城市黑臭水體治理中水生植物及微生物對水體凈化作用的試驗

趙 博，杜憲正

（中國城市建設研究院有限公司山東分院，濟南 250101）

黑臭水體治理關乎人民生活的獲得感與幸福感，目前，治理黑臭水體、改善河道水質的方法有很多，除了對污染河道的外源污染進行控源截污之外，針對河道內源污染，有包括物理方法、生態-生物法、生物膜技術以及水生植物凈化法等多種方式對河道水質進行原位修復。其中，生物膜技術是模擬土壤自凈過程發展而來的一種人工生物處理方法，已被廣泛應用于污水處理和水廠原水預處理中。近年來，生物膜技術用于修復污染河道成為研究熱點，在我國城市重污染河道修復方面已有相關研究和應用。

1 目的

針對發生黑臭的河道水體，除了透明度這一項直觀的數據外，結合歷年河道水質監測數據，筆者發現，一是河道中的氧化還原電位失衡，這是河道水質異常最直接的化學表現；二是河道中的溶解氧含量均不高，而溶解氧是衡量河流水質重要的綜合性指標，對河流水體自凈過程起著非常重要的作用；三是河道水質氨氮的含量，這一項指標與溶解氧含量直接掛鉤。水體中的氨氮在水中硝化細菌的作用下氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，完全氧化1 mg氨氮大約需要消耗4.6 mg溶解氧[1]。從這個角度來說，目前在發生黑臭的河道水體中，溶解氧水平與氨氮含量的關系已經失調。溶解氧是天然河流水體污染與否非常重要的一個因素，當水體中溶解氧低于4 mg/L時，就會引起魚類窒息死亡，對人類來說，飲用水源地水源水富含溶解氧，表明水質沒有受到污染，反之說明水體受有機物及還原物質的污染。因此，天然河流水體中溶解氧的高低是水體污染程度的重要指標，也是衡量水質的綜合指標。

河流水體的溶解氧主要來源于大氣復氧作用和水生植物的光合作用，其中大氣復氧起著主要作用[2]。水體的溶解氧主要消耗于底泥氧化、硝化反應、有機物降解、生化及生物合成等過程、水生生物和植物生長等。當耗氧過程的總耗氧量大于復氧總量時，水體的溶解氧水平會逐漸下降，直至消耗殆盡。而河水中溶解氧的缺乏是河道黑臭的根本原因，水體耗氧過程主要有以下幾方面。

1.1 有機物的氧化分解耗氧

有機物耗氧有兩個階段，第一階段碳化階段：好氧微生物參與分解有機物，碳化合物氧化生成二氧化碳和水，從而消耗天然水體中的溶解氧。第二階段為硝化階段：氮化合物氧化階段反應過程：NH4+→NO2-→NO3-，在厭氧微生物的作用下，有機氮氧化的最終產物是甲烷、硫化氫、氨，使水體發臭。

天然河流中的有機無毒物質，主要有碳氮化合物、蛋白質、脂肪等，這類物質的性質極不穩定，在有氧或缺氧的條件下，都能在微生物的作用下借助微生物的新陳代謝功能而被分解氧化成水、二氧化碳等穩定的無機物。

1.2 河流底泥耗氧

河流底泥耗氧是指河流水體底部的污泥內有機物質的耗氧，一般情況下，底泥耗氧量并不大，只占河流總耗氧量的1%左右。

1.3 水生植物夜間呼吸耗氧

天然河流水生植物，白天主要進行光合作用供氧，到了夜間光合作用減弱，水生植物主要進行呼吸作用消耗氧氣，將有機物轉化為二氧化碳和水。

當河道水體中的溶解氧不足時，水中的好氧分解停止，引起有機物的厭氧發酵，水體水質出現惡臭，毒害其他水生生物，水生態系統遭到嚴重破壞。因此，提高水體的溶解氧是黑臭水體修復中的一個根本原則。

2 原理

地面水接受污染物后，能恢復為原有的潔凈水質，這一過程稱為水體的自凈作用。自凈作用主要包括以下幾個過程：首先，污染物分子從污水的主體相傳遞到菌體表面；然后與菌體表面的黏多糖黏合，或與菌體表面的活性位點結合；最后，發生生物化學反應。因此，凡是能影響傳質、吸附穩定和生化反應的因素，都是影響水體自凈的因素，如溫度、流速、底物濃度等[3]。

含氮化合物在水體中轉化可分為兩個階段：第一個階段為含氮有機物如蛋白質、多肽、氨基酸和尿素轉化為無機氨氮，稱為氨化過程[4]。

第二階段是氨氮轉化為亞硝酸鹽與硝酸鹽，稱為硝化過程：

氨的氧化：

亞硝酸的氧化：

總方程式為：

3 試驗方案及結果

要想迅速提高河道水體中的溶解氧含量，通過曝氣機將大量氧氣充入水體進行曝氣復氧的方法對污染嚴重的水體具有明顯的作用，其具體表現在消除水體黑臭、降解有毒有害物質、增加水中的溶解氧、恢復生態平衡等方面。曝氣復氧作為一種投資少、見效快的河流治理措施，已在國內外污水治理工程中被大量應用，并取得滿意效果。

本次水質試驗的目的是在人工曝氣的基礎上探究河道中氨氮污染的特性，即在河道中溶解氧充足的條件下采用不同的試驗參數觀察河道水質的氨氮消解過程與效果。

研究期間共進行了4項試驗。一是河道表層水曝氣充氧試驗：取河道表層水，分別進行連續曝氣和間歇曝氣試驗，24 h后檢測水中氨氮含量。二是河道底泥與河水混合曝氣試驗：取河道表層水一桶（25 L），并取半桶底泥（底泥表觀黑色發臭，嚴重缺氧所致）；將泥水混合后取樣檢測氨氮含量，然后進行曝氣試驗24 h，曝氣完畢檢測上清液中氨氮含量，觀察氨氮的變化；實驗完畢后，底泥繼續進行曝氣激活。三是用已馴化的活性污泥及植物根際生物膜驗證氨氮降解效果，在試驗中，對河水樣品進行了三種處理：①號試驗槽加入經過兩天兩夜曝氣之后的河道底泥，②號試驗槽加入已馴化的活性污泥和水葫蘆，③號試驗槽只加入水葫蘆（表面附著生物膜），連續曝氣，24 h后檢測水中氨氮含量。四是已馴化的活性污泥和水葫蘆試驗組進行時間梯度試驗，以找出氨氮降解規律：對②號試驗槽重復試驗，每隔半小時取一次樣，檢測上清液中氨氮含量。具體試驗結果如下。

一是曝氣24 h后，河水水質明顯變清，出現少量絮狀沉淀，氨氮降解率為2.2%。分析：河道表層水較清，水中缺乏微生物附著的載體物質，經過曝氣反應后，水中SS（固體懸浮物）和藻類等固體物質被微生物附著，形成絮狀沉淀，水質變清，但由于水中微生物含量太少，因此對氨氮的降解效果不明顯。

二是曝氣24 h后，上清液中氨氮由開始的10.18 mg/L下降到9.10 mg/L，降解率為10.6%，相比于對河水直接曝氣來說，氨氮降解率升高。分析：河道底泥呈墨黑色，發臭，絮凝效果差，長期處于河道深處且厭氧狀態下，污泥活性差、微生物含量少，在人工曝氣增氧下，底泥中微生物利用氧對水中氨氮進行降解，但由于微生物含量較少，對水中氨氮等污染物的降解作用也有限，相較于對沒有底泥的河水曝氣，氨氮的降解率達到10.6%。這說明沒有底泥的水中微生物無法大量繁殖，單純的曝氣增氧對水中氨氮的降解作用一般，而底泥可以為水中微生物的生長提供載體，配合曝氣增氧措施可以激活底泥中的微生物，達到提高氨氮降解效率的效果。

三是原水中氨氮含量為11.43 mg/L，經過24 h的曝氣增氧試驗，結果顯示，加入已經曝氣激活兩天兩夜的河道底泥的①號試驗槽氨氮含量為9.3 mg/L，氨氮降解率為18.6%；加入水葫蘆和活性污泥的②號試驗槽氨氮含量為2.4 mg/L，氨氮降解率為79%；只加入水葫蘆的③號試驗槽氨氮6.4 mg/L，氨氮降解率為44%。分析：理論上來說，曝氣時間越長，河道底泥中溶氧增加，有利于底泥中微生物的生長，底泥具有的活性也就越強，最終對河道內氨氮降解效果越好。①號試驗槽中河道底泥經過兩天兩夜曝氣之后，部分污泥活性有所提高，曝氣增氧條件下氨氮降解率（18.6%）比之前直接取自河底的底泥（10.6%）要高；②號試驗槽中加入了已馴化的活性污泥和水葫蘆植物，兩者皆可作為微生物生存的載體，有利于微生物的生長繁殖，因此該組氨氮降解率高達79%，說明在完善的活性污泥系統中，河水中氨氮是可以降解達標的；③號試驗槽試驗結果說明水葫蘆表面的生物膜系統對水中氨氮降解有一定作用。

四是在開始曝氣30 min時，氨氮含量從11.43 mg/L降低到7.63 mg/L，降解率達到33.25%。之后的時間氨氮降解速度開始逐漸下降，在210 min時水中氨氮就已降到2 mg/L，達到《地表水環境標準》V類水標準，并在接下來的時間內保持在2 mg/L以下。分析：已馴化的活性污泥中，存在比較完善的微生物群體，在微生物群體新陳代謝功能的作用下，可以將水中氨氮等污染物降解。此外，水葫蘆等植物根部也生長著很多微生物，組成了生物膜，在曝氣增氧的作用下，這兩部分微生物共同作用，將水中氨氮降解為穩定的無機物質。本試驗數據顯示，短短210 min內，水中氨氮就從開始的11.43 mg/L減少到1.72mg/L，降解率達到84.95%，說明在完善的活性污泥系統中，人工曝氣增氧措施對水中氨氮降解率很高，而且降解速度很快。

4 結論

試驗結果表明，人工曝氣增氧對河水中的SS等固體物質有一定的促進絮凝沉淀作用，有利于提高水體透明度。人工曝氣增氧可以激活河道底泥，使底泥擺脫厭氧環境，有利于微生物的附著生長，進而促進水中有機污染物質和氨氮的降解。加水葫蘆試驗結果說明，水體中的沉水植物和挺水植物可以成為微生物生長的載體，促進生物膜的形成，從而達到降解水中氨氮的效果。

綜上所述，在城市黑臭水體整治中，水生植物及水中微生物在人工曝氣增氧的措施下可以加快城市黑臭水體中氨氮的降解，改善底泥環境，促進水質提升。這對于河道水質中增加溶解氧，同時消解水中氨氮含量具有積極意義。黑臭水體整治需要堅持長治久清的原則，絕不是一朝一夕能夠輕易實現。同時，黑臭水體整治是一項系統的工作，長治久清的實現需要各個環節的努力，包括內源污染及點源、面源污染的共同治理，這樣才能實現這一為民利民的偉大功績。