碳纖維人工水草技術處理湖泊水的試驗研究

李思敏，黃 帥，徐 明

(1.河北工程大學 城市建設學院，河北 邯鄲 056038；2.西安市市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068)

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碳纖維人工水草技術處理湖泊水的試驗研究

李思敏1，黃 帥1，徐 明2

(1.河北工程大學 城市建設學院，河北 邯鄲 056038；2.西安市市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068)

摘要：針對湖泊等緩流水體生態恢復的需要，從技術特點、凈化機理、運行監測指標等方面介紹碳纖維人工水草技術。分析趙苑湖泊水污染現狀，以碳纖維人工水草為載體，利用水中微生物處理趙苑湖泊水，達到生態修復的目的。通過進行原位實驗確定最佳水草鋪設密度，結果表明，最佳運行密度為16株/m2，其對CODcr、NH3-N、TN、TP的去除率分別為69.16%、81.06%、72.92%、47.36%；碳纖維人工水草技術對湖泊水的生態修復效果顯著，并且不影響景觀湖泊的觀賞性。

關鍵詞：碳纖維人工水草；生態修復；最佳運行密度

湖泊是重要的自然資源與環境載體，與其他水體相比，其與人們的生活及生產關系更加密切。但是隨著我國工業的發展、人民生活水平的提高，城鎮污水的排放造成了水體富營養化，水體生態系統遭到破壞[1-3]。特別是(人工)湖泊屬于緩流水體，自凈能力薄弱，很難具有自然恢復到被破壞前生態環境的能力。我國當前大部分湖泊凈化技術采取的是物理和化學方法，雖然具有見效快、效率高等優點，但是修復效果持續性差、同時增加湖泊底泥，無異于飲鴆止渴。碳纖維人工水草技術是以生物膜凈化技術為核心，對受污染水體中的C、N、P等各項污染指標以生物技術進行降解，同時具有優良的持續性和良好的景觀效果，在湖泊生態修復領域值得研究和推廣[4-5]。碳纖維人工水草技術是在生態學原理指導下，以生物修復為基礎，結合物理及化學工藝達到的一種復合環境治理技術。該技術是以碳素纖維水草作為生物膜載體形成的生物膜工藝，可以通過控制生物膜膜厚，形成適宜的好氧/厭氧分區，構建適宜脫氮除磷菌增殖的環境，對有機營養物進行吸附和生物降解并最終將污染物質去除，或轉化成為微生物組分[6-12]。此次實驗從邯鄲市趙苑湖泊水系原位污染現狀出發，研究不同水草鋪設密度條件下，碳纖維人工水草技術對趙苑湖泊水系污染物質的降解效果，以期為碳纖維人工水草技術更好地應用于實際工程提供試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗裝置共有6組3.5 m×2.0 m×1.5 m不銹鋼原位圍隔(外襯防水布)，并在防水布底部開0.5 m×0.5 m的換水口，編號1～6。1號為對照組，其他五個圍隔為實驗組。1～6號各組圍隔依次按0、2、4、10、16、20株/m2密度鋪設碳纖維人工水草。6組圍隔均置于趙苑某人工湖泊中心，該湖泊不僅作為景觀湖泊，而且接受某污水處理廠部分出水。

1.2 試驗方法

每天對湖泊原水及6組圍隔水取樣監測，每天上午10：00取樣一次，周期為70 d(雨天不取樣)，通過分析CODcr、NH3-N、TN、TP的濃度及去除率的變化趨勢，研究針對這四種污染物的效果和去除機理，并通過指標疊加法確定碳纖維人工水草的最佳鋪設密度。

1.3監測指標

試驗主要對易造成水體富營養化及水體污染的CODcr、NH3-N、TN、TP等指標進行監測。其中CODcr的監測方法采用重鉻酸鉀法；NH3-N的監測方法采用納氏比色法；TN的監測方法采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；TP的監測采用鉬銻抗分光光度法[8]。

2 試驗結果與分析

2.1碳纖維人工水草對CODcr的去除效果

從圖1可以看出，試驗初期,各組CODcr下降速率較快，鋪設碳纖維人工水草試驗組對CODcr的降解速率明顯高于對照組，這主要得益于人工水草的吸附固定作用。對照組由于缺乏載體的吸附作用,CODcr的降解速率較慢。由于碳纖維人工水草附著生物膜上存在大量細菌、真菌、原生動物、后生動物等微生物,在這類微生物的新陳代謝作用下，水體中大量有機物被生物膜吸收分解, 這是試驗中后期各組有機物下降的主要原因。試驗進行到10 d，各試驗組對CODcr的去除率趨于穩定，并且去除率隨鋪設密度的增加而提高，分別為45.89%、54.24%、59.10%、69.16%和81.77%。而對照組去除率達到穩定的時間要比實驗組晚7 d左右，而且對CODcr的去除率僅為26.19%，這主要是與對照組中微生物種群與數量都比較少直接相關。

2.2 碳纖維人工水草對NH3-N的去除效果

從圖2可以看出：初期,各實驗組的NH3-N降解速率要高于對照組，主要得益于碳纖維人工水草多孔結構和巨大表面積的截留作用[6]。而對照組由于缺乏載體吸附及系統剛啟動時不穩定, NH3-N甚至出現了小幅上升。試驗進行到16 d,各個實驗組已基本穩定，且對NH3-N的去除率較高,去除率達60%左右。生物膜上大量微生物的硝化作用及生物膜上的微生物胞外聚合物對污染物的吸附作用是該階段降解的主要原因。試驗進行30 d后，各實驗組對NH3-N的去除率都達到了66%以上。對照組的去除效果也較好，達到了60%，這可能是由于湖泊原位中存在大量藻類、細菌、原生動物及后生動物，對NH3-N的氧化降解有著顯著作用。對照組與各試驗組對NH3-N的最終去除率分別為 66.17 %、 76.18 %、73.29%、75.82%、81.06%和83.53%。每個實驗組的去除率均優于對照組，且鋪設密度越大效果越好。各組NH3-N呈總體下降趨勢，鋪設密度越大，降解速率越快，而且對NH3-N的去除率穩定點相對提前。

2.3 碳纖維人工水草對TN的去除效果

從圖3得知：試驗初期各組對TN的去除相對穩定，總體去除率趨勢是逐漸上升的。試驗進行到21 d，各組運行基本穩定。最終，對照組與各實驗組的TN去除率分別為54.53 %、64.08 %、64.70%、64.55%、72.23 %和67.04 %。處理效果依次是人工水草鋪設密度16株/m2>20株/m2>4株/m2>10株/m2>2株/m2>對照組。

由圖2可知，雖然NH3-N去除率在人工水草鋪設密度20株/m2時最高，但這類密度下，其對TN的去除率反而較16株/m2時有所降低，這與水體中溶解氧有很大關系[6]。隨著水體流動，人工水草漂浮擺動會增加圍隔內水體的復氧速率，水草密度越大，復氧速率相對越快。由于水體中分子態氧的存在,生物膜缺氧層不穩定會在一定程度上影響反硝化細菌的反硝化作用，因此，圍隔水體中反硝化作用可能存在瓶頸，并導致相當一部分氮素是以硝態氮的形式存在而未被去除。不僅如此，在較高溶解氧濃度下，人工水草鋪設密度20株/m2的圍隔水體中的好氧菌與反硝化菌爭奪易降解碳源時存在競爭優勢，并消耗很大部分碳源，削弱反硝化作用，最終導致整個試驗階段的低效TN去除率。

2.4 碳纖維人工水草對TP的去除效果

由圖4得知：各組TP的去除率呈總體緩慢提高的趨勢,但波動較大，最終趨于穩定。而且各組對TP的平均去除率分別僅為27.33%、39.90%、49.52%、47.68%、47.36%和44.97%。在試驗進行的前5 d, 除了對照組外，其他各組對TP去除速率都比較快，這可能是因為人工水草初期的吸附作用。試驗進行到5～40 d，該階段的TP去除率每16 d周期起伏。原因是由于人工水草的吸附作用、微生物胞外分泌物的吸附以及微生物生長代謝的消耗[11]，TP會在7～9 d內持續下降。而微生物生長代謝所需要的磷很少，所以對TP去除主要是由于上述兩種吸附作用；但是隨著水草的漂浮擺動及生物膜的老化脫落，人工水草吸附的磷會脫附到水體中，所以在9～16 d會出現TP濃度的上升。試驗進行到42 d左右，由于吸附和脫附平衡，TP去除率基本穩定。對照組相對于實驗組由于只存在磷元素的自然沉積而沒有水草載體的吸附，所以其對TP的去除率很難達到穩定狀態。

污水中磷元素生物去除主要是由聚磷菌完成的。聚磷菌在厭氧條件下釋磷，在好氧的環境下可以過量的、超出其生理需要的從外部攝取磷。一般認為,好氧及厭氧環境的交替有利于聚磷菌對磷元素的吸收。本試驗在湖泊原水中進行，無法提供聚磷菌所需的厭氧環境，沒有釋磷條件，所以不能形成吸磷階段所需要的PHAs。而且，由于沒有充足曝氣,導致水體溶解氧也不能很好地滿足聚磷菌的吸磷條件。缺少吸磷的能源PHAs及充足的溶解氧，生物除磷基本沒有實現。人工水草鋪設密度過大也可能會阻礙磷元素的自然沉降，因此除磷效果并不隨人工水草的鋪設密度的增大而提高。綜上，人工水草的截留吸附及微生物胞外分泌物的吸附是TP下降的主要原因，并且人工水草鋪設密度過大對除磷效果有一定程度的影響。

2.5 碳纖維人工水草的綜合效果

根據指標疊加處理方法來考慮不同鋪設密度的人工水草的綜合效果。由于TN和NH3-N的去除效果相近，并且總量不大，分別給予0.2和0.15的權重；CODcr與鋪設密度密切相關，并且尚未達標，給予0.3的權重；考慮趙苑湖泊水體中TP濃度大，并且與水體富營養化直接相關，給予0.25的權重；考慮到趙苑湖泊的景觀功能，給予0.1的權重。

表1 不同碳纖維人工水草鋪設密度的綜合效果評價表

根據表1，碳纖維人工水草在20株/m2鋪設密度的綜合效果最好。但是在16株/m2鋪設密度下的綜合效果與20株/m2鋪設密度下的綜合效果相近，考慮到經濟因素，確定趙苑湖泊碳纖維人工水草的最佳運行密度為16株/m2。

3 結論

1)碳纖維人工水草對湖泊水體中的主要污染物都有一定的去除效果，但不是所有污染物的去除率都隨鋪設密度的增加提高。指標疊加法確定最佳鋪設密度為20株/m2，但考慮經濟因素，最終確定趙苑湖泊中碳纖維人工水草的最佳鋪設密度為16株/m2。

2)碳纖維人工水草技術對TP的去除機理，是依靠其多孔結構和巨大的表面積的吸附截留作用和微生物胞外分泌物的吸附作用，去除速率較快；由于水草漂浮擺動和生物膜的自然脫落，脫附與吸附同時存在，導致TP的去除率循環起伏。二者達到平衡后，去除率趨于穩定。同時顯示，微生物生長代謝所消耗的磷甚少。

3)碳纖維人工水草對TN去除率較低的根本原因在于反硝化作用存在瓶頸。水草的漂浮擺動導致水體中較高的復氧速率，在一定程度上影響生物膜上缺氧層的形成；好氧菌與反硝化菌爭奪易降解碳源時存在競爭優勢，導致用于反硝化的碳源減少，削弱了反硝化作用。最終導致了低效的TN去除率。

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(責任編輯王利君)

The research on the treatment of polluted pool by the technology of carbon fiber artificial plants

LI Si-min1, HUANG Shuai1, XU Ming2

(1.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038, China；2. Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710068,China)

Abstract：At the need of ecological restoration of subcritical flow such as polluted pool, the characteristics, purification principle and operation monitoring indexes of the carbon fiber artificial plants technology are presented. And the current pollution condition of Zhaoyuan pool is analyzed. By the treatment of the microorganisms lived at the artificial plants, the ecology of Zhaoyuan pool is to be restored. An in-situ experiment was conducted to determine optimal running density of the artificial plants. As a result, the optimal running density is 16/m2. At this situation, the removal rate of CODcr , NH3-N, TN, TP were 69.16%, 81.06%, 72.92%, and 47.36% respectively. Because of the high efficiency and having no undesirable impact on the ornamental value of pools, the technology of carbon fiber artificial plants can be widely used in the future.

Key words：carbon fiber artificial plants; ecological restoration; optimal running density

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0081-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.018

作者簡介：李思敏(1968-)，男，陜西咸陽人，教授，研究方向為污廢水處理等。

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-003)；河北工程大學研究生創新能力資助項目(y1500050004-04)；河北省應用基礎研究計劃重點基礎研究項目(12966738D)；邯鄲市科學技術研究與發展計劃項目(1213109010G)

收稿日期：2015-09-29