物浮床和组合生态浮床的脱氮除磷机制，为后期开发更高效且稳定的组合型生态浮床系统提供参考依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

1.1.1  试验水体。在自来水中添加尿素、葡萄糖、（NH4）2SO4、KH2PO4、KNO3、MgSO4·7H2O等化学试剂，配制人工模拟污水（C/N为5）［12］，盛于白色塑料水箱中（直径31 cm，高33 cm），实际水体为12 L。人工模拟污水的主要水质指标为总氮（TN）33.78 mg/L、总磷（TP）4.63 mg/L、氨氮（NH4+-N）26.17 mg/L、硝酸盐氮（NO3--N）11.86 mg/L、溶解氧（DO）5.10 mg/L、pH 7.33。

1.1.2  试验植物。以喜湿、耐高温、适应性强的空心菜（Ipomoea aquatica）为浮床植物，购自某市场，在自来水中加入霍格兰营养液培养7 d，待根部生出须根、茎叶直立、生长状态较好时移入试验水体适应性培养7 d。选取生长良好、根系发达、个体均匀的植株（图1）作为试验植物，利用聚乙烯泡沫浮板和定植绵将植株固定在水体中，使其根系充分接触水体。

1.1.3  生物膜。以多面空心球（直径38 mm）为生物载体，清水浸泡2 d后，每8个空心球连成一串为1组生物膜，悬挂于盛有35 L试验水体的塑料水箱（48 cm×35 cm×30 cm）中，投入复合菌制剂（0.6 g/L），曝气，进行预挂膜［10］。待生物载体表面形成一层黄棕色的生物膜（图2）用于正式试验。

1.2  试验设计

试验分为对照组、空心菜浮床和空心菜-生物膜组合生态浮床，每组3个重复，进行为期7 d的室内静水试验。空心菜浮床和组合生态浮床分别放入植株大小质量相同的空心菜，每个水箱植株生物量为（72.80±0.43）g，组合生态浮床放入预先挂膜成功的生物载体，对照组不放置浮床和生物载体。试验期间采用微曝气控制溶解氧在4.0～6.0 mg/L，水温26～28 ℃，pH 7.3～7.8，不换水，适量添加蒸馏水补充蒸发的水量。试验结束时，称量各组空心菜的鲜重，计算增重率，并测定植物体内氮磷含量，将生物载体和植物根系表面的生物膜洗脱后过滤、烘干、称重。试验期每天取水样测定TN、TP、NH4+-N、NO3--N浓度。

1.3  指标测定

1.3.1

水质指标测定。TN浓度采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP浓度采用钼锑抗比色法测定，NH4+-N浓度采用靛酚蓝比色法测定，NO3--N浓度采用铬变酸法测定。

1.3.2

植物氮磷测定。植株冲洗干净后，105 ℃杀青30 min，在70 ℃烘箱中烘干至恒重，用研磨机粉碎、过筛后备用。植物氮含量采用凯氏定氮仪测定，磷含量采用锑抗吸光光度法测定。

1.3.3

微生物的生物量测定（干重）。将植株根部和载体上的微生物分别用0.85%生理盐水冲洗，0.22 μm过滤，将滤膜105 ℃烘干至恒重，采用重量法计算［13-14］。

1.3.4

增长率和去除率的计算。各浮床植物增长率、污染物去除率计算公式如下：