人工水草技術在污染河道治理中的應用進展

滕慶曉 王涌濤 龐燕 黃天寅 項頌

摘要 近年來，河道污染問題日益嚴重，各種水質凈化技術越來越引起人們的關注。水質原位凈化技術憑借其經濟、高效等優勢應用日趨廣泛。首先對河道原位修復技術在國內外的研究應用進行了概要介紹，隨后對人工水草技術進行了詳盡的闡述，最后指出了人工水草技術在研究與應用上存在的問題并進行了展望，以期為相關領域的人員提供參考。

關鍵詞 污染河道;原位修復;人工水草

中圖分類號 S181.3 ?文獻標識碼

A ?文章編號 0517-6611（2015）03-269-04

Application Progress on Polluted River Treatment by the Technology of Artificial Plants

TENG Qingxiao¹，2， WANG Yongtao¹， PANG Yan²et al ?（1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215009; 2. Research Center of Lake Ecoenvironment， Chinese Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012）

Abstract ?In recent years， city river pollution problem is increasingly serious. Various water purifying technologies have attracted more and more attentions. Insitu water purifying technology virtues by its advantages， efficient， sustainable economy and others. This paper systematically introduces the research and application progress of river remediation technology at home and abroad， then the artificial plant technology is discussed in details， finally pointed out the existence of artificial plant technology in research and application problems， so as to provide some references for the studies within the relevant field.

Key words ?Polluted river; Insitu remediation; Artificial plant

基金項目 國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07105003）。

作者簡介 滕慶曉（1988- ），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：水污染控制。

收稿日期 20141209

自古以來，人類的生存就離不開水，而我國是世界上水資源最貧乏的國家之一。《2012年中國水資源報告》指出，全國16個省市水資源量低于嚴重缺水線^[1]，其中，山東、山西、河南、河北、寧夏、江蘇嚴重缺水，而這些省市大多處于京津唐、滬寧杭等經濟發達地區。因此，水資源嚴重缺乏的問題已經嚴重影響了我國經濟發展。

近年來，國家大力發展城市現代化建設，工業發展水平不斷加快，造成了城市河道低溶解氧、低透明度、高氮磷污染的現狀，導致水生植物無法生長、河道“荒漠化”的惡果。故以改善河道水環境質量、恢復水生態原狀、提高水體自凈能力為目的的河道原位修復技術越來越得到重視。

1 污染河道原位修復技術進展

河道原位修復技術是在原有河道基礎上，在河道中加入一定載體，利用載體及上面的生物群落對污水中的污染物起到凈化作用^[2]。原位修復技術可以分為物理技術、化學技術和生物技術。相較于物理技術和化學技術，生物技術具有自然高效、簡單靈活等優勢，日益受到國內外青睞。

1.1 物理技術

物理技術主要通過打撈、疏浚等方法處理水體內的大型藻類、枯枝落葉、底泥等可見污染物;或通過曝氣增加水體內溶解氧濃度，為水生微生物好氧分解有機污染物提供條件，幫助河流生態系統恢復正常。它具有技術含量低、成本低、見效快等優點。

早在20多年前，國內外就對物理技術進行了探索。浙江省在“十五”期間對全省1.11萬km河道進行了疏浚，總工程量近5億m^3[3]，有效解決了浙江省內河道排澇不暢、水體黑臭、水環境狀況差的問題;在河道曝氣方面，上海蘇州河支流新涇港^[4]經過純氧曝氣后，新涇港黑臭河水得到改善，DO顯著升高;在廣東朝陽進行了水車式增氧機、葉輪式曝氣機、射流式曝氣機在復氧方面的對比試驗，試驗發現，在功率相同的情況下，水車式增氧機在恢復河道環境、去除污水污染等方面均優于其他兩種機型^[5];同期，美國在Chesapeake海灣的Hamewood運河也完成了實地研究，他們在河口安裝曝氣設備為水體充氧，使得河道內水質明顯凈化，生物量大量增加^[6]。在上海張家浜河道，人們則通過曝氣復氧船的方式對黑臭河流進行水質恢復，取得顯著效果，且無二次污染^[7]。但物理處理技術只是一種應急措施，很難從根本上解決水質污染問題。

1.2 化學處理技術

化學處理技術是指通過添加化學試劑，析出水體中的有機污染物、改變水體中氧化還原電位、或者將水體中的懸浮物絮凝沉淀，使水體中污染物得以去除。該技術對氮磷和藻類的去除都有相對應的方法，如利用鐵鹽和石灰去除氮磷;利用除藻劑去除藻類等。王曙光等對深圳4條污染河水進行處理，處理后的河水水質達到國家地表水Ⅱ類標準^[8]。在日本，Sekine等將一種新型有機聚合凝結劑應用于Imou河水利工程，也取得了明顯凈化效果^[9]。由于化學處理技術能迅速凈化污水，故在許多緊急事故處理中不可缺少。但化學處理技術容易造成二次污染，甚至會破壞原有生態系統，導致生態退化。

1.3 生物處理技術

生物處理技術是指通過利用水生動植物、微生物的正常生命活動，吸附、吸收、轉化水體中的污染物，從而達到水體水質凈化、生態恢復的目的。更重要的是，它以恢復水體自凈能力為目標，遵循自然生態規律，實現了水資源的循環再生，體現了人與自然的和諧發展。

1.3.1 水生植物治理技術。

水生植物治理技術主要通過在污染水體中種植適宜的水生植物，吸收、富集、轉化水體中的污染物，同時又可以為水生動物和微生物提供氧氣、食物和棲息環境，進而建立完善的生物網，達到水生態恢復的目的。水生植物處理技術在國內外早已廣泛應用。王超等通過試驗分析，證明了挺水植物在氨氮的去除上效果極佳，對改善河道及河岸水體生境幫助極大^[10]。王慶海等則對水生植物在農村生活污水凈化中的作用進行了研究，發現植物主要靠莖葉完成對氮磷的吸收，且蘆竹的凈化效果最佳^[11]。種云霄等研究表明，通過大型水生植物進行污水深度處理，可以回收、固定能源，又不會產生毒副產物，是一種“綠色”處理技術^[12]。

1.3.2 生物接觸氧化技術。

生物接觸氧化技術是根據水體自身掛膜現象發展起來的一種以提高水體自凈能力為目的的新技術。它利用人工材料，為水生藻類、微生物提供良好的生長環境，進而形成菌膠團，再利用菌膠團吸附、吸收、分解污染水體中的富營養化物質，起到污水凈化作用。它根據其內設填料不同分為自然材料（主要為礫石、卵石等）接觸氧化技術或人工合成接觸材料接觸氧化技術。自然材料接觸氧化技術主要為礫石生物接觸氧化法，它是根據河道中原有礫石能起到自凈效果原理設計的，在河道內填充礫石，通過附著在礫石上的生物膜降解消耗水體中的微生物，從而達到改善水體水質的目的。早在1999年，日本赤井一昭等利用接觸氧化透水堤對河水進行凈化，解決了水體黑臭現象^[13];2001年陳輔利等通過模擬試驗裝置對溝渠處理污水進行了研究，COD去除率可達到80%以上^[14]。該技術廣泛應用于中小型河流的污染治理，取得了良好的社會、環境和人文效益。人工合成接觸材料接觸氧化技術則多采用人工合成的柔性材料作為填料吸附水體中的微生物。深圳市在對新州河的治理中，設置了200 m、污水停留時間6.5 h的柔性生物飄帶反應區，發現水質凈化效果明顯，COD、BOD去除率都在90%以上。

2 人工水草技術的研究和應用進展

人工水草技術是一種新型人工合成接觸材料接觸氧化技術。它利用耐污染、有一定彈性的人工材料，仿照水生植物設計成具有較大比表面積的新型仿生載體，通過微生物系統自身的演替，在載體表面形成從菌類、藻類到原生動物、后生動物的立體微生物生態系統，通過微生物的物種多樣性，實現治理系統的高效性和穩定性。由于其表面有大量的微生物物種和完善的食物網，使得其微生物群落對有機污染物的代謝效率遠高于其他技術。同時，其上獨有的“藻菌共生”體和微A/O結構使脫氮除磷的效果更為明顯。

2.1 人工水草材料的研究進展

人工水草污水凈化過程就是附著于人工水草材料上的微生物通過自身生長繁殖，消耗水體中污染物的過程。人工水草材料的特性對生物膜上微生物的種類數量、氧的利用效率和水力分布條件等有著重要作用，人工水草材料的選擇對人工水草技術能否成功運行起關鍵作用。

人工水草填料的研究起源于20世紀70年代，最早是玻璃鋼或塑料等制成的蜂窩狀硬性填料。它由日本小島貞男發明，并應用于污水處理領域。蜂窩狀硬性填料具有耗材少、空隙率大、價格便宜等優點。但隨著長時間的使用，蜂窩狀硬性填料比表面積小、生物膜量小、硬質材料易堵塞等弊端暴露出來，人們的研究目光開始轉向軟性材料。

80年代后，由多種纖維制作而成的繩狀人工水草開始得到應用。它表面積巨大，微生物濃度可以達到15 000 mg/L，且軟性填料可隨水的流動而流動、不易堵塞，很好地解決了蜂窩狀硬性填料的問題，在國內外得到了大量應用。但軟性材料在長時間使用后易糾纏成束，減小了材料的表面積，影響凈化效果。針對軟性材料易糾纏成束，硬性材料比表面積小的問題，北京紡織科學研究院研發出了半軟性的組合填料，先把化學性質穩定的剛性有機塑料單片穿在連接繩上，再把軟性材料縫制在塑料單片上。半軟性材料具有比表面積大、孔隙率高、耐腐蝕、不易阻塞、便于安裝等優點。至此，人工水草技術基本成熟，但由于材料比較簡單，人工水草技術存在凈化效率不高，只適宜處理較低濃度污染水等問題。

1995年阿科蔓（AquaMats）生態基被推廣應用于水環境治理和生態修復領域，并于2001年引入國內。阿科蔓生態基是一種專門用于水質凈化的新型高科技人工水草材料。它由纖維編制，經特殊工藝處理，使纖維表面形成許多凹凸不平的褶皺和微孔，增加了微生物的附著面積。阿科曼生態基除在微污染水體修復方面表現出色外，更廣泛應用于城鎮污水綜合治理、農村面源污染綜合治理、水產養殖等領域^[15]。

20世紀末碳素纖維偶然被日本小島昭教授發現，并就它對水體的凈化進行了研究。隨后進行表面改性，使之成為了適合人工水草技術的碳素纖維生態草。和一般的粗粒活性炭相比，碳素纖維生態草具有更發達的表面微孔結構，因此碳素纖維生態草具有更高的吸附量和吸附速率，已經被應用于水體中有毒有害污染物質的吸附去除^[16]。它有極強的物理吸附能力和生物親和性，其發達的孔隙結構可以吸引魚蝦產卵，進而形成完整的生物網，徹底改善水體。

在國內，近年來人們對人工水草材料進行了大量研究和改進。孟志國等將比表面積大、吸水能力強、價格低的無紡布用于人工水草，通過15 d的對照試驗，證明其對COD與TOC、BOD平均去除率都在95%以上^[17]。中科院水生所吳永紅等采用多環串連人工水草，進一步擴大了人工水草材料的比表面積^[18]。周熙城則給人工水草上加設強筋，使之不易纏繞和倒伏，提升凈化效率^[19]。韓生健采用竹竿和尼龍繩構成支撐框架，底端固定有使其在水中保持豎直狀態的配重物，取得了同樣的效果^[20]。

43卷3期 ? ? ? ? ? ? ? ?滕慶曉等 人工水草技術在污染河道治理中的應用進展

2.2 人工水草掛膜研究進程 人工水草掛膜是指人工水草通過表面吸附作用，使具有去污能力的微生物穩定生長在人工水草表面的過程。掛膜的好壞是人工水草處理水體是否穩定的標志。

2.2.1 人工水草掛膜方式。

人工水草掛膜的方式主要有人工接種掛膜和自然掛膜。20世紀90年代初，人們多用密閉循環法人工接種掛膜，即先把活性污泥與污水混合，通過泵將之打入反應器中，經48 ?h密閉循環使掛膜成熟。由于密閉循環法需接種污泥數量較多，操作較為復雜等原因，逐漸被“快速排泥掛膜法”取代?？焖倥拍鄴炷しㄏ葘⒒钚晕勰嗪臀鬯尤敕磻髦?，靜置6～8 h后將其全部排出。接著加入待處理的污水，3～4 d可完成掛膜過程。俞漢青等研究證明采用快速排泥掛膜法有掛膜微生物生長速度快，附著能力強等優點。

2003年員軍鋒等提出采用曝氣生物濾池反應器掛膜的方法，該方法先將活性污泥和營養物質加入反應器中悶曝24 h，然后將反應器中所有水體排空，再加入活性污泥和營養物質再次悶曝72 h。經4 d悶曝，生物膜生長成熟^[21]。生成的生物膜由于在悶曝期間受到沖擊較大，故耐沖擊能力優于其他方法。

對于微污染水體的凈化，人們更常用自然掛膜的方法。自然掛膜雖速度較慢，不易形成，但形成后的生物膜符合“自然優選”法則，更易對相應水體進行凈化。張東等試驗表明，采用自然掛膜方法對彈性人工水草進行掛膜是完全可行的^[22]。

2.2.2 影響生物膜形成因素的研究進程。

人工水草技術主要通過生物膜上的微生物對水體進行凈化，故生物膜形成的好壞是人工水草技術能否高效運行的關鍵。生物膜的生長除與人工水草材料類型相關外，也與溫度、pH、溶解氧、水源水質等外界因素有關。

2.2.2.1 溫度。

溫度通過影響微生物的生長影響掛膜。人工水草上的微生物多為中溫生長生物，其適宜的溫度范圍為20～30 ?℃。若溫度高于35 ℃，對微生物的酶系具有破壞作用;若溫度低于10 ℃，微生物的生長及凈化作用顯著減慢。周浩輝等采用生物陶粒濾池在三家店水庫進行試驗，發現當水溫在20～25 ℃時，氨氮的去除率為90%～99%;水溫5～10 ?℃時，氨氮的去除率為80%～90%;水溫低于5 ?℃時，去除率在65%～80%之間^[23]。陳洪斌等的試驗也證明，在溫度低于20 ℃時，溫度對氨氮的去除影響較大^[24]。張東等利用生物接觸氧化法對微污染水進行掛膜研究。結果表明，掛膜過程受水溫影響很大，水溫較低時掛膜比較困難，水溫15 ℃以上掛膜相對容易。其他條件相同時，掛膜成熟時間隨水溫的升高而縮短^[25]。綜合文獻可知，當水溫高于25 ℃時，微污染原水彈性填料掛膜時間一般為1～3周;當水溫為15～20 ℃時，則一般需4周左右。

2.2.2.2 pH。pH主要通過影響微生物體內酶的活性影響微生物的生命活動。不適宜的pH會導致酶的活性降低甚至失活，進而影響微生物的生命。Garrido等在試驗中證明，試驗進、出水pH的變化可以反映人工水草掛膜程度的好壞^[26]。水的pH與硝化細菌的生長繁殖密切相關，硝化細菌在進行硝化反應時會產生氫離子，當水體成堿性時，可將之中和;但當水體呈酸性時，就會影響硝化細菌的正常生命活動，影響硝化細菌的生長。

2.2.2.3 溶解氧。

溶解氧是影響微生物生長的關鍵因素。在好氧環境下，污水中的氨氮通過硝化細菌的硝化作用轉化為硝態氮。隨后在生物膜內部的厭氧層進行反硝化，把硝態氮轉化為氮氣，從而達到脫氮的目的。在實際操作中，人們大多采用曝氣方法增加水體中的溶解氧濃度，但曝氣量過大會對生物膜產生強烈沖刷，造成生物膜不易生長。張東等試驗證明，采用2 m³/（m²·h）的曝氣強度和1∶2的氣水比進行曝氣，可使水體中的溶解氧保持在5 mg/L^[23]。

2.2.2.4 處理水質。

污染水體的水質不同，水體中的微生物種類、各污染物的含量和比例也有區別。在污染物濃度比較低的污水中，微生物的生長會因營養物質不足進行內源呼吸，不能達到較好的凈化效果。張興文等采用MBBR方法處理低濃度生活污水，由于水體中COD含量較少，掛膜失敗，隨后外加營養物質，掛膜成功^[27]。

2.2.3 掛膜成熟標志的研究進程。

人工水草掛膜是否成熟，通常以有機物或氨氮的去除率是否穩定為標志。對于以脫氮作為主要目的的人工水草項目，由于硝化細菌生長速度緩慢，通常以氨氮的去除效率是否穩定為標志^[28]。陳洪斌等^[29]則建議以生物學指標作為掛膜是否成熟的標志。在掛膜成熟后，填料上會附著厚度約0.04～0.12 mm的褐色微生物膜，這可作為掛膜是否成熟的標志。

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