曝氣結合投加微生物法去除河水氨氮效果研究

Tang+Van+Tai+Tran+Ngoc+Binh+Nguyen+Nhu+Anh+Phan+Thi+Hong+Nhung

摘要：指出了傳統河道曝氣技術能在短時間內提高水體溶解氧濃度、消除河道黑臭狀態，在河道水質改善方面具有一定的可行性和優越性。基于此，嘗試將投加微生物工程菌法與河道曝氣技術有機結合，研發了去除河水中COD和NH3 -N的長期效果更好的組合工藝。以新河支流水生態修復項目為例，研究表明：投加微生物工程菌法與河道曝氣技術對水去除COD、NH3 -N與增加微生物群落的效果顯著。

關鍵詞：投加微生物；曝氣；水生態修復

中圖分類號：X522

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）6-0005-05

1 研究方法

1.1 研究背景

隨著社會生產的發展，世界各國的河流都面臨著來自工業、農業、生活等方面的不同程度的污染[1，2]。丹陽新河水體正在受規劃不合理、排污集中、截污不夠、流量不足等因素影響，普遍污染較重，有的甚至發黑發臭，人民群眾反映強烈，成為水污染防治工作的薄弱環節和難點，也是新型城鎮化繞不開的“傷疤”。

曝氣復氧結合投加技術是根據水體受到污染后缺氧、水體發黑發臭的現狀，利用人工的機械方法對水體充入氧氣，并投加微生物增加水中生物量和生物群落從而彌補大氣復氧的不足，增強與恢復水體的好氧微生物，抑制厭氧微生物，從而使水體中的污染物得以通過好氧得到分解，水體得到凈化，改善河水水質 [3，4] 。

1.2 試驗地點

試驗用水取自丹陽新河支流。新河支流長約2.8 km，寬約 12～18 m，深 1.8～2.1 m，西側聯接南京宏祥帶鋼公，東側鏈接農田。新河支流是從南京七仙山開始徑流過南京江寧地區，然后流入新河。試驗地點如圖1所示。

1.2 試驗裝置

本試驗采用自制的模擬河道反應器，長 3.3 m、寬 1 m、高 1.2 m，有效水深 1 m。模擬河道分為進水段，處理段和出水段，進水段 0.5 m，設置穿孔導流板，起均勻布水作用；處理段 2 m，下端預留曝氣軟管以及填料區；出水段 0.5 m，設置溢流堰，最后有 0.3 m 的溢流儲水區。模擬河道底部設置放空管以及采樣口。模擬河道采用聚丙烯 PP 材料制作，共有 3 個，3個相同的模擬河道可以并聯同時試驗也可以串聯進行試驗。模擬河道底部設置預留曝氣軟管，曝氣軟管外徑為 16 mm，內徑為 10 mm，所產生的微氣泡直徑為 0.5～2 mm。模擬河道裝置剖面圖如圖2、3所示。曝氣設備采用劃片風機，出風口用橡膠軟管與各模擬河道預留曝氣口連接，為比較模擬河道曝氣強度，在曝氣口安裝有氣體流量計。河水采用潛水式水泵抽取，在每個模擬河道進水口安裝有閥門，以便控制進水流量。具體設置與安裝過程如圖2、3所示。

本試驗采用丹陽市尚德生物科技有限公司的復合微生物活菌液（菌克），該產品中主要存在酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌，并有部分光合細菌，并通過以太湖眾多河流河水底泥作為初始菌源，對復合菌液脫氮除磷菌進行了擴大培養，主要優化的脫氮菌種包括：變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門 （Firmicutes）、綠菌門（Chlorobi）、放線菌門（Acidobacteria）和擬桿菌門 （Bacteroidetes），這些菌種約占所有微生物總量的 99%，是菌液中的優勢菌群[5]。

1.3 試驗方法

曝氣與工程菌復合試驗。考慮到工藝的經濟效應與治理效果的最優化，比較了連續曝氣與間歇曝氣的區別。同時考慮到微生物最大程度的發揮效果，比較了再曝氣情況下先投加工程菌與后投加工程菌的區別。裝置靜水運行 7 d，裝置不持續進水，有效水深 1 m，每天檢測 DO、CODMn、NH3-N。

2 結果和分析

2.1 曝氣結合投加微生物法對水質氨氮改善效果靜態試驗

2.1.1 水質改善試驗結果

微生物制劑對河水水質具有一定改善效果，投加好氧微生物制劑后，河水的 CODMn和 NH3-N 均有一定程度下降，但由于微生物降解有機污染物也需要耗氧，河水中的 DO仍然維持在較低的水平。所以考慮將曝氣復氧與投加微生物相結合，曝氣技術為好氧微生物提供生存必須的 DO，而微生物為曝氣的河道提供生物處理能力。試驗比較3種曝氣方式與工程菌投加時機的不同組合，分別為連續曝氣+啟動時投加工程菌（連續曝氣，在曝氣設備啟動的同時投加工程菌，以下簡稱方式一）、間歇曝氣+啟動時投加工程菌（間歇曝氣，在曝氣設備啟動的同時投加工程菌，以下簡稱方式二）、間歇曝氣+啟動后投加工程菌（間歇曝氣，在曝氣裝置啟動 2 d時間后投加工程菌，以下簡稱方式三）。曝氣強度采用中等強度 1.66 m3/m2 h，工程菌投加量采用每個模擬河道裝置1500 mL。間歇曝氣通過風機連接的時控開關控制，曝氣時間為每天2 h（8：00～10：00），試驗進行 7 d，試驗時間為 8 月上旬，試驗氣溫約為 28～37℃，水溫約為 22～30℃。試驗結果如表1、圖4。

2.1.2 水質改善結果分析

從實驗結果（圖4）可見：

組合一采用連續曝氣的方式，DO 在第二天就升高至 6 mg/L 左右，而組合二、三采用間歇曝氣方式，DO 是一種隨水質變好而緩慢上升的形式，3種曝氣方式在 7 d后 DO 值均能達到 5～6 mg/L（接近于 30℃時飽和溶解氧值），故考慮能耗運行費用及實際效果三者結合，間歇曝氣是更適合的一種曝氣方式；連續曝氣與間歇曝氣相比，連續曝氣能迅速的提高河道溶解氧，間歇曝氣則比較緩慢地提升溶解氧。

各種曝氣工程菌復合方式對CODMn都有較好的去除，3種方式 7 d后CODMn去除率分別為 49%、62%、60%。連續曝氣條件下的CODMn去除率反而不如間歇曝氣，因為微生物的生長增殖、分解污染物需要一個穩定的環境，而連續曝氣使水體始終處于一種攪動狀態，不利于微生物發揮作用。同時也說明間歇曝氣方式提供的溶解氧已經足夠微生物活動。與單獨投加微生物不同，三種方式下CODMn從第一天開始就有比較明顯的去除效果，由于曝氣攪動，使投加微生物后河水中形成的菌膠團快速沉淀到池底，所以 CODMn從第一天開始就快速下降。另一方面，在曝氣前（組合二）與曝氣后（組合三）投加微生物對CODMn去除影響不大 [6] 。

各種曝氣工程菌復合方式對 NH3-N 去除區別不大，3種方式 7 d后NH3-N 去除率分別為 48%、32%、40%。連續曝氣條件下的 NH3-N 去除效果略好于間歇曝氣，連續曝氣更多地將可以吹脫的 NH3-N 吹脫至空氣的緣故。

考慮水質改善效果和經濟效益，本試驗確定最佳曝氣加工程菌組合方式為方式二。

2.2 曝氣結合投加微生物法對水質氨氮改善效果動態試驗

2.2.1 動態水質改善試驗結果

曝氣加工程菌的復合工藝對黑臭河道河水有一定的凈化作用，但是自然河流均有一定的流動速度，影響到河水的流動速度的因素十分復雜，河面的風力、季節與氣候及河岸的材質等均會影響到河道的流速，即使是城市內生態功能萎縮的黑臭溝渠也會有很小的流速。河道流動這一特點的存在導致不論是河道的污染物質還是具有凈化能力的微生物菌種，都是處于一種不穩定的流動狀態。所以本試驗在先前研究基礎上利用模擬河道裝置模擬一定的河水流速，考察在不同流速下復合工藝對河水水質的凈化效果。

試驗采用上一節試驗中已經掛膜的礫石填料，礫石填料層高度采用 50 cm，采用 1.66 m3/m2·h 的曝氣強度，間歇曝氣（每天2 h 曝氣工作時間），模擬河道裝置分別模擬 0.5 m/h（HRT=6 h）、0.25 m/h（HRT=12 h）、0.125 m/h（HRT=24 h）的流速，連續運行 7 d。試驗時間為 9 月下旬，試驗氣溫為 26～29℃，水溫為 20～25℃（表2）。

2.2.2 動態水質改善試驗結果

模擬流速對 DO 有一定的影響，流速越大，模擬河道內最終維持的 DO 值越高，流速越大河水自身的復氧效果越好；

在不同的模擬流速下，CODMn與 NH3-N 的去除率也有比較大的區別，三種流速下 CODMn的去除率分別為 20%、24%和 33%，NH3-N 的去除率分別為 6%、13%和22%，說明流速越快 CODMn與 NH3-N 的去除率越低。對此的解釋是，一方面流速過快使污染河水在模擬河道裝置內的接觸時間變少，污染物得不到及時的去除；另一方面流速的存在使裝置不斷有污水更新進入。

本試驗確定的水質改善效果最好的模擬流速為 0.125 m/h（圖5）。

3 示范工程曝氣結合投加微生物菌液效果

3.1 試驗方法

（1）材料：使用復合微生物菌液作為投加微生物的材料

（2）工具：消防給水泵（科雷品牌，XBD3.2/2.0-40L-160型號，水流量為10～80 L/s，壓力范圍為0.2～2.25 Mpa），立式倒傘曝氣機（南京蘭江 品牌，HDS350B型號）10臺，船用電機兩臺，托運車一輛。

（3）投加微生物方法：使用托運車運微生物菌液桶沿著岸邊道路進行噴微生物。對于寬度較大的河道或岸邊道路不方便，進行放微生物菌液在船上，然后使用消防給水泵噴微生物菌液覆蓋河道表面。投加微生物時間：從2015年10月18日開始從上游往下有投加微生物菌，3 d投加一次，每次投加量為每天排入新河污水總量的1/1000，投加方法如圖7。總時間投加微生物是30 d。試驗期間水溫約 15～22℃，水流速平均0.005～0.008 m/s。選擇一段河流長度大約2 km進行布置10臺傘曝氣機，每段距離200米進行布置1臺傘曝氣機為提高水溶氧量，布置曝氣機如圖6，每天進行曝氣2次，每次曝氣3 h。每天進行采樣試驗河段的進水和出水的水質為檢測水質改善效果。

3.2 結果和分析

3.2.1 水質改善效果分析

由圖8可見：

（1）由于受到季節、氣溫、風速、排污的影響，河水水質在持續波動之中，處理效果也在不斷的波動之中。

（2）對 CODMn的去除效果較快穩定，在裝置運行 5 d后維持在 40%左右，最高可以達到 47%。在裝置運行 10 d后，CODMn去除率開始呈現一種緩慢下降的趨勢，這可能是由于裝置運行過程中生物量慢慢減少，處理能力慢慢降低，最終裝置運行 25 天時，對 CODMn有 27.3%的去除率。

（3）對 NH3-N 的去除效果呈現的比較慢，前 10 天去除率均在 20%以下，但 10～20 d期間 NH3-N 去除率明顯變好，最高可以達到 33.4%，硝化菌在緩慢流動的水體中慢慢占據優勢，開始發揮作用。20 d以后 NH3-N 去除率也開始降低，最終裝置運行 25 d時，對 NH3-N 有 10.9%的去除率。

3.2.2 微生物群落結構分析

在從2015年10月18日開始試驗之前采取水樣1#為檢測微生物群落在曝氣和投加微生物之前。2015年11月17日，試驗最后一天，在試驗進水點A采一個水樣2#，然后在試驗出水點B采一個水樣3#為檢測河水處理后的生物群落（表3）。

由稀釋曲線（圖9）可知，3個樣品的微生物群落復雜程度排序為3#>2#>1#，這與通過Shannon指數與Simpson指數判斷微生物群落復雜程度的結果是一致的。

通過高通量測序技術，1#樣品共檢測到191個菌屬，2#樣品共檢測到302個菌屬，3#樣品共檢測到323個菌屬。對檢測到的物種組成結果進行屬水平上的分類，取至少在某一樣品中含量超過1%的屬以10為底取對數后作圖，如圖11所示。水在出水點B（樣3）的微生物的總量和優勢菌屬的相對含量都要高于原本水體（樣1）和進水點B（樣2），說明多投加微生物和跑氣已經提高水中微生物群落和數量。

4 結論

（1）曝氣復氧與工程菌投加兩者復合能得到非常良好的效果。曝氣復氧攪動水體增進了微生物與污染物質的接觸，提供了 DO 激活微生物的生物活性，同時也為微生物提供了較好的生長環境。

（2）不同模擬流速的試驗表明：流速越慢，該工藝對河水的處理效果越好，即本工藝適用于流速緩慢的滯留水體。

（3）丹陽新河示范工程在一個月后對河水仍舊有去除能力，但去除能力在削弱。可以考慮周期性地投加少量微生物菌種提升其處理能力。

（4）通過高通量測序技術，反映了跑氣結合投加微生物法可提高河水中微生物群落和數量。

參考文獻：

[1]于振君，張可方. 河流的曝氣凈化及其氧平衡的研究[J]. 國外環境科學技術， 1987（01）： 19～23.

[2]徐 續. 曝氣復氧技術在蘇州水環境質量改善中的應用研究[D]. 南京：河海大學， 2005.

[3]廖麗華，彭閃江，陶 濤，等. 不同曝氣工藝對佛山水道水質DO和COD的影響[J]. 環境工程，2008（S1）： 23～26.

[4]李開明，劉 軍，劉 斌，等. 黑臭河道生物修復中3種不同增氧方式比較研究[J]. 生態環境， 2005（6）：816～821.

[5]佚名.丹陽市尚德生物科技有限公司微生物群落報告[R].丹陽：丹陽市崗德生物科技有限公司，2012.

[6]姚曉麗，梁運祥. 微生物技術改善河道水質的研究[J]. 環境科學與技術， 2007（6）： 59～61.