生物載體對(duì)污染物削減效果的應(yīng)用研究

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430070)

生物載體是微生物的棲息場(chǎng)所，生物膜的載體，其具有較大的比表面積，能夠?yàn)槲⑸锾峁┥L(zhǎng)、繁殖空間，還能富集微生物，并對(duì)氣、水進(jìn)行再分布，從而提高污染物去除效果。生物載體的種類(lèi)繁多，不同載體的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能等直接影響著水生態(tài)修復(fù)效果。

城市污染河湖普遍存在透明度低、高懸浮物以及低溶解氧等問(wèn)題，使得水生動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制，而生物載體具有不受水體懸浮雜質(zhì)及透明度等因素限制的特點(diǎn)[1]，不影響微生物附著，從而提高對(duì)污染物的削減效果。國(guó)外對(duì)河湖生物載體相關(guān)技術(shù)的研究較早，且相關(guān)技術(shù)已逐漸成熟。20世紀(jì)80年代，隨著河湖生物載體的興起，各國(guó)科學(xué)家對(duì)河湖生物載體進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用[2]。我國(guó)對(duì)生物載體在河湖治理中的應(yīng)用研究還處于起步階段，根據(jù)國(guó)內(nèi)水環(huán)境治理的發(fā)展方向，生物載體在國(guó)內(nèi)水生態(tài)修復(fù)市場(chǎng)大有可為。

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的河湖生物載體有碳纖維人工水草、生物飄帶、繩狀人工水草、生物飄帶等。為了摸清河湖生物載體的結(jié)構(gòu)材質(zhì)及去污效率，本文選取了水生態(tài)修復(fù)工程中較為常用的9種生物載體，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，分析每種生物載體的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能、安裝方式，并通過(guò)試驗(yàn)研究生物載體對(duì)污染物的去除效果，對(duì)于指導(dǎo)水生態(tài)修復(fù)工程生物載體選型具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 生物載體結(jié)構(gòu)性狀分析

調(diào)研和試驗(yàn)中的生物載體包括工程中應(yīng)用較多的傳統(tǒng)生物載體(包括組合填料和彈性填料)、繩狀人工水草、碳纖維水草、生物簾、生物飄帶。

傳統(tǒng)生物載體于70年代中期出現(xiàn)，目前用的組合填料和彈性填料是在過(guò)去的基礎(chǔ)上進(jìn)行耐久性、親水性改良的產(chǎn)品。組合填料以聚乙烯塑料環(huán)為依托作為骨架，將維綸絲緊固在塑料環(huán)上，在污水中使絲束分散均勻。彈性填料篩選了聚烯烴類(lèi)和聚酰胺中的幾種耐腐蝕、耐高溫、耐老化的優(yōu)質(zhì)品種，混合以親水、吸附、抗熱氧等助劑，采用特殊的控絲、絲條制毛工藝，將絲條穿插固著在耐腐、高強(qiáng)度的中心繩上，使絲條呈現(xiàn)立體均勻的排列輻射狀態(tài)。具體形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)生物載體

繩狀人工水草90年代應(yīng)用于日本一些河流的治理中，種類(lèi)較多，本文選取了比較有代表性的4種繩狀人工水草，分別是繩狀人工水草1、繩狀人工水草2、繩狀人工水草3、繩狀人工水草4，其中繩狀人工水草2和3來(lái)自同一供應(yīng)商。繩狀人工水草1是專(zhuān)門(mén)用于污染河道、池塘、湖泊中的仿水草辮簾式生物載體，由一根中心繩周邊均勻分布傳統(tǒng)軟性材料(材質(zhì)為滌綸超細(xì)纖維)組成，優(yōu)點(diǎn)是親水性較好，缺點(diǎn)是布水布?xì)庑阅茌^差，價(jià)格相對(duì)其他繩狀人工水草較便宜。繩狀人工水草2在編織時(shí)由三向起圈組成，擴(kuò)大了內(nèi)部空間。填料毛圈采用帶毛羽的化纖絲復(fù)合而成，且在編織層和襯芯之間植入防滑條，解決編織層與襯芯的滑脫現(xiàn)象，增加了填料的表面積和空隙的穩(wěn)定性；繩狀人工水草3由較粗的泡沫中心柱和其上短細(xì)的軟性材料(材質(zhì)為納米纖維)組成。繩狀人工水草4采用彈性材料(材質(zhì)為改性PE)和軟性材料(材質(zhì)為滌綸超細(xì)纖維)混織方式，走線采用蛇行方式，彈性材料的加入增加了對(duì)氣泡的切割效果，布?xì)庑阅茌^好。具體編織效果見(jiàn)圖2。

圖2 繩狀人工水草

碳纖維水草的應(yīng)用最初出現(xiàn)在90年代的日本河湖工程中，是由24000根單根直徑7μm的碳纖維構(gòu)成一束纖維碳素纖維經(jīng)過(guò)編制后的生態(tài)草(見(jiàn)圖3)，具有極好的親水性和生物親和性，微生物的附著量大，不易脫落，并且附著的微生物活性高，是凈化受污染水域、修復(fù)水環(huán)境生態(tài)的優(yōu)良選擇，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零負(fù)荷與完全的生物安全。

生物簾是近幾年由國(guó)內(nèi)環(huán)保工作人員研發(fā)出來(lái)的新產(chǎn)品。生物簾由多根短細(xì)繩狀人工水草(材質(zhì)為聚酯纖維)并聯(lián)成片狀結(jié)構(gòu)，因其較大的比表面積從而能夠保有高密度的菌體，提高水處理效率；蓬松發(fā)散的特殊構(gòu)造，使得不同種屬的菌落得到合適的生長(zhǎng)環(huán)境，見(jiàn)圖4。

圖3 碳纖維水草

圖4 生物簾

生物飄帶(見(jiàn)圖5)主要由編織層(PP聚丙烯或者PE聚乙烯)和泡沫層組成。其中編織層可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置纖維的疏密程度，使其表面形成藻菌共生的微生物體系。泡沫層位于兩層編織層的中間，通過(guò)特殊的處理使其與編織層緊密貼合在一起，使水草型生態(tài)基在水流中保持漂浮狀態(tài)。生態(tài)基的上部切割成條帶狀，形成仿生水草形態(tài)，有利于生物膜與水流的接觸，底部縫制成套筒，其中裝入砂石重物，使其穩(wěn)定地放置在水體的底部。

圖5 生物飄帶

2 生物載體在模擬受污染河湖環(huán)境下的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

為了盡量模擬生物載體在河湖中的應(yīng)用場(chǎng)景，試驗(yàn)前采集了市政污泥作為底泥，排污口污水作為模擬河湖污水，每只水桶鋪15cm厚度的底泥，然后加相同的模擬污水至120L刻度線，盡可能使污泥和模擬河湖污水均勻分配到每只水桶里，保證50cm長(zhǎng)度生物填料能浸沒(méi)入模擬河湖污水中，試驗(yàn)用150LPVC水桶進(jìn)行試驗(yàn)。水質(zhì)分析指標(biāo)包括pH值、COD、總氮、總磷、銨態(tài)氮，測(cè)試儀器為紫外分光光度計(jì)。試驗(yàn)于2019年5月13日在公司頂樓進(jìn)行，周期為33天，試驗(yàn)過(guò)程中，隨著桶內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度逐漸降低，補(bǔ)給2次營(yíng)養(yǎng)液母液，試驗(yàn)第13天每只桶內(nèi)加入400mL營(yíng)養(yǎng)液，試驗(yàn)第19天每只桶內(nèi)加入300mL營(yíng)養(yǎng)液(COD濃度為22600mg/L)。

試驗(yàn)布置見(jiàn)圖6，依據(jù)不同生物載體的結(jié)構(gòu)形式分3類(lèi)布置。

圖6 不同生物載體的安裝布置方式(單位：mm)

設(shè)置試驗(yàn)處理編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)處理組編號(hào)

2.2 生物載體處理組對(duì)污染物去除效果分析

由圖7可知，各生物載體處理組(以下某種生物載體處理組統(tǒng)一省略為某種生物載體)總氮、總磷、COD的全過(guò)程均值普遍較初始值大，僅氨氮全過(guò)程平均濃度相對(duì)初始濃度有降低趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，不同生物載體去除總氮時(shí)，彈性填料和生物簾效果最好，均值小于初值，且分別較初值降低17.90%和16.29%。其次是對(duì)照組1，繩狀人工水草2和繩狀人工水草3其均值較初始值濃度僅分別提高2.34%、3.16%和3.34%，組合填料、繩狀人工水草4、生物飄帶和碳纖維水草效果差距不大，效果相對(duì)較差的是繩狀人工水草1，全過(guò)程總氮均值較初始值高35.35%。

圖7 生物載體各處理組4個(gè)污染指標(biāo)初始濃度VS全過(guò)程平均濃度

全過(guò)程總磷去除效果中，生物簾和繩狀人工水草2對(duì)總磷的去除效果較好，全過(guò)程均值較初始值分別降低2.49%和18.67%，其次是繩狀人工水草3，全過(guò)程均值較初值上升2.89%，再次是組合填料、繩狀人工水草1，升幅分別是17.20%和19.91%，生物飄帶和碳纖維水草效果相當(dāng)，總磷均值較初始值降幅分別是34.40%和30.08%，效果較差的是彈性填料和繩狀人工水草4，升幅分別是78.25%和91.22%。

各生物載體處理組全過(guò)程均值普遍比初始值高，對(duì)COD去除效果較好的是繩狀人工水草2、繩狀人工水草3、繩狀人工水草4，均值較初始值漲幅分別是61.78%、57.08%和49.69%，其次是繩狀人工水草1、生物飄帶、碳纖維水草、生物簾，漲幅分別是122.11%、149.00%、127.81%和162.37%，效果較差的是對(duì)照組、組合填料和彈性填料，均值較初值漲幅分別是433.53%、302.03%和632.43%。

相比于各生物載體處理組對(duì)總氮、總磷及COD的去除情況，生物載體對(duì)氨氮的去除效果最好，全過(guò)程氨氮濃度均值較初始值有了一定的降幅，其中，對(duì)照組、生物簾、生物飄帶、繩狀人工水草2降幅最大，分別達(dá)到59.58%、52.58%和52.59%、50%，其次是繩狀人工水草3、繩狀人工水草4、彈性填料和組合填料，降幅分別是43.66%、38.09%、31.67%和28.37%，效果較差的是碳纖維水草和繩狀人工水草1，降幅分別是19.63%和0.88%。

2.3 生物載體對(duì)污染物綜合去除效果分析

將每種生物載體對(duì)4個(gè)指標(biāo)(總氮、總磷、COD、氨氮)去除效果進(jìn)行排名加和并除以4得到每種生物載體對(duì)污染物去除的綜合排名，見(jiàn)圖8。

圖8 生物載體處理組對(duì)污染物去除綜合平均排名

從圖8可以看出，對(duì)污染物的去除效果排名前3的生物載體依次是繩狀人工水草2、生物簾、繩狀人工水草3，對(duì)照組由于較多藻類(lèi)的混入，排名也較前，其次是生物飄帶、繩狀人工水草4及碳纖維水草，效果較差的是彈性填料、組合填料和繩狀人工水草1。從水質(zhì)分析(總氮、總磷、COD、氨氮)角度來(lái)看，繩狀人工水草和生物簾對(duì)污染物的去除效果較好，而4種繩狀人工水草由于結(jié)構(gòu)材質(zhì)的差異，最終對(duì)污染物削減效果差異顯著，這與安恩方[3]的研究結(jié)論相符合，其研究了一定工況條件下繩狀人工水草、組合填料、彈性填料對(duì)污染物的去除效果，發(fā)現(xiàn)繩狀人工水草對(duì)污染物的去除效果最好。

圖9 試驗(yàn)結(jié)束生物載體掛膜效果

第33天觀察各生物載體掛膜效果，其中碳纖維水草、生物簾、繩狀人工水草2這3種材料掛膜效果最好，材質(zhì)上來(lái)看，碳纖維水草[4]和生物簾生物親和性較好。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，碳纖維水草沿中心繩一縷一縷地布置，生物簾由多根細(xì)長(zhǎng)生物繩并列而成，布水布?xì)庑阅茌^好，故掛膜效果較好；繩狀人工水草2與其他水草結(jié)構(gòu)存在較明顯差異，其沿著中心繩布置的三向起圈組成擴(kuò)大了內(nèi)部空間，布水布?xì)庑Ч鰪?qiáng)，填料毛圈采用帶毛羽增加了材料的親水親生物性能，使得其表面積雖不大，但是卻有較好的掛膜去污效果。

組合填料在軟性材料部分(維綸絲)有較好的掛膜效果，但是整體掛膜效果較差，彈性材料整體掛膜均勻，但是由于絲條親水性生物親和性較差，單根絲條上掛膜量少，使得總體掛膜量較少；生物飄帶比表面積較小，可能由于生物親和性較差，其表面掛膜量少且分布不均勻；繩狀人工水草1和繩狀人工水草4軟性材質(zhì)相似，不同的是繩狀人工水草4在軟性材料中增加了立體彈性材料，使軟性材料可在水質(zhì)均勻布置，且彈性材料由于質(zhì)硬且有切割氣泡的作用，總體上這兩種繩狀人工水草由于主體軟性材料生物親和性較差，導(dǎo)致掛膜效果較差，但是繩狀人工水草4由于彈性材料增養(yǎng)布?xì)猓鋵?duì)污染物的削減效果好于繩狀人工水草1，各生物載體掛膜效果見(jiàn)圖9。

3 結(jié)果和討論

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)河湖用生物載體質(zhì)量良莠不齊，在河湖生物載體應(yīng)用領(lǐng)域目前還未出臺(tái)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)河湖水生態(tài)治理中主要用到的生物載體有4類(lèi)，繩狀人工水草由于性?xún)r(jià)比好，因此應(yīng)用廣泛；碳纖維水草對(duì)河湖的生態(tài)治理效果較好，但是價(jià)格較高，整體性?xún)r(jià)比較低；生物飄帶也應(yīng)用在廣州市大金鐘湖、武漢塔子湖、鄭州鄭東新區(qū)CBD會(huì)展中心湖等[1]湖中；相比較前3種生物載體，生物簾的應(yīng)用僅兩年時(shí)間，是生物飄帶與繩狀人工水草結(jié)合而成的產(chǎn)物，其性?xún)r(jià)比較生物飄帶高。

試驗(yàn)水質(zhì)分析結(jié)果與實(shí)際生物載體掛膜效果基本吻合，生物簾和繩狀人工水草2不論是在污染物削減，還是在掛膜程度上都顯示出很好的效果，但也存在一定的差別，碳纖維水草材料親水性、生物親和性遠(yuǎn)超其他生物載體，觀察試驗(yàn)掛膜效果也很好，但是水質(zhì)分析結(jié)果顯示其對(duì)污染物的削減效果一般，分析原因，可能是相對(duì)于其他生物載體，碳纖維水草數(shù)量較少，因?yàn)橥瑯邮?0cm，生物飄帶和繩狀人工水草全部長(zhǎng)度范圍都能利用起來(lái)掛膜，而碳纖維水草由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)只利用了其長(zhǎng)度的50%。另外，水質(zhì)分析結(jié)果顯示空白對(duì)照組對(duì)污染物的削減效果好于部分繩狀人工水草、彈性填料、組合填料、生物飄帶、碳纖維水草等，可能是由于初期分泥不均勻?qū)е驴瞻讓?duì)照組中藻類(lèi)較多，研究表明藻類(lèi)對(duì)污染物的去除有一定效果[5]。

本試驗(yàn)顯示的結(jié)果與部分供應(yīng)商提供的生物載體試驗(yàn)參數(shù)差距較大，所以建議在工程中若需要大規(guī)模使用生物載體時(shí)，有必要先進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其效果，以免出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)效果與設(shè)計(jì)不符的情況。