改良型人工浮島處理小微黑臭水體的實驗研究

張琪 石子豪 王超 龍曉宇 李莉

（漢江師范學院化學與環境工程學院 湖北十堰 442000）

在城鎮化和工業化發展進程中，許多大量未經處理或未完全處理的工業廢水和生活污水直接或間接排入河道，導致河道污染、水質下降，水體自凈能力減弱，從而造成缺氧和富營養化，最后形成黑臭水體。經過近10 年的治理，我國大部分的黑臭水體得到了有效的治理，水質情況得到極大的改善。

國內黑臭水體治理工作還有很多只停留在河道干支流水系規劃的基礎上，未在規劃法定圖上的小微水體則面臨嚴峻的環境挑戰，沒有受到足夠的重視［1］。通過調研發現，十堰市目前還存在一些面積較小、流動性差的小微水體，并逐漸形成了小微黑臭水體。小微黑臭水體的治理工作，因受到空間、環境、資金等諸多限制，故治理工作往往難以一次到位，常常出現“反復治、治反復”的情況，需要采取“一小微一策”、封堵排口、長期維護等措施［2］。目前國內外小微黑臭水體治理的具體方法包括曝氣增氧、復合微生物及化學制劑、生物技術、新興技術等，各有適用特點和范圍。十堰市作為南水北調中線核心水源區，小微黑臭水體不僅對周邊居民的生活環境與生命健康造成嚴重影響，同時也制約著河道干流水環境的改善，直接影響南水北調中線核心水源區調水水質，為保證“一江清水永續北送”，當務之急是要解決十堰市小微黑臭水體問題。

本文主要研究的是在傳統人工浮島構建中加入緩釋生物促生劑，構建改良型人工浮島來探究其對黑臭水體的修復效果。

1 小微黑臭水體的治理進展

1.1 小微黑臭水體的特點

小微黑臭水體是一種嚴重的水污染現象。當水環境遭受超過其自凈能力的有機污染時，水體中耗氧速率大于復氧速率，造成水體缺氧，致使有機物降解不完全、速度減緩，且有機物在厭氧降解過程中生成硫化氫、氨、硫醇等發臭物質，同時形成黑色物質，使水體發生黑臭的現象。

1.2 小微黑臭水體的治理技術

（1）物理修復技術：常見的技術有富氧曝氣、清淤和引水沖污等。富氧曝氣法運行簡單，設備投資少，被廣泛應用到治理缺氧污染水體中；清淤和引水沖污去除水體中N、P、COD 等污染物質效果快［3］，近年來在工程上使用較為廣泛。

（2）化學修復技術：主要分為藥劑法和電化學法等。藥劑法是在污水中加入混凝劑、沉淀劑、脫色劑等水處理藥劑，有效降低水體的濁度和COD，但成本也高，有可能造成二次污染。電化學法是利用微生物電解、二維電極、三維電極等方法處理污水。

（3）生物修復技術：運用最多的是植物修復和微生物修復。主要是利用植物或微生物的分解吸收作用進行凈化污水。

（4）綜合治理技術：主要為水中原位修復技術。目前原位修復技術大部分僅僅停留在針對淺層水體，而對去除水下不同深度污染物的技術則較少。人工浮島技術是典型的水體原位修復技術，是以“浮島+植物”為主體進行生態凈化的方法，已廣泛地運用于治理富營養化水體。

1.3 本文選用技術

（1）生態浮島（Ecological floating island，EFI）技術：以高分子材料為載體和基質，水生植物種植在載體表面的水面無土種植植物技術。浮島栽種植物可分為5 類，即沼生型植物、挺水型植物、浮葉型植物、沉水型植物、漂浮型植物。該技術是一種原位水生態修復技術，可以削減水體中氮磷營養鹽濃度，改善水體富營養化，還可以帶來與耕種同等甚至更高的收益。

（2）促生劑原位修復：利用天然化合物（主要由有機質、有機酸以及碳源等構成）活化水體中的土著微生物，加速污染物降解的一種生物修復技術。生物促生劑中營養成分與表面活性物質刺激水體環境中原有微生物發育繁殖，加快光合反應發生進程，增強水體中溶解氧含量，不斷促進好氧環境下水體中微生物與底泥等污染物發生反應，有效促進水體系統內微生物結構與形態多元化，進而完成水體自凈。

2 材料與方法

2.1 材料

（1）制備緩釋促生劑：20 mg/L 的堿性活性炭、1 mL/L的元素混合液、2 mL/L 的蘆薈提取液［4］、20 mg/L 的橘皮提取液［5］、生物骨架材料聚乳酸（PLA）。微量元素混合液由氯化鈉250 mg/L、無水硫酸鎂100 mg/L、硫酸亞鐵25 mg/L、硫酸鋅7.5 mg/L、無水氯化鈣2.5 mg/L、鉬酸銨2.5 mg/L、硫酸鈷50 mg/L、硫酸鋁鉀2.5 mg/L 組成。放置10 ℃的條件下儲存備用［6］。

（2）構建人工浮島：高密度聚乙烯（HDPE）材質人工浮島、水芹菜和空心菜。

（3）主要試劑：重鉻酸鉀溶液、硫酸亞鐵銨溶液、硫酸-硫酸銀溶液、5%的過硫酸鉀溶液、鉬酸鹽溶液、銨標準儲備溶液、硫酸錳溶液、堿性碘化鉀溶液、硫代硫酸鈉標準溶液。

（4）儀器：電熱鼓風干燥箱、可見分光光度計、高壓滅菌鍋、PHS-3C 型pH 計、YH-A2003 型電子天平。

2.2 緩釋促生劑制備的方法

采用溶劑揮發法制備緩釋促生藥丸［7］。①用三氯甲烷溶液將遴選出的PLA 生物骨架材料溶化，制成包埋液體［8］。②再向包埋液體中加入自制的生物促生劑，隨即用玻璃棒攪拌混合成泥狀物質［9］，并用雙手搓捏泥漿物質成型，制成直徑為1.5 cm 左右大小的球狀藥丸。③放入加熱恒溫鼓風箱中，在50 ℃下進行烘干，一直到藥丸中的三氯甲烷完全揮發，從而獲得緩釋促生藥丸。緩釋促生藥丸見圖1。

圖1 緩釋促生藥丸

2.3 人工浮島構建方法

采用拼接法構建人工浮島。將方形HDPE 人工浮島單體的4 個角分別用螺絲固定，再將多個單體拼接在一起，把水芹菜、空心菜種植在中間的固定槽內，最后把拼裝好的人工浮島放置在待處理的水樣上［10-11］。

2.4 改良型人工浮島的構建方法

將制備好的4 顆緩釋促生藥丸分別放在4 個小網兜里，再將4 個小網兜分別固定在方形HDPE 人工浮島的4 個小槽里，每塊人工浮島中心分布5 棵空心菜和5 棵水芹菜。實驗中每12 L 水放置1 塊改良人工浮島。方形HDPE 材質人工浮島見圖2。

圖2 方形HDPE 材質人工浮島

2.5 原始水樣指標

本實驗的水樣采自十堰市某小溪。原水各項指標見表1。

表1 原水各項指標

3 結果與討論

3.1 對水樣DO 的影響

水樣中DO 濃度隨時間變化見圖3。水體中的溶解氧逐漸增加，前期變化較慢，中期凈化效率明顯提高，后期又趨于平緩，由最初的1.24 mg/L 最終達到了5.61 mg/L。這是因為緩釋促生劑和植物的存在，強化了水樣中好氧微生物的代謝作用，水中的耗氧物質不斷減少，溶解氧不斷得到補充，數據說明水質在逐漸變好。

圖3 水樣中DO 濃度隨時間變化曲線圖

3.2 對水樣COD 的影響

水樣中COD 濃度隨時間變化見圖4。改良后的人工浮島對COD 的凈化效果顯著，水體中的COD 濃度由最初的94.38 mg/L 逐漸減少，最終數值是28.56 mg/L，凈化效率為70%。可能是促生劑和植物的加入，改善了微生物的生存環境，促進了土著微生物的繁殖，提高其降解有機物的能力。

圖4 水樣中COD 濃度隨時間變化曲線圖

3.3 對水樣總磷的影響

水樣中總磷隨時間變化見圖5。改良后的人工浮島對總磷凈化效果很好，水中總磷濃度由最初的2.36 mg/L不斷降低，之后保持在0.38 mg/L 左右，凈化效果達到了84%。可能是促生劑的加入，改善了底泥微生物環境，加強了聚磷菌代謝作用，水樣中的磷含量降低。

圖5 水樣中總磷隨時間變化曲線圖

3.4 對水樣氨氮的影響

水樣氨氮濃度隨時間變化見圖6。改良后的人工浮島對氨氮凈化效果沒有對COD 和總磷的凈化效果好，但整體不錯，由最初的3.64 mg/L 降到了最終的1.77 mg/L，凈化效果達到了51%。隨著溶解氧含量的升高，土著好氧微生物代謝作用增強，水樣中的氨氮含量降低。

圖6 水樣中氨氮濃度隨時間變化曲線圖

4 結論

（1）緩釋促生劑與傳統人工浮島的結合對黑臭水體的凈化效果顯著。

（2）改良后的人工浮島對氨氮的凈化效果沒有對總磷和COD 的凈化效果好，但整體凈化效果不錯。

（3）實驗過程中存在個別人工浮島中的植株死亡的現象，可能對實驗結果有影響。

（4）整個過程中水體有蒸發跡象，沒有及時補充實驗用水。由于實驗條件有限，實驗變量單一，未探究水溫等條件對實驗的影響，有待改進。

（5）由于時間和條件限制，沒有測定水樣中的微生物種類和數量。通過水樣處理前后微生物的種類和數量的對比，可知水樣中土著微生物的繁殖情況，可以分析改良型人工浮島的凈化能力。