MABR與微生物菌劑聯用治理小型黑臭河道的效果

楊玥，鐘惠舟

1.中交廣州航道局有限公司，中交廣航生態環保工程分公司 2.廣東省環境科學研究院 3.廣東環科院環境科技有限公司

膜曝氣生物膜反應器(membrane aeration biofilm reactor，MABR)是一種有機融合了氣體分離膜技術和生物膜技術的新型水處理技術，其處理對象廣泛，包括工業廢水和河道等[1-5]。MABR利用中空纖維曝氣膜作為微生物附著載體，并為生物膜及水體曝氣充氧。污水在生物膜周圍流動時，水體中的污染物在濃差驅動和微生物吸附等作用下進入生物膜內并被微生物利用，使水體中的污染物同化為微生物菌體固定在生物膜上或分解成無機代謝產物，達到去除污染物的效果。在水污染治理中也經常使用微生物菌劑[6]。微生物菌劑是通過菌群構建等方法得到的具有特殊功能的復合制劑，一般包含光合細菌類、乳酸菌類、放線菌類、酵母菌類等多類型微生物，其所用菌種可以是從自然界或處理系統中篩選出的高效菌種，也可以是經過處理的變異菌種或遺傳工程構建的菌株。

黑臭河道治理是一項復雜的系統工程，根據污染來源和治理要求對各種單項技術進行優化篩選并系統集成，已成為國內外河道治理的主流思想和發展趨勢，并在實際治理工程中得到體現。相比單一技術，采用不同技術組合對黑臭河道的修復效果均有不同程度的提升[7]。但在實際工程應用中，根據單項技術優化篩選并系統集成的復合技術，其實際治理效果與實驗室研究會存在一定差距，實際治理的規模較大、河道來水常常變動、水質影響因素較多，相同的復合技術在不同河道的實際工程應用中可能會出現不同的治理效果。復合技術的實際治理效果直接影響后續水質長效保持、水生態恢復等的技術選擇與系統構建，因此，選擇合適的復合技術并對復合技術的工程實際治理效果進行分析，是現階段黑臭河道治理工程技術應用的發展趨勢。筆者將MABR和微生物菌劑技術聯用，形成復合微生物技術，并直接應用于小型黑臭河道原位治理，以期達到消除河道黑臭，明確該復合技術對小型黑臭河道實際治理效果的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗河道

試驗河道為廣州市某河涌。該涌為人工調控河道，下游與湖聯通，河道與湖之間建有水閘，水閘南側修建了補水泵站和排澇泵站。該涌長度約為1 100 m，寬度為4～20 m，平均水深為1.0 m，有一支涌長度約為600 m，寬度為3～12 m，平均水深為0.8 m。由于主涌上游段與支涌的直排污水量較大，為4 400～6 600 m3/d，已在河道支涌匯入口及上游位置分別建攔截沙壩，將主涌上游段與支涌的直排污水引入市政污水管網。攔截沙壩建成后，每日排入河道的污水主要為河道兩岸不間斷的零星直排污水(200～400 m3/d)和下游暗管污水(100～300 m3/d)，試驗過程中水深維持在0.8～1.5 m。

1.2 試驗材料

MABR包括曝氣膜組件和生物膜，去除污染物的主要功能層是附著生長在曝氣膜表面的生物膜。中空纖維膜的比表面積高達5 108 m2/m，為微生物提供了充足的附著面積，提高了單位體積微生物濃度和處理能力，增強了MABR耐沖擊負荷能力。膜組件來自天津海之凰科技有限公司，將膜組件安裝于河道內，布設供氣管道并安裝配套風機設備，以保證膜系統氧的供應。膜組件技術參數如表1所示。

表1 膜組件技術參數Table 1 Technical parameters of membrane component

布設處理設施的河段總長度約為900 m，河道寬度為5～12 m。每隔一定距離鋪設膜組件(圖1)，共鋪設2 400個，配套1套氣管和2臺鼓風機，24 h不間斷曝氣(一用一備，交替運行)，鼓風機每臺功率為5.5 kW，氣量為2.5 m3/min。MABR采用無泡曝氣，氧直接以分子狀態擴散進入生物膜，傳質效率高，生物膜活性高且不受氣泡摩擦，不易脫落，可減少污泥產量[8]，適合黑臭河道的水質改善與修復。

圖1 膜組件河道布設示意Fig.1 Layout of membrane component in river bed

為精確探求復合微生物技術對河道水質的實際修復效果，需盡可能減少底泥對上覆水體的影響，因此投加微生物菌劑以減少甚至抑制底泥中污染物向上覆水體的釋放[9]。微生物菌劑修復底泥屬于原位修復技術，其本質是利用微生物對污染物的分解、降解、礦化、富集、吸附及吸收轉化等功能，消除底泥中污染物并抑制其進入上覆水體。微生物菌劑來自四川清和科技有限公司，是一種工程菌固化顆粒，主要成分為特異性光合細菌。該工程菌顆粒由濃縮干燥的工程菌與天然礦石粉吸附混合后低溫造粒而成，含菌量不小于30億個/g，可沉降到河底，對黑臭水體底泥進行修復。微生物菌劑投放量按200～500 kg/(hm2·a)估算，共投放約12 t，投放范圍與膜組件布設的河道范圍一致，膜組件安裝時同步投放微生物菌劑。

1.3 采樣及檢測方法

水樣直接從試驗河道采集，按水流動的方向設置4個采樣點(圖1)，各采樣點與試驗段起始距離分別為240、560、720和900 m。MABR設備安裝和投加微生物菌劑均完成后即進入調試運行期，待設備調試完成且處理效果穩定后，則進入穩定運行期。調試運行期每天采樣1次，持續61 d，共采集244個水樣；穩定運行期每周采樣1次，持續6周，共采集24個水樣。

水質檢測指標參考《城市黑臭水體整治工作指南》，檢測水體透明度、DO濃度、COD、氨氮濃度和ORP共5個指標，采用《水和廢水監測分析方法》中的檢測方法對指標進行測定。采用SPSS 19.0軟件對各指標的相關性進行分析。

2 結果與討論

2.1 河道水質情況

試驗開始前檢測試驗河道段水質，結果見表2。

表2 治理前河道水質Table 2 Water quality before treatment

2.2 調試運行期水質變化

透明度是反映太陽光線在水中透射深度的重要指標，提高水體透明度有助于水生植物和部分微生物生長[10]。圖2為系統調試運行期水體透明度。從圖2可以看出，系統開始運行后，水體透明度上升，水質開始改善，最高可達120 cm。隨著生物膜開始掛膜、河道中的藻類開始繁殖，水體透明度降至60～100 cm。調試運行期最后7 d，試驗河道段的透明度為(76.9±16.3)cm，比試驗前提高約42 cm。

圖2 調試運行期水體透明度Fig.2 Water transparency during commissioning

ORP可衡量水體宏觀氧化-還原性，ORP越高，氧化性越強，反之越弱。圖3為系統調試運行期水體ORP。從圖3可以看出，系統開始運行后，ORP迅速上升，說明隨著不斷對水體進行曝氣，水體的氧化性上升，ORP最高可達245 mV；運行第16天時ORP開始下降；第16～54天，監測到系統ORP來回波動，表明水體氧化環境變化較劇烈，這是由于ORP受到了水體混合、污染物入河和生物膜降解等因素的影響，在系統運行后期有所緩解。調試運行期最后7 d，ORP為(116±8)mV，與試驗前相比提高了41 mV。

圖3 調試運行期ORPFig.3 ORP during commissioning

圖4為系統調試運行期DO濃度。從圖4可以看出，曝氣會增加水體DO濃度，系統運行初期，DO濃度表現出明顯增加的趨勢。隨著生物膜慢慢形成，曝氣帶來的氧開始被微生物利用，水體中的DO濃度開始降低。由于DO受微生物降解活動和曝氣的影響較大，各采樣點的DO濃度在調試運行期均呈波動變化趨勢，采樣點1～采樣點4的DO濃度分別為2.2～5.6、3.5～9.6、2.2～10.6和0.4～10.6 mg/L。調試運行后期，各采樣點DO濃度波動趨勢變緩，這是由于微生物降解需要消耗大量的氧，當有機物濃度降到一定程度時，系統耗氧量也會減少，持續曝氣，河道水體中的DO濃度將會有一定程度的上升并維持在一定范圍內，說明掛膜成功，且生物膜對各污染物的去除狀態也趨于穩定，此時可視為系統調試運行完成。在調試運行期最后7 d，DO濃度為(4.4±0.2)mg/L，比試驗前提高了3.2 mg/L。

圖4 調試運行期DO濃度Fig.4 DO concentrations during commissioning

MABR生物膜屬于異向傳質，從生物膜兩側獲得氧和底物，DO濃度從里到外逐步降低，好氧微生物富集在生物膜/曝氣膜界面，在靠近載體膜一側的生物膜內層DO濃度最高而有機物濃度最低，這種微環境有利于硝化菌的生長，硝化反應的進行[8,11]。氨氮和COD是表征水質的重要指標，系統調試運行期水體氨氮濃度和COD的變化如圖5所示。從圖5可以看出，在生物膜降解的作用下，系統開始運行后，氨氮濃度和COD與試驗前相比均有下降。由于始終有零散污水入河，氨氮濃度和COD常出現波動，在調試運行后期仍有波動，氨氮濃度為3.49～15.40 mg/L，COD為15.0～68.2 mg/L。調試運行期最后7 d，試驗段河道氨氮濃度和COD分別為(11.1±2.0)和(32.6±8.2)mg/L，去除率分別為30.6%和59.3%。

圖5 調試運行期氨氮濃度及COD變化Fig.5 Variation of anmonia nitrogen concentration and COD during commissioning

2.3 降水期間河道水質變化

降水時初期雨水及部分上游溢流污水會引起河道水量變大、污染物增多，影響水體水質，對系統造成沖擊。調試運行期間偶有小雨，水質波動較小，第32天的中雨和第34天的暴雨引起了河道水質的較大變動，降水期間及降水后7 d的河道水質變化見圖6。

圖6 降水期間河道水質Fig.6 River water quality during heavy rains

從圖6可以看出，由于持續曝氣，降水期間及降水后7 d，DO濃度一直維持在較高水平，最低為(4.18±0.38)mg/L，最高為(7.30±1.76)mg/L。水體透明度在降水后第2天降至最低，為(51.25±17.02)cm，在第4天增至最高，為(79.00±22.38)cm。ORP在降水后第3天降至最低，為(78.00±2.45)mV，在第7天升至最高，為(110.00±9.93)mV。氨氮濃度和COD則在暴雨后第1天升至最高，分別為(13.80±5.67)和(77.93±15.20)mg/L，在降水后第7天均降至最低，為(9.75±4.31)和(15.22±6.03)mg/L。

降水停止后水體不再劇烈攪動，透明度相對回升較快。氨氮濃度和COD在暴雨后出現大幅度反彈，接近試驗前水質，表明水質受到降水影響，ORP也隨之降低。氨氮濃度和COD在降水后第7天降至最低，ORP回升至最高，表明受到初期降水、大量河水沖刷影響的生物膜在合適條件下經過一段時間能自行恢復并持續運行，系統在降水期間具有一定的抗沖擊能力[12]：系統經30 d調試后生物膜已完成掛膜，降水會沖走部分微生物，但是在膜表面附著的微生物保留了下來，降水過后膜表面殘留的微生物在持續曝氣下能快速增殖，實現生物膜的自我恢復和對污染物的持續去除。

2.4 調試運行期各指標相關性

由于微生物附著在中空膜組件上生長，水力停留時間(HRT)和生物固體停留時間(SRT)可實現獨立控制，污泥齡較長，便于生長富集世代時間較長、增殖速度較慢的微生物，如硝化菌等，有利于對污水進行深度處理，提高污染物去除效果。為探討系統運行過程中各水質指標的相互影響，對DO、ORP、氨氮和COD進行Pearson相關性分析，結果如表3所示。

表3 各指標的Pearson相關性矩陣Table 3 Pearson correlation matrix of each indicator

從表3可以看出，DO和ORP有良好的相關性(P<0.01)，水中DO濃度上升能改善水體氧化還原環境，ORP隨著DO濃度的升高而增大，這與汪慧貞等[13]的研究結果一致。

DO濃度能影響脫氮系統中好氧硝化菌和厭氧反硝化菌的活性，從而制約系統脫氮效果[14-15]。從MABR異向傳質特性可以推測生物膜內層氧濃度較高，有利于硝化作用[16]；但也有研究表明，DO濃度過高會抑制MABR的反硝化作用[17]。本試驗DO和氨氮濃度呈負相關(P<0.05)，說明隨著DO濃度升高，氨氮在好氧環境中發生硝化反應，其濃度呈下降趨勢，表明DO濃度對系統微生物去除氨氮有一定影響。

DO濃度也會影響生物膜對有機物的去除效果[18-19]。系統開始調試運行后，DO濃度隨之上升，DO的增加促進了生物膜的形成及好氧代謝，此時COD開始下降。系統調試運行期間，隨著氧被微生物不斷利用，DO濃度由前期的上升轉向中后期的下降，COD則呈波動趨勢。系統調試運行后期，系統趨于穩定，由于一直維持曝氣，DO濃度已經不再是微生物降解有機物的主要控制因素，COD去除主要受微生物代謝活動影響。因此，DO和COD之間并未呈現良好的相關性。

COD與ORP呈良好的正相關性(P<0.01)，這與COD是電子供體有關[20]。微生物好氧代謝時，COD作為電子供體供給環境中分子態氧，電子受體結合氨氮形成硝酸鹽和亞硝酸鹽，分子態氧被轉化，導致ORP降低。

2.4 系統運行效果

系統經調試運行，提高了河道的水體透明度、ORP和DO濃度，對COD和氨氮有一定程度的削減。為分析河道水質的最終修復效果，對穩定運行期的水質指標進行檢測，結果如表4所示。

表4 治理后水質Table 4 Water quality after treatment

由表4可見，與試驗前的河道水質相比，透明度、ORP和DO濃度分別提高了157%、57%和308%，氨氮濃度和COD則分別降低了65.0%和71.4%。經復合微生物技術治理后的河道，各水質指標均達到《城市黑臭水體整治工作指南》中無黑臭要求，河道黑臭消除，水質得到改善。有研究表明[21-22]，微生物技術還可與植物技術聯合使用，對黑臭河道進行修復，且得到了較好的修復效果，因此下一步可考慮將植物與復合微生物技術集成為系統原位修復技術，探究其在實際工程中對水質的提升效果。

3 結論與展望

為消除河道黑臭，提出了膜曝氣生物膜反應器和微生物菌劑聯用的復合微生物技術。該技術經調試運行后能穩定運行較長時間，且具有一定的抗沖擊能力，在實際治理過程中能提高黑臭河道的水體透明度、ORP和DO濃度，對COD和氨氮也有一定程度的削減。與治理前的河道水質相比，水體透明度、ORP和DO濃度分別提高了157%、57%和308%，氨氮濃度和COD分別削減了65.0%和71.4%。治理后水質指標均達到《城市黑臭水體整治工作指南》中無黑臭要求，消除了河道黑臭，水質得到改善。

由于《城市黑臭水體整治工作指南》中的無黑臭與GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準相比仍有差距，在本試驗中雖然消除了河道黑臭，但經治理后河道氨氮濃度超出GB 3838—2002 Ⅴ類標準1.8倍，造成了即使消除黑臭，河道仍是劣Ⅴ類水體的治理困境。消除黑臭僅僅只是城市水體治理的開始，還需要通過系統化、生態化、智慧化的綜合治理，達到提高水質至水功能區劃目標，以及保障水安全、改善水環境、恢復水生態、發展水景觀等目標。