南運河高效生物凈化系統污染物降解系數研究

高園園，譚林山，吳曉楷，楊照龍

（1.漳衛南運河管理局水文處，山東德州253009；2.海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州253009）

南運河高效生物凈化系統污染物降解系數研究

高園園1，譚林山2，吳曉楷1，楊照龍2

（1.漳衛南運河管理局水文處，山東德州253009；2.海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州253009）

河流污染的生物治理技術是當前研究熱點，其生物降解系數是衡量系統凈化能力的重要指標。2014年，在南運河試驗河段集成固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術，構建高效生物生態凈化系統，進行污染河水凈化處理試驗。采用一級反應動力學模型進行生物降解系數測算，氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學需氧量（COD）降解系數分別為0.03～0.74、0.02～0.36，0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系統對水體中的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價值。

固化微生物；生物降解系數；NH4+-N；NO3-；TN；COD

河流治理的技術主要可分為物理方法、化學方法及生物方法三類［1］。物理方法和化學方法由于在實際應用過程中存在工程巨大、治標不治本及二次污染等問題，在應用中具有較大的局限性［2］。近年來，生物方法成為研究的熱點。生物方法主要為原位生物修復技術，包括水生植物修復、水生動物修復、微生物修復、人工濕地凈化、生態浮床凈化等［3-5］。該類方法是利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，將水中污染物進行轉移、轉化及降解，從而使水體得到凈化，具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優點。另外，這種處理技術不向水體投放化學藥劑，不會形成二次污染，還可以與綠化環境及改善景觀相結合，創造人與自然融合的優美環境，因此該類技術得到廣泛應用。

本項目通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術的優化集成，構建生物生態凈化系統，在四女寺樞紐節制閘下的南運河600m河段進行現場試驗，實現對河道污水的高效低耗處理。對進水與出水的水質因子進行監測，建立一維水質數學模型，采用一級反應動力學模型進行生物降解系數測算，氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學需氧量（COD）降解系數分別為0.03～0.74、0.02～0.36、0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系統對水體中的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價值。

1　項目概況

2014年，水利部下達了“高效固化微生物綜合治理河道污水技術的示范與推廣”科技推廣項目。項目主要任務是構建高效生物凈化系統，試驗污染水體的原位生物技術修復。試驗河段位于漳衛南運河下游四女寺樞紐節制閘下600m的南運河河段。由于長期的外源污染和水生生物殘渣的沉積，試驗河段水質長期劣于V類，詳見表1，并產生黑臭現象，嚴重影響水體景觀及原有生態功能。試驗通過綜合應用Bpa-1017系列微生物凈水劑、Bacto-Zyme 1011系列生物復合酶、水下森林、生物浮島以及人工曝氣等技術構建高效生物凈化系統，在上、中、下游布設3個監測斷面，開展同步監測，分析研究生物處理效果。

表1　2013年四女寺閘水質監測數據mg/L

2　試驗過程

項目實施期為2014年，試驗分為3個階段：第一階段，投放菌劑，采用高壓噴霧器按照一定比例沿河噴灑Bpa-1017微生物凈水劑和Bacto-Zyme1011生物復合酶；第二階段，開始浮島安裝及植物種植，共設置500m2浮島，由40組小浮島沿河道分左、中、右3列組成，浮島上種植美人蕉、千屈菜、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、梭魚草、旱傘草、澤瀉等挺水植物及浮水植物銅錢草；第三階段，進行曝氣機及水下森林的安裝，在試驗段上游安裝1臺曝氣機，水下森林由100塊1m×1m的小塊組成，共100m2，分散地掛載在浮島下，完成系統構建工作。

根據污染特點，選擇氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）及化學需氧量（COD）作為水質參數，開展水質同步監測，所使用儀器分別為T6新悅可見分光光度計、TU-1950雙光束紫外可見分光光度計、SKALAR SAN++型連續流動分析儀、B-6C（H）型COD快速測定儀。

3　生物降解系數測算結果與分析

3.1生物降解系數求算

根據各監測點污染物的濃度測定結果，建立一級反應動力學模型，由下式分別計算各水質參數的沿程降解系數：

式中：k為水質因子的沿程降解系數；t=L/u，u為流速（m/s），計算中采用進水及試驗段斷面間的平均流速，L為進水及試驗段兩斷面的間距（m）；CA、CB分別為進水、試驗段斷面相應水質因子的特征濃度值（mg/L）。

3.2生物降解系數分析

3.2.1氨氮降解系數分析

本生物生態凈化系統主要通過微生物菌劑的硝化-反硝化作用實現對NH4+-N的高效去除［6］。首先，微生物菌劑將水體中的NH4+-N轉化為亞硝酸鹽氮，進一步氧化為硝酸鹽氮，即硝化作用；然后另一類細菌將NO3-中的氧作為呼吸作用的受氫體，使NO3-還原為N2，即反硝化作用。同時，復合生物酶的投放加快了反應活性，提高了反應的轉化率，有利于NH4+-N的去除。

試驗期間，進水水體的NH4+-N濃度波動幅度較大，這主要是由于試驗期間上游來水情況不同及降雨等原因造成的。在進水水體NH4+-N濃度變化較大的不利條件下，試驗段水體的NH4+-N濃度相對穩定，上、中、下游3個斷面濃度均維持在1.5mg/L以下，符合地表水Ⅳ類水體標準，NH4+-N降解情況如圖1所示。表2為試驗期間各斷面NH4+-N降解系數的計算結果，NH4+-N綜合降解系數為0.03～0.74 d-1。

圖1　試驗期間氨氮濃度變化

表2　試驗期間氨氮降解系數變化d-1

3.2.2硝酸鹽氮降解系數分析

試驗期間硝酸鹽氮的濃度變化，如圖2所示。由圖2可以看出，試驗期間，與進水水體相比，出水水體的NO3-濃度明顯降低，且試驗段出水水體的NO3-濃度保持在較低水平，均低于1.5mg/L。試驗期間各斷面NO3-降解系數的計算結果，詳見表3，NO3-綜合降解系數為0.02～0.36 d-1，表明該生物生態凈化系統對NO3-具有顯著的降解作用。這主要是由于該系統中的反硝化細菌將NO3-還原為分子態氮，從而降低了水體中硝酸鹽氮濃度。

圖2　試驗期間硝酸鹽氮濃度變化

表3　試驗期間硝酸鹽氮降解系數變化d-1

3.2.3總氮降解系數分析

本生物生態凈化系統對TN的降解包括植物自身的吸收，也包括微生物菌劑的硝化和反硝化作用。一方面，氮是植物生長所必需的營養元素之一，植物通過同化作用將水體中的氮轉化為自身的組成物質；另一方面，水體中的氮污染物通過微生物菌劑的硝化作用和反硝化作用得以最終去除。

試驗期間總氮濃度變化，如圖3所示。由圖3可以看出，進水TN濃度處于較高水平，而試驗段各斷面TN的降解效果較為顯著，去除率最高達到59.6%。各斷面TN降解系數計算結果，詳見表4，TN的綜合降解系數為0.06～0.49 d-1，體現了優良的TN降解性能。

圖3　試驗期間總氮濃度變化

表4　試驗期間總氮降解系數變化d-1

3.2.4COD降解系數分析

試驗期間COD濃度變化，如圖4所示。由圖4可知，進水水體中COD濃度極高，均超過地表水Ⅴ類水體標準，而出水水體的COD濃度明顯降低，最大去除率達到47.9%。試驗期間COD降解系數計算結果，詳見表5，COD綜合降解系數為0.04～0.28 d-1。這主要是因為在該系統中存在的好氧、兼性及厭氧菌提高了降解有機物的廣譜性，此外反硝化作用也提高了去除COD的能力。

圖4　試驗期間COD濃度變化

表5　試驗期間COD降解系數變化d-1

4　結論與建議

通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等多項技術優化集成所構建的生物生態凈化系統處理河道污染水體，處理效果顯著。系統對各主要污染物的綜合降解系數分別為：氨氮0.03～0.74d-1，硝酸鹽氮0.02～0.36d-1，總氮0.06～0.49d-1，COD0.04～0.28d-1。根據文獻資料［7］，四女寺—辛集閘河段氨氮自凈系數為0.16 d-1，COD自凈系數為0.17 d-1，可見該生物生態凈化系統對污染物的降解效果較明顯。

在當前我國城鄉河道水體污染較嚴重的情況下，采用該技術對污染水體進行治理，可以取得較好的治理效果，具有顯著的環境效益和社會效益。

［1］鄧耀明.污染河道治理技術的研究進展［J］.環境科技，2009，22（2）：90-93.

［2］張捷鑫，吳純德，陳維平，等.污染河道治理技術研究進展［J］.生態科學，2005，24（2）：178-181.

［3］朱強，任匯東，任良志，等.景觀水體治理技術的研究［J］.環境科學與管理，2009，34（5）：88-92.

［4］金小平，宋學宏，李蒙英，等.生物-生態修復技術在景觀污染水體治理中的應用［J］.水環境保護，2012，28（4）：42-45.

［5］孫桂琴，董瑞斌，潘樂英，等.人工濕地污水處理技術及其在我國的應用［J］.環境科學與技術，2006（29）：144-146.

［6］馮本秀，賴子尼，余煜棉，等.固定化微生物技術去除水體中氨氮的研究進展［J］.廣東化工，2005（10）：9-10.

［7］張明.漳衛南運河流域河流典型污染物通量與累積負荷量研究［EB/OL］.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/ 200709-236，2007－09－12/2016－05－12.

X522

B

1004-7328（2016）05-0018-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.006

2016—05—22

水利部科技推廣項目（TG1408）

高園園（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水質監測工作。