利用生物膜內循環折流式反應器—生態池系統修復黑臭水體的應用技術研究

李 文

（寶武集團環境資源科技有限公司，上海 201999）

引言

隨著城市化進程的加快、污水排放量的增加，河道水污染問題屢見不鮮且出現季節性或常年性黑臭。黑臭水體主要是水體缺氧造成的[1]，同時也與水中氮磷含量超標和底泥沉積有關[2]，現階段控制城市水體污染、整治水體黑臭已經刻不容緩。

針對城市黑臭水體的整治，一般遵循外源減排、內源清淤、水質凈化、清水補給、生態恢復的技術路線，而水質凈化作為階段性手段被廣泛研究，現有技術可系統歸為物理、化學、生物、生態法4類。常用物理方法包括人工曝氣、底泥疏浚、引水調水等，可以有效提高水體中的溶解氧濃度，強化水體的自凈功能，促進水體生態系統的恢復，但不能實現水體水質的長期穩定改善且可能對環境產生二次污染[3]；而化學法主要包括強化絮凝、化學氧化和化學沉淀等，通過向水中投加化學藥劑達到去除水中懸浮物質、溶解態磷和氮等目標污染物的目的，能有效提高水體透明度，但采用的化學藥劑用量大，且對生態平衡以及生物生長均有不可忽視的影響[4]。

本文以生物-生態法作為主要修復方式，構建中試修復系統，對漕河涇港原水進行在線處理，并探討不同條件下的處理效果。

1 實驗

1.1 中試修復系統

構建中試系統，工藝流程如圖1所示。系統整體由集水池、內循環生物膜反應器（ICBBR）和生態池組成，進水通過反應器處置后，出水進入生態池經過進一步生態凈化。通過監測生態池出水中溶解氧、透明度、氨氮、總氮等指標，評價內循環生物膜反應器耦合生態系統對黑臭水體的凈化效果。

圖1 工藝流程圖

中試試驗的原水來自漕河涇港上師大段，約2 km，受漕河涇港閔行段污染的影響，水體出現常年黑臭，由潛水泵泵入集水池。

1.2 內循環折流式生物反應器

ICBBR反應器（內循環折流式生物反應器），結構示意圖、實體圖分別如圖2、3所示。該反應器高0.5 m，寬0.45 m，長1.35 m，有效工作體積約266 L，由一塊隔離板將反應器劃分成上、下兩部分。在反應器的下部交錯排列著19塊寬為0.3 m，長0.45 m，厚為0.01 m的多孔陶瓷板作為生物膜的載體；反應器左側底部放置1個潛水泵，可實現同步硝化和反硝化。

圖2 ICBBR反應器示意圖

圖3 ICBBR反應器實物圖

1.4 生態池

生態池的構建如圖4所示。池內種植盆栽30盆，每盆中各栽入4株狐尾藻、苦草、黑藻。

1.5 實驗方法

中試試驗分為7個階段，共計120天。

首先是生物膜馴化掛膜期；隨后用梧桐落葉浸出液作為外加碳源進行實驗；第三階段調節20～25℃進行相同實驗；第四～六階段以甲醇為外加碳源，分別將反應器進水的CODcr/TN調節至3～5、8～12、18～22進行試驗；第七階段則以最優條件下穩定運行。

1.6 分析方法

中試試驗對水中DO、NH3-N、TN等指標進行監測，方法如表1所示。

表1 測試分析方法及儀器

2 結果與討論

2.1 ICBBR反應器對黑臭水體的凈化效果

ICBBR反應器對黑臭水體中的NH3-N和TN的凈化效果如圖5、6所示。

圖5 系統對氨氮的去除效果

圖6 系統對總氮的去除效果

反應器掛膜階段氨氮、總氮去除效果不理想，進水CODcr約為8 mg/L，CODcr/TN≈1，低碳氮比的條件不利于反硝化反應的進行，因此嘗試通過外加碳源提高碳氮比的方式來改善反應器去除效能。

當加入外加碳源后，氨氮和總氮的去除率有所提升。后考慮到水溫對微生物活性有一定的影響，因此本階段通過在反應器內部安裝加熱棒穩定水溫條件，探討溫度對反應器去除效能的影響。對比20～25℃、25～30℃兩個階段可見，20～25℃區間較之25～30℃區間有更高的氨氮去除率。

在溫度穩定后，改變外加碳源并調節CODcr/TN，可見在CODcr/TN為8～12時，氨氮和總氮的去除率最高。

2.2 生態池對黑臭水體的凈化效果

黑臭河道回用水作為補給水的生態池實驗同樣也分為7個階段。第一到七階段均回用反應器出水，通過生態池的水生植物修復，出水氨氮降解情況較為穩定，去除率較高，逐漸趨于地表水環境質量標準III類水標準，且有望可以達到II類水標準；而總氮的情況不是特別理想，在一至三階段，生態池出水仍處于劣Ⅴ類，在投加碳源后，水體CODcr/TN提高，總氮的去除情況有所好轉，在四到六階段能基本維持在地表水環境質量標準Ⅴ類水標準，甚至在第七穩定階段維持在Ⅳ類水標準。

2.3 修復系統整體凈化效果分析

如圖7所示，內循環生物膜反應器處理黑臭水體：平均氨氮去除率為23.5%，平均總氮去除率為14.6%；以水生植物修復技術為核心的生態池：平均氨氮去除率為75.1%，平均總氮去除率為60.6%；系統總體去除能力：平均氨氮去除率為81.2%，平均總氮去除率為66.4%。

圖7 系統運行期對總氮和氨氮的平均去除能力

2.4 系統水質凈化機理分析

如圖8，ICBBR反應器是生物膜法的一種實際工程應用[5]，可實現同步硝化反硝化。該反應器以多孔陶瓷板作為生物膜載體，對水中污染物質進行生物降解，在陶瓷板表面附著的生物膜內存在缺氧層、好氧層[6]。水體中的氨氮流經好氧層時，被硝化細菌轉換為亞硝酸鹽或硝酸鹽；隨后進入缺氧層，在反硝化細菌作用下被還原成氮氣溢出水面[7]。由于潛水泵的設置，反應器內水流不斷循環流動，新、老生物膜不斷交替，使反應器能長期穩定地降解污染物質。

圖8 ICBBR反應器的黑臭去除機理