黑臭河道生態(tài)修復(fù)工程人工水草處理效果研究

張華俊　劉敏　陳海峰

摘要：為篩選出黑臭河道生態(tài)修復(fù)工程中合適的人工水草類型，通過對(duì)水處理工程中常用的4種人工水草進(jìn)行小試對(duì)比試驗(yàn)，研究這幾種人工水草的污染物處理效果。同時(shí)在工程實(shí)踐中進(jìn)行中試試驗(yàn)驗(yàn)證處理。結(jié)果表明，小試中細(xì)繩狀人工水草和立體彈性填料表現(xiàn)出了相對(duì)快的掛膜速度，同時(shí)細(xì)繩狀人工水草和立體彈性填料也表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)污水TN、TP、NH4+-N、CODMn處理能力。在中試中立體彈性填料結(jié)合生態(tài)浮島和曝氣工藝表現(xiàn)出了較好的處理效果。綜合材料價(jià)格因素，建議在黑臭河道生態(tài)修復(fù)工程中少量使用情況下優(yōu)先采用細(xì)繩狀人工水草，而在大量使用情況下，可采用立體彈性填料或兩者結(jié)合使用。

關(guān)鍵詞：黑臭河道；生態(tài)修復(fù)；人工水草；生物膜；處理效果

中圖法分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）15-0054-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.15.013 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Treatment Effects of Different Types of Artificial Plants in the Ecological Restoration of the Malodorous River

ZHANG Hua-jun1，LIU Min1，2，CHEN Hai-feng1，SHI Min-qiu1，WU Shan-shan1，LI Zhi-jin1，QIAO Yi1

（1.Guangzhou Resource Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510601，China；

2.Nanfang College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510970，China）

Abstract： In order to find out the suitable artificial plants in the ecological restoration of the malodorous river， four kinds of artificial plants commonly used in engineering were compared. The results of experiment indicated that， string artificial plants and stereoscopic elastic filler showed a faster biofilm generation speed. At the same time， they also showed strong ability to deal with TN， TP， NH4+-N and CODMn. In the pilot experiment， stereoscopic elastic filler combined with the ecological floating island and the aeration technology showed a good treatment effect. Comprehensive price factor， it is recommended to use a small amount of use in the case of priority to the use of string artificial plants， in the case of large use， can use stereoscopic elastic filler or combination of the two kinds artificial plants.

Key words： malodorous river； ecological restoration； artificial plants； biofilm； treatment effect

隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《城市黑臭水體整治工作指南》等一系列法規(guī)的頒布，黑臭河道治理引起高度重視。眾多技術(shù)中人工水草在黑臭河道原位生態(tài)修復(fù)中逐漸得到應(yīng)用[1]。人工水草作為載體，在處理污水時(shí)表層形成生物膜，該生物膜是由高密度好氧菌、兼性好氧菌、厭氧菌、原生動(dòng)物及藻類等組成的微觀A/O復(fù)合系統(tǒng)[2-4]。將人工水草置于污水中可供大量微生物附著，這些微生物將水中有機(jī)污染物進(jìn)行高效降解，從而修復(fù)污染水體。

20世紀(jì)80年代隨著人工水草材料的興起，各國(guó)對(duì)人工水草進(jìn)行了大量研究和工程應(yīng)用。中國(guó)人工水草黑臭河道治理仍處于起步階段[5]，對(duì)人工水草的應(yīng)用缺乏充分的工程數(shù)據(jù)，還需近一步了解和探究[1]。隨著人工水草新材料的不斷出現(xiàn)，采用耐酸堿、耐污、柔韌性很強(qiáng)的材料，不受透明度、光照等限制，具有投資低、效果好、二次污染小的特點(diǎn)[6]，逐漸應(yīng)用在城鎮(zhèn)污水和黑臭河治理等領(lǐng)域，如深圳市在對(duì)新州河的治理中，設(shè)置了200 m、停留時(shí)間6.5 h的柔性生物飄帶反應(yīng)區(qū)，水質(zhì)凈化效果明顯，CODMn、BOD5去除率都在90%以上[7]。經(jīng)過大量工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)對(duì)于流量越小的河流其凈化效果越好。

人工水草的核心作用在于生物膜，而其材料特性對(duì)生物膜起重要作用，故選擇適合的、經(jīng)濟(jì)的人工水草是該技術(shù)工程應(yīng)用成功的關(guān)鍵。本研究通過對(duì)市場(chǎng)上及廣州資源環(huán)保科技股份有限公司常用人工水草進(jìn)行掛膜、凈化黑臭河道河水效果試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)（NH4+-N、CODMn、TP、TN），經(jīng)過觀察及數(shù)據(jù)分析，篩選出處理效率高且經(jīng)濟(jì)的人工水草。對(duì)人工水草進(jìn)行優(yōu)選，從而為其在黑臭河道生態(tài)治理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

人工水草的材質(zhì)、比表面積、表面粗糙度、布水布?xì)夥绞?、機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境耐受性等因素對(duì)工藝的處理效果具有直接影響。工程選用人工水草時(shí)，要考慮材料的穩(wěn)定性、粗糙度、便于安裝維修和管理、成本低等因素[4]。結(jié)合目前研究及廣州資源環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竟こ虘?yīng)用現(xiàn)狀，選用細(xì)繩狀人工水草（φ100 mm）、組合填料（φ150 mm）、立體彈性填料（φ150 mm）及超細(xì)立體纖維填料（φ150 mm）作為研究對(duì)象，研究這4種人工水草對(duì)黑臭河水污染物的降解能力，篩選出最佳工程應(yīng)用類型。其中細(xì)繩狀人工水草掛膜快，使用壽命長(zhǎng)，適應(yīng)性強(qiáng)，布水布?xì)庑阅芰己茫锬じ氯菀?，運(yùn)行管理簡(jiǎn)便，處理效果顯著且無需耗能[6，8]。組合填料可使填料與有機(jī)物質(zhì)充分接觸，使微生物從表面向外擴(kuò)張，逐漸生長(zhǎng)，進(jìn)而形成更厚的生物膜，更加有效地進(jìn)行污水凈化[9]。立體彈性填料具有充氧性能好、耐高負(fù)荷沖擊、處理效果顯著、運(yùn)行管理簡(jiǎn)便、不堵塞、不結(jié)團(tuán)和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。超細(xì)立體纖維填料采用高分子中心繩和超細(xì)纖維絲條制成。占據(jù)水體空間大，具有巨大的附著表面積，遠(yuǎn)高于其他微生物載體，有極強(qiáng)的抗老化性；超細(xì)纖維之間具有很多微細(xì)的孔隙，形成毛細(xì)管構(gòu)造，具有高吸水性和極強(qiáng)的吸附能力，更有利于微生物的負(fù)載增殖。

1.2 方法

在廣州資源環(huán)?？萍脊煞萦邢薰净貥琼斖L(fēng)涼棚中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)用水采集于基地旁黑臭河道。人工水草來源于本公司各工程項(xiàng)目部采購(gòu)。試驗(yàn)分三部分展開，第一部分：5組試驗(yàn)水桶分別編號(hào)為0、1、2、3、4，其中0為空白對(duì)照組，1為細(xì)繩狀人工水草組，2為組合填料組、3為立體彈性填料組、4為超細(xì)立體纖維填料組。將每種20 cm長(zhǎng)試驗(yàn)材料各2段完全浸沒置于容積為20 L、水深30 cm的裝滿黑臭河水的塑料水桶中進(jìn)行掛膜試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，每天同時(shí)排出水桶上清液，并加入等量河道污水，保證水體中微生物得到足夠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和空氣進(jìn)行新陳代謝，觀察過程中生物膜的變化情況。第二部分：相同的水桶標(biāo)號(hào)與處理進(jìn)行為期20 d的水質(zhì)處理試驗(yàn)，定期用自來水補(bǔ)齊因采樣與蒸發(fā)帶來的水量損失并檢測(cè)各水質(zhì)指標(biāo)。第三部分：在某黑臭河涌修復(fù)工程中進(jìn)行中試試驗(yàn)，采用生態(tài)浮島、人工水草和曝氣充氧三種工藝組合，充分發(fā)揮各工藝優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一工藝不足（圖1）。了解特定人工填料在工程中的效果，每隔1～5 d取水樣，檢測(cè)水體污染物濃度變化。

試驗(yàn)用河道水質(zhì)指標(biāo)：pH 7.79，CODMn 226 mg/L，TP 2.32 mg/L，TN 39.48 mg/L，NH4+-N 21.39 mg/L。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)

第一部分、第二部分小試期間每3 d定期采集水樣，采用哈希便攜式水質(zhì)分析儀（DR1900）快速檢測(cè)CODMn、TN、TP、NH4+-N指標(biāo)。第三部分中試試驗(yàn)不定期每隔1～5 d取水樣，采用哈希便攜式水質(zhì)分析儀快速檢測(cè)黑臭河道重點(diǎn)污染指標(biāo)TP、NH4+-N。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工水草掛膜

生物膜形成是含有營(yíng)養(yǎng)物和微生物的污水在填料表面流動(dòng)，一段時(shí)間后微生物附著在填料表面、增殖和生長(zhǎng)，形成一層薄薄的生物膜。人工水草表面顏色由最初的無色變?yōu)榈S色直至成黃色絮狀物，最終變?yōu)辄S褐色[3，4]。結(jié)果顯示，0～2 d各試驗(yàn)組中人工水草表面均無變化；第3天細(xì)繩狀人工水草組表面開始出現(xiàn)少量氣泡；第4天超細(xì)立體纖維填料組、組合填料組和立體彈性填料組出現(xiàn)氣泡；第5天細(xì)繩狀人工水草組表面出現(xiàn)土黃色的絮絨狀生物膜，第7天立體彈性填料組表面出現(xiàn)半透明黃褐斑點(diǎn)，組合填料在第10天出現(xiàn)黃褐色斑塊，超細(xì)立體纖維填料組第13天出現(xiàn)灰黑色的生物膜。生物膜的生長(zhǎng)除與人工水草材料類型有關(guān)外，還與溫度、pH、溶解氧、水源水質(zhì)等外界因素有關(guān)系[3]。在相同環(huán)境條件下，該試驗(yàn)中各人工水草的掛膜速度順序?yàn)榧?xì)繩狀人工水草組﹥立體彈性填料組﹥組合填料組﹥超細(xì)立體纖維填料組，部分結(jié)果與楊紅艷[10]的研究結(jié)果較為一致。表1為各處理組掛膜成功天數(shù)。

2.2 水質(zhì)處理效果

由圖2可知，試驗(yàn)前期（0～7 d），各人工水草組中CODMn濃度的降低速度較空白組快，其原因在于CODMn主要是由生物膜上的光合細(xì)菌和枯草桿菌共同作用去除[3]。人工水草掛膜后，膜上微生物可大量吸附降解水體有機(jī)物，使CODMn濃度能短時(shí)間內(nèi)大幅降低[1，6]。同時(shí)，膜上微生物生長(zhǎng)、繁殖初期需要吸附降解水中的有機(jī)物[9]，也使水中的CODMn濃度呈現(xiàn)迅速下降的趨勢(shì)。隨后降低速度減緩，13 d后各試驗(yàn)組CODMn濃度水平均趨于穩(wěn)定，這與微生物種群生長(zhǎng)與消亡動(dòng)態(tài)過程趨于穩(wěn)定有關(guān)。試驗(yàn)期間各人工水草對(duì)CODMn處理效果與童敏等[3]的研究結(jié)果較近，其中細(xì)繩狀人工水草組CODMn去除率為76.06%，組合填料組的為65.78%，立體彈性填料組的為72.71%，超細(xì)立體纖維填料組的為62.56%，較空白組（55.16%）各多出20.90、10.63、17.55及7.41個(gè)百分點(diǎn)。人工水草CODMn去除效果為細(xì)繩狀人工水草組>立體彈性填料組>組合填料組>超細(xì)立體纖維填料組。

由圖3可知，試驗(yàn)期間各組TP濃度總體也呈逐漸降低趨勢(shì)，但降低幅度逐漸放緩。在試驗(yàn)前期，TP濃度都有大幅度下降，這可能是由于污水中一些雜質(zhì)顆粒攜帶大部分磷酸鹽離子沉積水底，導(dǎo)致TP濃度快速下降[9]。而人工水草對(duì)TP的去除主要依靠其截留及微生物分泌的胞外聚合物對(duì)膠體態(tài)磷的吸附作用[3]。人工水草上吸附的微生物和水中懸浮微生物分泌的胞外聚合物對(duì)膠體態(tài)磷的吸附作用對(duì)去除TP效果比較好。但隨著試驗(yàn)進(jìn)行，人工水草對(duì)水中磷的吸附逐漸達(dá)到飽和，對(duì)TP去除率逐漸下降[3，10]。同時(shí)試驗(yàn)前期各試驗(yàn)組生物膜的吸附作用及機(jī)械截留作用，可吸附溶解性磷及截留部分非溶解性磷，故較空白下降速度快，且具有一定持續(xù)作用[1]。不同類型人工水草具有不同生物膜生長(zhǎng)-脫離循環(huán)時(shí)間，影響著水體TP濃度變化。計(jì)算結(jié)果表明，空白組TP去除率為32.32%，細(xì)繩狀人工水草組為60.77%，組合填料組為53.45%，立體彈性填料組為63.36%，超細(xì)立體纖維填料組為50%；比較之下，生態(tài)水草組的TP去除率均高于空白組，且各組生態(tài)水草的TP去除效率為立體彈性填料組>細(xì)繩狀人工水草組>組合填料組>超細(xì)立體纖維填料組。生物除磷實(shí)質(zhì)上是聚磷菌等微生物在厭氧和好氧的交替過程中對(duì)磷進(jìn)行降解與吸收。試驗(yàn)期間TP濃度出現(xiàn)升高的原因可能是人工水草在掛膜期間截留和吸附了大量的磷，而水中缺乏聚磷菌等以磷為基質(zhì)的微生物，從而導(dǎo)致部分非溶解性磷重新釋放到水中；其次是空氣作用導(dǎo)致水體溶解氧濃度反復(fù)變化，進(jìn)而影響了磷的釋放和吸附過程[9]。

由圖4可知，各試驗(yàn)組的NH4+-N濃度總體呈下降趨勢(shì)，NH4+-N濃度不斷降低，這是由于人工水草生物膜上的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌優(yōu)勢(shì)逐漸形成，生物膜內(nèi)外形成缺氧層和好氧層，硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行，從而使NH4+-N濃度不斷降低[9]。結(jié)果顯示，空白組NH4+-N去除率為54.28%，細(xì)繩狀人工水草組為80.74%，組合填料組為65.78%，立體彈性填料組為78.26%，超細(xì)立體纖維填料組為64.42%；各試驗(yàn)組均較空白組的去除率高。各組NH4+-N去除效率為細(xì)繩狀人工水草組>立體彈性填料組>組合填料組>超細(xì)立體纖維填料組。試驗(yàn)期間NH4+-N濃度的回升可能與部分生物膜脫落有關(guān)，其導(dǎo)致水體NH4+-N濃度升高[1]。

由圖5可知，水體氮的去除主要依靠載體的吸附、過濾和沉淀作用、氮的揮發(fā)作用和微生物的硝化-反硝化作用[9]。生物膜上的微生物具有反硝化作用，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?，降低水體中的TN濃度。結(jié)果顯示，小試期間各試驗(yàn)組TN濃度均持續(xù)下降，其中空白組TN去除率為53.19%，細(xì)繩狀人工水草組為77.66%，組合填料組為69.30%，立體彈性填料組為75.58%，超細(xì)立體纖維填料組為70.06%；生態(tài)水草組的TN去除率均高于空白組15個(gè)百分點(diǎn)以上，各組人工水草TN去除效率為細(xì)繩狀人工水草組>立體彈性填料組>超細(xì)立體纖維填料組>組合填料組，表明這4類人工水草處理中微生物的生長(zhǎng)與作用存在差異，其中細(xì)繩狀人工水草組和立體彈性填料組表現(xiàn)較好。

總體而言，細(xì)繩狀人工水草組對(duì)CODMn、NH4+-N及TN的去除率最高，其次是立體彈性填料組；對(duì)TP去除效果最好的是立體彈性填料組，其次是細(xì)繩狀人工水草組。繩狀填料對(duì)各種污染物處理效果稍優(yōu)于立體彈性填料，這與其他研究結(jié)果一致[9]，但兩者處理能力間沒有顯著差異（P<0.01）。研究也表明，超細(xì)立體纖維人工水草對(duì)污水的去除效果最差，這與其他研究成果一致[7，10]。

2.3 人工水草工程中試效果

根據(jù)小試試驗(yàn)結(jié)果及價(jià)格因素，選擇立體彈性填料開展中試試驗(yàn)，研究表明，試驗(yàn)期間組合工藝對(duì)河涌水體污染物表現(xiàn)出了較好地去除效果，其中，TP去除率達(dá)73%，NH4+-N去除率更高達(dá)83%，立體彈性填料在工程應(yīng)用是可行性的。以上為小、中試結(jié)果，試驗(yàn)中各種條件比較理想，所得數(shù)據(jù)與實(shí)際工程應(yīng)用有一定出入，但仍能給工程應(yīng)用一定參考指導(dǎo)。此外，研究表明，在流動(dòng)水體中，隨著人工水草密度增大，緩流作用明顯增加，增加水力停留時(shí)間，利于對(duì)污染物的去除[11，12]，如需優(yōu)化填料數(shù)量與長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)還需進(jìn)一步開展中試試驗(yàn)使數(shù)據(jù)與實(shí)際更加相符。根據(jù)該研究考慮在黑臭河治理中綜合成本與效果因素，本公司優(yōu)先采用了立體彈性填料作為污水處理材料，取得良好的工程效果。

3 結(jié)論

1）在黑臭河水處理試驗(yàn)中細(xì)繩狀人工水草和立體彈性填料表現(xiàn)出了較快地掛膜速度。

2）細(xì)繩狀人工水草和立體彈性填料也表現(xiàn)出較強(qiáng)地對(duì)黑臭河水TN、TP、NH4+-N、CODMn處理能力。立體彈性填料結(jié)合生態(tài)浮島和曝氣工藝表現(xiàn)出較佳的污染物去除效率。

3）綜合上述兩種能力比較及價(jià)格成本因素，建議在成本可控、少量使用情況下優(yōu)先采用細(xì)繩狀人工水草，而在較大使用量超出成本預(yù)算情況下，可選擇使用立體彈性填料或其與細(xì)繩狀人工水草的組合。

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