生物轉(zhuǎn)籠耦合水生植物修復(fù)城市湖庫(kù)黑臭水體

陳婷婷，黃健盛*，丁健剛，劉　敏，廖偉伶，童啟邦，姚　源，呂圣紅

（1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶　401147；2.重慶市南岸區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，重慶　400060；3.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶　401147）

城市湖庫(kù)是指位于大中城市城區(qū)或近郊的中小型湖泊[1]，是重要的水資源和旅游休閑資源，在降低城市熱島效應(yīng)和防洪排澇、為動(dòng)植物提供棲息地并維持物種多樣性等方面起著重要作用[2]。但由于城市湖庫(kù)易污染、水環(huán)境容量小、水體自凈能力差的特點(diǎn)，很容易成為生活污水、雨水及垃圾的受納體，從而導(dǎo)致水體溶解氧的大量消耗，造成水體缺氧而呈黑臭狀態(tài)，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)危機(jī)[3]。劉建福等[4]指出，黑臭水體周邊空氣微生物污染對(duì)周邊居民存在潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)黑臭水體的治理遵循“控源-凈化-修復(fù)”的思路。主要的技術(shù)有截污納管技術(shù)、清淤疏浚技術(shù)、環(huán)境調(diào)水技術(shù)、人工曝氣復(fù)氧技術(shù)、岸邊植被技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)等[5-8]。但是截污納管、清淤疏浚、曝氣復(fù)氧以及岸邊植被緩沖等技術(shù)在某種程度上屬于黑臭治理工程的輔助手段，不能夠徹底改善水質(zhì)，而生物修復(fù)技術(shù)則是最具發(fā)展前景的主體修復(fù)技術(shù)[9]。

韋真周等[10]人對(duì)生物轉(zhuǎn)盤處理廣西某小鎮(zhèn)生活污水的工程實(shí)例進(jìn)行介紹，詳細(xì)介紹了工程實(shí)例的整個(gè)工藝流程。工程運(yùn)行結(jié)果表明，生物轉(zhuǎn)盤工藝對(duì)化學(xué)需氧量（COD）、固體懸濁物（SS）、氨氮（NH4+-N）、TP具有良好的去除效果，出水水質(zhì)完全滿足《城鎮(zhèn)生活污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，為小城鎮(zhèn)污水的處理提供了可靠的工程示范。張承芳[11]等人研究了一種自回流生物轉(zhuǎn)盤與水生植物濾床工藝處理宜興市大浦鎮(zhèn)湖濱新村的農(nóng)村生活污水，運(yùn)行結(jié)果表明：在COD容積負(fù)荷≤0.93 kg COD/（m3·d），氨氮容積負(fù)荷≤0.61 kg COD/（m3·d）時(shí)，生物轉(zhuǎn)盤與水生植物濾床工藝具有較高的硝化水平及良好的碳化效果。TP容積負(fù)荷為0.08 kg COD/（m3·d）時(shí)，TP的去除率達(dá)81%，可見生物轉(zhuǎn)盤具有很好的除磷效果。由此，生物轉(zhuǎn)籠耦合水生植物技術(shù)對(duì)于修復(fù)城市湖庫(kù)黑臭水體是可行的。

本文在調(diào)查評(píng)價(jià)2個(gè)城市湖庫(kù)黑臭程度的基礎(chǔ)上，研究一種基于生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)和生態(tài)修復(fù)相耦合的水體修復(fù)系統(tǒng)對(duì)黑臭水體進(jìn)行修復(fù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)裝置

本研究試驗(yàn)裝置如圖1所示，模擬湖庫(kù)尺寸為1.50 m×1.50 m×0.45 m，有效水深0.40 m，生物轉(zhuǎn)籠放在反應(yīng)池的一角，其余部分區(qū)域種植水生植物。筒車裝置（見圖2）由12個(gè)生物轉(zhuǎn)籠組成，電機(jī)帶動(dòng)筒車轉(zhuǎn)動(dòng)與污染水體接觸。生物轉(zhuǎn)籠由不銹鋼篩網(wǎng)制成并裝滿Φ25 mm和Φ38 mm的兩種聚丙烯多面空心球填料（見圖3），轉(zhuǎn)籠中的填料經(jīng)污泥接種并成功掛膜后，再用于后續(xù)試驗(yàn)[12]。筒車裝置對(duì)比傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)盤具有比表面積大，占地面積小，安裝拆卸方便，易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1　Diagram of experiment device

圖2　生物轉(zhuǎn)籠裝置簡(jiǎn)圖Fig.2　Diagram of bio-rotating cage device

圖3　多面空心球填料Fig.3　Multi-faceted hollow ball packing

1.2　測(cè)試指標(biāo)與分析方法

測(cè)試指標(biāo)包括COD，NH4+-N，TN，TP，透明度，溶解氧（DO），氧化還原電位（ORP），各指標(biāo)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》[13]，如表1所示。

表1　測(cè)定指標(biāo)及分析方法Table 1　Determination index and analysis method

1.3　水體黑臭程度

根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》[14]中城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2個(gè)選定湖庫(kù)取水位置的黑臭級(jí)別進(jìn)行判定。湖庫(kù)A和湖庫(kù)B水體顏色如圖4所示，均呈灰黑色，其水體水質(zhì)測(cè)定和黑臭級(jí)別判定結(jié)果見表2，湖庫(kù)A取樣區(qū)域呈重度黑臭，湖庫(kù)B取樣區(qū)域呈輕度黑臭。

表2　原水水質(zhì)及黑臭級(jí)別判定Table 2　Determination of the quality and black-odorous level of raw water

2　結(jié)果與討論

2.1　系統(tǒng)修復(fù)黑臭水體效果

將污水注入模擬湖庫(kù)中，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速3 r/min，每天取樣分析，觀察系統(tǒng)對(duì)黑臭水體修復(fù)效果及對(duì)氮磷的去除效果。

2.1.1　系統(tǒng)對(duì)重度黑臭水體修復(fù)效果

從湖庫(kù)A采集的重度黑臭水體經(jīng)過系統(tǒng)修復(fù)后結(jié)果見表3，結(jié)果表明水體黑臭狀況明顯好轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，填料空隙內(nèi)水體經(jīng)歷提升和跌落，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)過程中促使水體紊流，在此過程中水體與空氣接觸，實(shí)現(xiàn)水體自復(fù)氧；水體經(jīng)1 d修復(fù)后，溶解氧迅速由1.02 mg/L上升至7.02 mg/L，之后保持穩(wěn)定，說明生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)具有良好的復(fù)氧能力。ORP是表征水體氧化還原特性的基本參數(shù)，也是水體綜合性指標(biāo)之一，能在一定程度上說明水體的污染程度。重度黑臭水體經(jīng)系統(tǒng)2 d修復(fù)后，氧化還原電位由-8 mV（輕度黑臭）上升到83 mV，4 d后可達(dá)到120 mV。水體的氧化還原電位值越大，表明其氧化能力越強(qiáng)，系統(tǒng)能夠快速提高黑臭水體的氧化還原電位，其有利于黑臭水體水質(zhì)改善。經(jīng)過系統(tǒng)修復(fù)1 d之后，水體透明度由9.20 cm提高到33 cm以上，說明水體中的懸浮物及膠體大大減少，可以認(rèn)為水質(zhì)已經(jīng)透明，證明系統(tǒng)具有可以在較短時(shí)間內(nèi)明顯提高黑臭水體透明度的能力[12]。水體經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)后，水體中濃度不斷下降，其由最初的10.84 mg/L降低到1.17 mg/L，可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果良好與水體中溶解氧充足有關(guān)[15]，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)令生物膜不斷與水體和空氣接觸，有利于生物膜上的硝化菌充分吸收空氣中的氧分，水體的紊流程度增強(qiáng)有利于液相氨氮向生物膜傳遞，從而增強(qiáng)硝化作用[16]。由表3可知，2 d內(nèi)系統(tǒng)可使水體的COD濃度從95 mg/L修復(fù)至40 mg/L以內(nèi)，濃度值可滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；水體經(jīng)系統(tǒng)5 d修復(fù)后，TN，TP濃度分別由最初的14.68 mg/L和1.08 mg/L下降至10.27 mg/L和0.34 mg/L，說明該系統(tǒng)對(duì)重度黑臭水體具有一定的脫氮除磷能力，但生物膜脫氮除磷能力局限，水生植物的吸收過程也非常漫長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的脫氮除磷能力還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表3　系統(tǒng)對(duì)重度黑臭水體修復(fù)效果Table 3　Remediation efficiency of severe black and odorous water body treated by the system

2.1.2　系統(tǒng)對(duì)輕度黑臭水體修復(fù)效果

系統(tǒng)對(duì)湖庫(kù)B采集的輕度黑臭水體的修復(fù)后結(jié)果見表4和圖5。

表4　系統(tǒng)對(duì)輕度黑臭水體修復(fù)效果Table 4　Remediation efficiency of mild black and odorous water body treated by the system

圖5　修復(fù)1天后效果比較Fig.5　Remediation comparison after one day

由表4可知輕度黑臭水體經(jīng)過系統(tǒng)修復(fù)1 d后，水體溶解氧、透明度以及氧化還原電位迅速?gòu)?.0 mg/L，15.60 cm和38 mV提高到5.25 mg/L，33 cm和51 mV，輕度黑臭水體黑臭狀況迅速得到改善（見圖5）。經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)4 d后，輕度黑臭水體COD濃度由43.61 mg/L下降至12.46 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；氨氮由12.52 mg/L下降到0.50 mg/L，可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮的去除原理與前述重度黑臭水體氨氮去除原理一致；水體TN從14.40 mg/L降到13.45 mg/L，去除率僅為6.60%，較前述重度黑臭水體相同修復(fù)時(shí)間的19.07%去除效果偏差，這是由于重度黑臭水體的COD濃度比輕度黑臭水體高，異養(yǎng)微生物因得不到碳源而被抑制；TP從1.48 mg/L降到0.40 mg/L后濃度趨于穩(wěn)定，再次表明系統(tǒng)具有一定的除磷能力；但就TN、TP而言，水體仍為劣Ⅴ類。因此，針對(duì)輕度黑臭水體，仍需進(jìn)一步研究強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮除磷能力。

由以上可知，系統(tǒng)對(duì)修復(fù)重度黑臭水體和輕度黑臭水體具有良好的適應(yīng)性和修復(fù)凈化能力，系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)水體復(fù)氧、提高水體透明度和OPR，改善水體黑臭狀況；同時(shí)，經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)后，重度黑臭水體COD和氨氮濃度可滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅴ類和Ⅳ類要求，輕度黑臭水體COD和氨氮濃度可滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅱ類和Ⅰ類要求。但短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)黑臭水體的TN和TP修復(fù)效果不理想，需進(jìn)一步研究強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮除磷措施。

2.2　強(qiáng)化系統(tǒng)修復(fù)黑臭水體脫氮除磷研究

生物轉(zhuǎn)籠耦合水生植物技術(shù)能夠迅速改善實(shí)際水體的黑臭狀況，對(duì)水體中氨氮具有良好去除效果，但系統(tǒng)脫氮除磷能力有限，對(duì)黑臭水體氮磷去除效果不夠理想。分析原因：水體中有機(jī)物逐漸被消耗，水體中碳源相對(duì)不足，自養(yǎng)型細(xì)菌不受碳源變化的影響，異養(yǎng)型細(xì)菌活性因碳源不足而被抑制，表現(xiàn)為系統(tǒng)轉(zhuǎn)籠內(nèi)硝化細(xì)菌不受影響可繼續(xù)去除水體中氨氮，反硝化細(xì)菌因碳源不足受影響，TN去除效果差，反硝化除磷也受抑制。為了強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮除磷效率，本研究采用間斷向輕度黑臭水體投加碳源（葡萄糖）的方式，考查碳源對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷效率的影響。

從圖6可知，前6 d經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)后水體TN濃度基本維持在12.95～13.45 mg/L左右，系統(tǒng)對(duì)TN的去除效率很低。從第6 d起，分6次向水體中投加碳源，投加碳源初期水體COD濃度分別為：40.50mg/L，42.05 mg/L，158.90 mg/L，238.30 mg/L，214.90 mg/L和96.57 mg/L。直到系統(tǒng)運(yùn)行第12 d時(shí)（即最后1次投加碳源后），水體TN濃度由14.60 mg/L下降到0.72 mg/L，去除率達(dá)到95.07%，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。說明低碳源條件下，添加碳源可以在較短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)反硝化作用進(jìn)行，從而有效地提升了系統(tǒng)的脫氮效率。

圖6　碳源對(duì)TN去除的影響Fig.6　The effect of carbon source on the removal of TN

由圖7可知，前6 d經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)后水體TP濃度基本維持在0.35～0.43 mg/L左右，原水TP濃度較低，在植物吸收和微生物代謝作用下系統(tǒng)具有一定的除磷能力，但6 d修復(fù)后TP濃度仍處于劣五類。系統(tǒng)對(duì)TN的去除效率很低。向水體投加三次碳源后，水體TP濃度迅速下降至0.10 mg/L，滿足了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，之后水體TP濃度趨于穩(wěn)定。說明碳源充足有利于微生物進(jìn)行同步除磷，系統(tǒng)的除磷能力得到提升。

圖7　碳源對(duì)TP去除影響Fig.7　The effect of carbon source on the removal of TP

由此可見，利用微生物和植物技術(shù)聯(lián)合修復(fù)黑臭水體，碳源充足條件下可加速去除水體中的TN，TP，加速凈化水體。

3　結(jié)論

（1）生物轉(zhuǎn)籠耦合水生植物技術(shù)修復(fù)城市湖庫(kù)重度黑臭和輕度黑臭水體具有良好效果。修復(fù)重度黑臭水體在4 d時(shí)間內(nèi)快速消除黑臭，輕度黑臭水體修復(fù)時(shí)間可縮短至3 d。經(jīng)處理，兩種水體氨氮濃度降至8 mg/L以下，溶解氧濃度提升至5 mg/L以上，透明度提升至33 cm以上，氧化還原電位提升至100 mV左右。兩種水體經(jīng)系統(tǒng)修5 d后，水體氨氮濃度達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，氨氮基本轉(zhuǎn)化為TN。系統(tǒng)兼具一定的TN，TP去除能力。

（2）碳源對(duì)微生物和植物耦合技術(shù)修復(fù)黑臭水體起促進(jìn)TN，TP去除作用。間斷投加碳源，在系統(tǒng)修復(fù)作用下可使水體TN，TP濃度由《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）劣Ⅴ類值改善至Ⅳ類以內(nèi)。

4　存在的問題及不足

投加碳源的確有利于系統(tǒng)TN，TP去除，但是實(shí)際污染水體中碳源相對(duì)不足，影響生物轉(zhuǎn)籠系統(tǒng)的脫氮除磷效率。岸邊水生植物修復(fù)效果時(shí)間長(zhǎng)，加上受到季節(jié)、溫度的影響，系統(tǒng)脫氮除磷能力也會(huì)受到影響。對(duì)岸邊水生植物應(yīng)增加網(wǎng)格，防止植物伏倒現(xiàn)象產(chǎn)生，避免影響系統(tǒng)脫氮除磷。

在本試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步研究的問題：（1）冬季低溫條件下，如何提高水生植物脫氮除磷效率；（2）不同的水生植物對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響。

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