摘要: 为探索微纳米曝气技术对再力花植物浮床脱氮的影响，研究了不同曝气方式〔微纳米曝气组、鼓风曝气组、无曝气浮床(对照组)〕的处理效果．结果表明，与对照组相比，微纳米曝气组对TN 和NH4+ -N 的去除率提高了13.35% 和21.72% ，而鼓风曝气组分别提高了5.64% 和10.61% ． 但微纳米曝气形成的富氧环境不利于NO3－-N 的去除，去除率低于鼓风曝气组和对照组浮床．微纳米曝气对植物的生长有显著改善，试验结束时植物生物量增加了65.38% ，而鼓风曝气组、对照组分别只增加了21.05% 及63.93% ． 植物吸收的TN 也存在显著差异，微纳米曝气组最高，为90.60 mg，鼓风曝气组为54.84 mg，对照组为63.42mg． 微纳米曝气比鼓风曝气具有更好的充氧效果，可显著改变植物根系微环境，有利于植物根系氨化细菌、硝化细菌的生长，但不利于反硝化细菌的生长．
关键词: 微纳米曝气; 植物浮床; 根系微生物; 脱氮
支浜是指河流的较小支流，通常直接承接来自农田、村落的排水．该类水体通常污染较重，具有分布广、流动性差、污染源多样、黑臭问题严重等特点．根据研究组2011年对太湖竺山湾湖滨缓冲带区域内34 条支浜的水质调查，除2 条支浜达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准外，其他全部为劣Ⅴ类水体，主要超标指标是ρ( TN) 、ρ( NH4+-N) ．支浜不仅影响本区域的水环境，对下游水体，尤其是下游湖泊的污染贡献很大．支浜水体的治理已经引起国家及政府部门的重视，并成为我国“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项及省级面源治理项目关注的焦点．在众多原位水体治理技术中，植物浮床技术由于具有除氮效果较明显、提供鸟类及鱼类栖息地、美化景观、消波护岸、遮光抑藻等多重生态效益，被广泛应用于湖泊、河流的生态修复工程中，并取得良好效果．植物浮床去除有机污染物的机理主要是利用生物吸收、降解，包括植物根系直接吸收、根系分泌物的调节以及植物根系附着的微生物降解作用等，这种生物修复方法的优势是安全性高、二次污染少，但不足之处是见效相对慢．微纳米曝气是一种已经成功地应用到黑臭河水的处理中的技术，可在短时间内消除有机污染物、使河水脱臭;对植物的生长也有一定的促进作用． 因此该研究尝试将微纳米曝气与植物浮床联合应用，处理重污染区的支浜水体，同时与普通曝气及无曝气的植物浮床处理进行对比，以期揭示微纳米曝气对植物浮床处理支浜水脱氮效果的影响．
1 材料与方法
1. 1 试验用水
试验用水直接取自江苏省宜兴市周墅桥河支浜，其为污染严重的典型农村支浜，主要水质指标如表1所示．
1. 2 植物浮床
浮床植物的选择原则为适应能力强、根系发达、耐污性好，根据前期预试验的结果，从处理支浜水所在地的6 种常见水生湿生植物( 菖蒲、绿叶美人蕉、鸢尾、再力花、慈姑、紫叶美人蕉) 中，筛选出再力花作为浮床用植物． 再力花( Thalia dealbata) 为竹芋科水竹芋属，多年生挺水草本植物，根系发达，株高可达2 m 左右，适应性强．由于周墅桥河支浜岸边缺乏水生/湿生植物，该试验中所用再力花采集于附近的其他支浜水体岸边． 将再力花带回实验室后，立即用去离子水冲洗植物表面以及植物根系附着泥土，并用再力花采集处的支浜水〔ρ( TN) 为2. 31 mg/L，ρ( TP) 为0. 28 mg/L〕预培养3 周后，随机采取6 株再力花测定相同位置的叶片，其w( TN) 、w( TP) 均无显著性差异( P ＞ 0. 05 ) ，因此可以用于不同植物浮床比较试验中．选取大小一致的再力花，构建如图1 所示的植物浮床，每个植物浮床上栽培6 株，采用泡沫板( 60 cm×40 cm×5 cm) 作浮床载体，相邻植株间距长15cm、宽14cm．
1. 3 试验方法
共设对照( 无曝气) 组、鼓风曝气组、微纳米曝气组3 个试验组，每组设3 个平行样． 试验池容积均为280L( 80cm×50cm×70cm) ，有效容积为250 L．普通鼓风曝气采用实验室用常规小型鼓风曝气机; 微纳米曝气采用北京本洲纳米科技有限公司生产的微纳米曝气机，它利用曝气机内高速旋转产生的剪切力切割进入装置内的气液混合物，曝气瞬间可产生5～30μm 的微米气泡和少量的纳米气泡，增强气－液传质，快速提高水体ρ( DO) ． 2 种曝气设备的曝气速率均控制在0. 2 L/min．由于原水ρ( DO) 约为4mg/L，根据预试验研究，每天曝气4hρ( DO) 就可以提升至6～8 mg/L以上，能满足微生物降解以及氧化臭味物质的需要． 因此从节约能源的角度将曝气时间设定为每天08: 00—10: 00 和14: 00—16: 00 的间歇曝气方式． 选择再力花生长旺盛的春夏交接季节开展试验，试验周期为2011年5月22日—6月15日，共计24 d，实验室温度为25～30 ℃．
1. 4 测定项目及方法
水质指标每2 d 测定一次． pH 和Eh采用pH-Eh计( 梅特勒－ S20K) 测定; ρ( DO) 采用便携式溶氧仪( 哈希，HQ30d53) 测定; ρ( NH4+-N) 采用纳氏分光光度法测定; ρ( NO3－-N) 采用紫外分光光度法测定;ρ( TN) 采用碱性过硫酸钾－紫外分光光度法测定．
植物体w( TN) 在试验开始和结束时各测一次．分别收集3 棵( 整棵) 植物样品，用纯水洗净并吸干水分，在60 ～ 70 ℃下烘干至恒质量，用植物粉碎机粉碎，并全部过0. 25 ～ 0. 50 mm 筛，混匀分装． 称取一定量干样采用H2SO4 -H2O2消化法制成溶液，采用过硫酸钾氧化吸收光度法测定．植物根系微生物数量每4 d 测定一次: 分别从3个浮床组中随机采集2g左右的根系，吸干水分剪碎，四分法称取1 g，进行微生物提取，使用最大或然数( most probable number，MPN) 法测定每mL 水样中氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌最大可能菌数． 由于不同菌群数量呈数量级变化，为了便于分析，将细菌总数取以10为底的对数．
1. 5 数据统计及分析
对试验中所有测定指标进行单因素方差分析( one-way ANOVA) ，以判断不同曝气方式的处理结果是否有显著性差异． 所有统计分析使用的软件为SPSS 18. 0．
2 结果与讨论
2. 1 不同曝气方式对植物浮床ρ( DO) 、pH、Eh的影响
植物浮床系统中ρ( DO) 的变化受两方面的影响比较大: ①耗氧作用，主要是好氧微生物的生物降解作用( 包括硝化反应) ; ②充氧作用，主要是曝气充氧或根系泌氧和大气复氧作用．浮床体系中ρ( DO) 综合反映了这两方面相互作用的平衡结果．试验过程中，3组浮床ρ( DO) 均随着时间逐渐上升，到试验结束提高了2. 1～4. 5 mg/L，不同的曝气方式增氧效果存在差异．如图2所示，对照组浮床ρ( DO) 主要来源于根系泌氧和大气复氧作用，系统增氧效果低于微纳米曝气和鼓风曝气，在试验进行到第10 天时ρ( DO)才达到6 mg/L，之后逐渐稳定在6～7 mg/L．比较而言，微纳米曝气组ρ( DO) 提高很快，并长时间维持最高的ρ( DO) ，虽然有些测定值与鼓风曝气组的没有显著性差异( P ＞ 0. 05) ．同时，试验中可以观察到微纳米气泡体积小、对水体的搅动很弱; 而鼓风曝气产生的气泡体积大、停留时间短、曝气搅动强度较大．研究指出，微纳米曝气的高效增氧能力主要是因为其气泡的比表面积大，能有效提高气泡在水中停留时间，强化气－液传质过程．
由图3 可见，在试验开始2 d 时3个试验组pH均有明显下降，下降最多的是微纳米曝气组，其次是对照组，鼓风曝气组下降得最少．2 d 后鼓风曝气组、微纳米曝气组pH 都呈上升的趋势，鼓风曝气组上升最为明显，最高达到7. 85; 微纳米曝气组pH 从第2天的7.26 升至第8天的7.45 后逐步下降，最后达到7. 09．对照组pH 一直处于连续下降的状态，由初始的7.67 降至第24天的6.99。 3 组浮床pH 基本在7～8之间波动，这与再力花生长适宜的微碱性环境还是相符合的，说明试验阶段pH 的变化没有对浮床植物产生不利影响． 影响植物浮床系统中pH 变化的因素有硝化过程产生H + 使pH 下降、植物根系分泌的有机酸使pH 下降、曝气作用吹脱水体中CO2使pH上升等．鼓风曝气由于对水体产生的搅动比较大，水体中CO2被吹脱的也就越明显，从而导致第2天后pH 波动性上升; 由于没有曝气作用对照组CO2减少的量较低，从而导致其pH 持续下降; 而微纳米曝气组既有曝气作用，搅动力度比较柔和，因此pH大多保持在其他两组之间．
曝气、大气复氧、根系泌氧、硝化都可以使Eh升高，而另一方面，反硝化等厌氧呼吸过程则会使Eh降低．如图4 所示，对照组Eh呈持续上升状态，与其ρ( DO) 变化趋势类似; 鼓风曝气组Eh由初始的－35 mV升至第2 天的－20 mV，之后又呈波动性下降，在－45 ～－32 mV 之间变动; 微纳米曝气组的Eh先显著上升，在第2 天时就达到－10 mV，之后又逐渐下降，至第8 天达到－25 mV，而后又逐渐上升，但始终低于对照组．研究表明，较高的ρ( DO) 有利于促进好氧菌对有机物的降解，降解产物为厌氧菌提供更多可快速利用的营养物质，从而促进厌氧菌的活动，产生更多的还原性物质．该研究结果也表现出这种氧环境与最终氧化还原物质之间的复杂关系．
2. 2 植物浮床对NH4+-N、NO3－-N、TN 的去除效果
3 组植物浮床对NH4+-N、NO3－-N、TN 的去除效果见图5～7．由图5可知，3 组浮床对NH4+ -N 都有明显的去除效果，并且微纳米曝气组要好于鼓风曝气组( 最终去除率分别为63.25%、55 54% ) ，对照组的去除效果相对最差( 最终去除率为49.90% ) ．而3组浮床对NO3－-N 的去除率呈先增后减的趋势( 见图6) ，微纳米曝气组水体中ρ( NO3－-N) 在第10天达到最低，为0.40mg/L ( 去除率81. 38% ) ，之后开始上升; 至试验结束时NO3－-N 去除率仅为43.30% ，低于对照组( 66.64% ) 和鼓风曝气组( 61.29% ) ．TN 的去除趋势几乎是NH4+-N 和NO3－-N 的叠加( 见图7) ，前14 天ρ( TN) 下降趋势极为明显，之后略趋平缓甚至有所回升．TN 去除率为微纳米曝气组( 70. 31% ) ＞ 鼓风曝气组( 61. 14% ) ＞ 对照组( 57.69% ) ．
植物浮床对NH4+ -N 的去除机理主要是根系微生物的硝化作用、根系的吸收作用、气液交换作用，但最主要的还是硝化细菌的硝化作用．硝化细菌大多数为专性化能自养型，硝化过程需要消耗氧气，因此与水体中的ρ( DO) 密切相关． 统计分析表明，试验中3 组浮床的ρ( DO) 与ρ(NH4+-N) 呈显著负相关( P≤0. 01) ． NO3－-N 的去除主要是反硝化作用、植物根系吸收作用．反硝化作用是反硝化细菌在利用硝酸根而不是氧分子作为电子受体来获取能量，过高的ρ( DO) 不利于反硝化的进行． 因此，在植物浮床系统中的DO 积累到一定程度后，会抑制反硝化过程，从而影响NO3－-N的去除，并且ρ( DO) 越高，抑制作用越强烈． 所以在图6 中出现了试验开始12d后ρ(NO3－-N) 逐步增加的现象，并且微纳米曝气组增加得最多，对照组增加得最少． TN 的去除与水体中NH4+-N ( P≤0.01) 、NO3－-N ( P≤0.05) 的去除效果之间显著相关．
2. 3 不同曝气方式对植物生长状况的影响
由表2 可知，微纳米曝气可显著提高再力花生物量． 与试验开始相比，试验结束时微纳米曝气组、鼓风曝气组、对照组生物量分别增加了65.38%、21.05%、63.93% ，植物根数分别增加100.85%、55.93%、23.73% ，但是曝气组植物的根、茎、叶长度均比对照组浮床植物短，其中微纳米曝气组最明显，并且微纳米曝气组和鼓风曝气组根系短小粗壮，对照组根系则较细长．微纳米气泡可促进植物、农作物的生长已有报道，其机理尚未完全明确，现阶段普遍认为提高营养物质的吸收效率是主要因素．
2. 4 不同曝气方式对植物脱氮效果的影响
由表3 可知，微纳米曝气组植株对氮吸收效果最好． 由于鼓风曝气本身的缺陷就是对水体的搅动比较大，在试验中也观测到鼓风曝气组的植物根系生长没有其他两组健康，主要表现在植物根系较短、较细，根系生物膜裹覆面积小，从而导致了对氮的吸收较差．卢晓明等的研究同样证实了这一结果，水生植物吸收污染物的主要器官是根，根系生长状况直接影响植物对营养物的吸收; 而微纳米曝气技术有利于植物根系的生长发育．因此微纳米曝气浮床中再力花氮吸收效果要好于鼓风曝气组．根据对照组、鼓风曝气组、微纳米曝气组的植物脱氮贡献率，可以用差值法估算出3 种植物浮床中微生物脱氮的贡献率，对照组、鼓风曝气组、微纳米曝气组的微生物反硝化脱氮贡献率分别为91.82%、93.66%、90.78% ，均在90%以上．由此可见，植物吸收脱氮的作用小于10% ，微生物脱氮是该浮床体系的主要脱氮途径．
2. 5 不同曝气方式对氨化细菌、硝化细菌、反硝化细
菌的影响氨化细菌的作用是将水体中的有机氮化物分解为NH4+-N，通常是有机污染物脱氮的第一个步骤．由图8可见，3组浮床根系氨化细菌生长数量在第4天达到最大，比初始值提高了2～3 个数量级; 之后又有不同程度的下降，鼓风曝气组在第16天降至4. 5．氨化细菌的数量波动反映了可降解的有机氮浓度高低，在试验初期有机氮源充足，随着氨化反应进行，大部分被转化为NH4+-N，从而影响氨化细菌的增殖，导致其数量大幅下降．
硝化细菌是一群将NH4+-N在好氧的情况下转化为NO2－-N、NO3--N 的微生物，其数量的高低受ρ(NH4+-N) 、ρ( DO) 、Eh的影响比较大．如图9 所示，各试验组硝化细菌数量整体变幅不大，基本在1个数量级之内． 微纳米曝气组在第12天到达最高，之后又有所减少; 鼓风曝气组在第8天达到最高，一直小范围波动至第20天，之后下降; 对照组在第12天到达最高值，之后出现较缓慢下降．尽管硝化细菌的数量呈波动性变化，但基本趋势是还是比较明显，即先增高后趋于稳定或波动性下降．与图3比较发现，硝化反应最快的时期( 前2 天) 也正是3 组浮床中pH下降最明显的一段，表明硝化过程产生的H+是pH下降的原因之一．
反硝化细菌的功能是利用硝酸根代替氧分子作为呼吸的电子受体，将NO3－ -N 转化为氧化亚氮或氮气，释放到大气，正是由于反硝化细菌的存在才能实现彻底的脱氮．图10为3 组植物浮床反硝化细菌数量随时间的变化情况，试验开始至第4天各组的反硝化细菌数量均有上升，说明植物浮床有利于提高反硝化细菌数量． 第4天后，对照组呈波动性上升趋势，而鼓风曝气和微纳米曝气组都呈下降趋势，反映了曝气对反硝化菌数量的影响还是很明显的，尤其是微纳米曝气对ρ(DO) 的显著提升(见图2) ，导致其对反硝化菌的抑制性较强．这与前人对于反硝化菌的研究结果也是一致的，即反硝化细菌的数量受ρ( NO3－-N) 、Eh的影响较大，而且过高的ρ( DO) 会抑制反硝化菌的生长．
3 结论
a) 微纳米曝气技术可有效提高植物浮床对NH4+-N 和TN 的去除效果．NH4+-N去除率微纳米曝气组( 63.25%) ＞鼓风曝气组( 55.54%) ＞ 对照组( 49.90% ) ; TN 去除率微纳米曝气组(70.31%) ＞ 鼓风曝气组(61.14%) ＞ 对照组( 57.69%) ．但曝气形成的富氧环境不利于反硝化作用的进行，以致2 个曝气组对NO3－-N的去除效果低于对照组．
b) 微纳米曝气技术能有效改善植物浮床系统的水体环境，提高水体ρ( DO) 和Eh，为氮循环微生物提供好氧生境条件，有利于植物根系氨化细菌、硝化细菌的生长，但其富氧环境不利于反硝化细菌的生长．
c) 微纳米曝气技术能有效提高植物生物量和植物对氮的吸收．微纳米曝气浮床植物生物增加了65.38%，植物体含氮量和吸收贡献率均高于鼓风曝气组和对照组．但是，植物吸收脱氮的贡献小于10% ，微生物脱氮是该浮床体系的主要脱氮途径． 对照组、鼓风曝气组、微纳米曝气组的微生物脱氮贡献率分别为91.82%、93.66%、90.78% ，均在90%以上．
来源：《环境科学研究》