生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)修復(fù)黑臭水效果的對比分析

俞 晟，陳一虎，張延頗

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 教育與人文學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

城鎮(zhèn)污、廢水隨意排放導(dǎo)致臨近河湖富營養(yǎng)化，進而造成水體發(fā)黑和發(fā)臭，直接影響沿岸居民的生活品質(zhì)[1-3]。因此，水體黑臭問題已成為當(dāng)前水環(huán)境的熱點問題之一[2,4-5]。對比“水十條”及相關(guān)專項行動規(guī)定的黑臭水治理完成目標(biāo)，結(jié)合我國現(xiàn)階段黑臭水成因和水質(zhì)參數(shù)，需要研制一套完整且行之有效的治理技術(shù)及裝備，實現(xiàn)階段性預(yù)定目標(biāo)任務(wù)[1,4]。當(dāng)前，人工生態(tài)浮島常被列入河道修復(fù)首選技術(shù)，但受水文氣候等不可控因素影響而導(dǎo)致治理成效不理想，故該技術(shù)局限于湖泊和河道試驗階段[6-7]。因此，在修復(fù)治理成本低的前提下，急需開發(fā)穩(wěn)定、持久、有效治理黑臭水體的工藝技術(shù)和裝備，從而解決我國現(xiàn)階段關(guān)系民生的水環(huán)境污染問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外快速生化(生物倍增)技術(shù)研究得到普遍關(guān)注，其成效顯著[8-10]。但因其設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度高和工藝參數(shù)控制復(fù)雜等局限性，使之僅在水污染處理有限范圍內(nèi)得以適應(yīng)性試驗使用，尚未得到工程化推廣[9]，而其用于地表黑臭水修復(fù)治理更是少見。結(jié)合我國現(xiàn)階段地表黑臭水實際情況[2，7]，在實驗室條件下，對人工擬合黑臭水氨氮、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和透明度(SD)4個水質(zhì)指標(biāo)(《城市黑臭水體整治工作指南(2015年8月)》)及生化需氧量(BOD)和色度修復(fù)凈化規(guī)律和過程研究，對比分析生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)修復(fù)黑臭水效果，為生物倍增技術(shù)在黑臭水實際應(yīng)用提供工程化數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 受試擬合黑臭水

對珠三角(18條河段)、長三角(19條河段)和渤海灣(17條河段)等水系較發(fā)達(dá)區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)黑臭水中氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度等水質(zhì)參數(shù)調(diào)研，經(jīng)統(tǒng)計和匯總分析得到實驗室模擬黑臭水水質(zhì)，如表1所示。以統(tǒng)計均值為基準(zhǔn)點，試驗在接種已有黑臭水和水體沉積物(采樣點120°38'，31°20')基礎(chǔ)上添加可溶淀粉(有機物，BOD)、NH4Cl(氨氮)和底泥(色度和顆粒物)等物質(zhì)，并以Na2CO3調(diào)節(jié)pH值。實驗室控溫，以滿足受試水樣水質(zhì)與調(diào)研水質(zhì)均值無顯著差異(P<0.05)。

表1 黑臭水水質(zhì)調(diào)研統(tǒng)計分析

1.2 試驗裝備

1.2.1 人工生態(tài)浮島

生態(tài)浮島主要由浮力層(提供浮力)、隔水層(防止?jié)B水)、生物柵(微生物場所)、重墜(防止生物柵漂浮)和曝氣裝置(提供試驗DO)組成。試驗前，生物柵在水溫T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中掛膜培養(yǎng)30 d，并放入浮島進行黑臭水凈化試驗。試驗槽長100.0 cm(分進水區(qū) 25.0 cm、反應(yīng)區(qū)50.0 cm、出水區(qū)25.0 cm)，寬30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，試驗槽內(nèi)體積為225.0 L(扣除生物柵等組件后有效容積221.3 L)。生物柵(直徑8.0 cm，按最大填充率80%布設(shè))上端固定于長50.0 cm，寬30.0 cm浮力層上，下端設(shè)重墜，使其鉛垂于試驗黑臭水中?？刂破貧饬?，使生物柵進水DO=(6.0±0.8) mg/L，且按文獻[5-7]黑臭水治理工藝，控制浮島水力停留時間HRT=8.0 h。

工作時，浮島放置于受試水樣，使生物柵、重墜和曝氣裝置完全浸沒于受試黑臭水水樣。啟動曝氣系統(tǒng)，氣泡擾動試驗配水以提高水樣溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L，來滿足水體好氧生化所需耗氧量。因水位差作用，受污水樣流經(jīng)生物柵后由出水溢流系統(tǒng)排出，記錄浮島進出水水質(zhì)。

1.2.2 生物倍增單元

生物倍增單元主要由分離廊道(固液分離場所)、出水堰(清水出水)、沉淀泥斗(顆粒物沉積場所)、分選島(引導(dǎo)氣水混合流，兼顧污泥回流)和曝氣裝置(提供試驗DO)組成。試驗前，生物倍增單元在水溫T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中污泥富集培養(yǎng)30 d，此單元與浮島同時進行黑臭水凈化試驗。生物倍增單元長100.0 cm，寬30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，試驗槽內(nèi)體積為225.0 L(扣除分離廊道等組件后有效容積220.7 L)。分離廊道(長65.0 cm，高5.0 cm)按最大布設(shè)角55°安置于生物倍增單元內(nèi)，下端距分選島0.5 cm?？刂破貧猓箚卧M水DO=(6.1±0.6) mg/L。按文獻[8]黑臭水治理工藝和考慮浮島HRT，控制生物倍增單元水利停留時間HRT=8.0 h。

工作時，生物倍增單元放置于受試水樣，使分離廊道、出水堰、沉淀泥斗、分選島和曝氣裝置完全浸沒于受試黑臭水樣。啟動曝氣系統(tǒng)，氣泡上升擾動試驗配水并產(chǎn)生氣體，以提升試驗配水進入分離廊道，同時提高水樣溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L，以滿足水體好氧生化所需耗氧量。黑臭水因自重作用流入分離廊道，再經(jīng)沉淀泥斗后由出水堰系統(tǒng)排出，記錄單元進出水水質(zhì)。

1.3 檢測標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)分析

氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度檢測分別按水楊酸——次氯酸鹽分光光度法、電化學(xué)法、電極法、鉛字法及稀釋接種法、稀釋倍數(shù)法執(zhí)行，并記錄檢測數(shù)值。數(shù)據(jù)以Microsoft Excel 365進行記錄、計算和分析，以單邊分析法(ANOVA，IBM SPSS Statistics v25.0 for Windows)對記錄和計算數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗(置信區(qū)間P<0.05)。所記錄、計算和分析得到數(shù)據(jù)均采用Origin 2020 Pro進行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水BOD和氨氮治理效果分析比較

有機物和氮素氧化分解時快速消耗水中DO，造成水中DO下降，進而造成有機物等在水中缺氧/厭氧分解，使含硫物質(zhì)形成H2S等臭味物質(zhì)[11]。水中有機污染物濃度較高時，水體厭氧產(chǎn)氣造成水體底泥和沉積物再懸浮(甚者漂浮于水面)，遮擋、反射和散射入水光線，降低水體透明度[1,11]。因此需要分析進出水BOD和氨氮的濃度變化，以便緩解、控制進而修復(fù)黑臭水體。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水BOD和氨氮治理效果如圖1所示。

圖1 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水BOD和氨氮治理效果

由圖1可知，生物倍增單元與生態(tài)浮島均可持久去除黑臭水中BOD和氨氮，當(dāng)進水BOD為72.1~106.9 mg/L、氨氮為2.38~3.78 mg/L時，生物倍增單元出水BOD為3.5~5.6 mg/L、氨氮為0.90~1.22 mg/L，而生態(tài)浮島出水BOD為14.7~31.8 mg/L、氨氮為1.36~2.42 mg/L。

生物倍增單元是通過底部曝氣產(chǎn)生提升力使水體垂直混合擾動的，并借助氣泡上浮進行中氧擴散，使水體由厭/兼氧狀態(tài)轉(zhuǎn)為有氧狀態(tài)，此“土著”厭/兼氧微生物在高溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L條件下馴化為好氧微生物，進而轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跎磻?yīng)[3,12]，使得BOD和氨氮與活性污泥在全混合下進行好氧生化反應(yīng)。進入廊道的混合液在同向流好氧生化反應(yīng)/沉淀時，因內(nèi)摩擦及廊道側(cè)壁的限制作用而改變了水力學(xué)條件，此區(qū)間內(nèi)水流產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的微漩渦[5,7]，促成混合液中絮狀/小顆粒污泥產(chǎn)生向心自凝聚。同時因側(cè)板限制使得處于旋流狀態(tài)下的低密度絮狀/小顆粒污泥相互碰撞形成高密度的大顆粒污泥，且此顆粒污泥表面松散多孔[8-9]，有利于污染物的吸附，加速了BOD和氨氮的吸附交換和生化氧化降解[4,6]。在沉淀泥斗內(nèi)，混合水樣在壓縮密集的顆粒污泥間隙內(nèi)流動，因泥斗倒“V”型有利于減緩水流在顆粒間隙中的上升流速[8,10]，增加了停留接觸面積(有利于水中污染物接觸吸附降解和篩分)，加之高濃度顆粒污泥(提高了反應(yīng)物濃度)促成好氧生化反應(yīng)速率提升[9-10]，進而更高效去除廊道出水中剩余BOD和氨氮，最終使生物倍增單元對BOD和氨氮總體的去除率分別達(dá)95%和76%，出水BOD和氨氮濃度分別降到(4.6±0.4) mg/L和(1.09±0.05) mg/L。整個過程中，僅有“陳化”顆粒污泥通過分選隙回流(為新生顆粒污泥提供凝結(jié)核心，形成內(nèi)循環(huán)以減少剩余污泥產(chǎn)出)，并無其他生物或生化過程發(fā)生“突越”，因此整個試驗時段內(nèi)出水水質(zhì)平穩(wěn)(BOD最大差值為2.1 mg/L、氨氮最大差值為0.32 mg/L)。對于生態(tài)浮島，試驗配水通過前置曝氣提升水樣溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L值后流經(jīng)浮島生物柵，雖呈現(xiàn)好氧生化反應(yīng)過程，即BOD=(20.6±3.0) mg/L、氨氮=(1.85±0.15) mg/L，但生物柵表面生物膜致密，因此僅能通過表層生物膜吸附降解作用達(dá)到BOD和氨氮去除[7,13]，故而去除效率有限(去除率 BOD為78%、氨氮為42%)[7]。此外，因生物柵固著的微生物內(nèi)層厭/兼氧產(chǎn)氣而外層為好氧生物膜致密，直接導(dǎo)致因內(nèi)層微生物產(chǎn)生的氣體無法及時傳輸而形成“氣爆”，導(dǎo)致生物柵上微生物生態(tài)系統(tǒng)破壞(生物或生化過程發(fā)生“突越”)，致使微生物生化——生態(tài)循環(huán)中斷，直接導(dǎo)致出水水質(zhì)變差[13-14]，即每間隔(60±6) d的周期出水BOD均值達(dá)28.6 mg/L、最高達(dá)31.8 mg/L和氨氮均值達(dá)2.09 mg/L、最高達(dá)2.42 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定性差(BOD最大差值為17.1 mg/L、氨氮最大差值為1.06 mg/L)。綜上所述，在整個試驗時段內(nèi)，相較于生態(tài)浮島水質(zhì)波動性大，生物倍增單元可更為穩(wěn)定高效去除水中BOD和氨氮(BOD生出/浮出=4.5,氨氮生出/浮出=1.7)，其出水水質(zhì)也更為穩(wěn)定(P<0.05)。

2.2 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水DO和ORP治理效果分析比較

當(dāng)水體處于缺氧/厭氧狀態(tài)時(DO<2.0 mg/L)，水體有機污染物降解不完全，甚至將某些物質(zhì)還原成新的污染物(如含硫物質(zhì)形成H2S)，從而造成水體腐敗發(fā)臭[11]。水中ORP直接表征水體還原性狀態(tài)，即氧化還原電位較低(ORP<50 mV)時，則容易產(chǎn)生水體黑臭現(xiàn)象[7,10]。因此，觀察出水DO和ORP數(shù)值，結(jié)合BOD和氨氮情況，以分析生物倍增單元與生態(tài)浮島處理效率。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水DO和ORP治理效果如圖2所示。

圖2 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水DO和ORP治理效果

由圖2可知，生物倍增單元與生態(tài)浮島均可持久提升黑臭水出水中DO和ORP，當(dāng)進水DO在1.4~2.0 mg/L、ORP在－243~－65 mV時，生物倍增單元出水DO在3.5~5.8 mg/L、ORP在109~175 mV，生態(tài)浮島出水DO在4.5~6.8 mg/L、ORP在－115~155 mV。

在生物倍增單元中，試驗配水在外曝氣增加DO后進入分離廊道，再由沉淀泥斗和出水堰出水，整個流動過程中只有外曝氣充氧和出水堰復(fù)氧兩個途徑，其余過程均無法直接增加水中DO濃度[8-9]。由于BOD和氨氮高效去除，消耗水中DO[5,12,14],因此出水堰前(泥位上邊緣)出水DO濃度較低(均值為(3.9±0.8) mg/L，最低濃度為3.1 mg/L)，而經(jīng)出水堰跌水方式出水后DO達(dá)到(4.7±0.3) mg/L，可見該組件有效提升了出水DO(跌水?dāng)_動和形成氣泡使DO增加21%)。對于生態(tài)浮島，進水經(jīng)曝氣DO=(6.0±0.8) mg/L后，試驗配水全程均與大氣接觸，即水中DO不足時大氣中氧氣可及時進行復(fù)氧[6,14]，故其出水DO=(5.7±0.3) mg/L。可見，無論生物倍增單元的外曝氣和出水堰跌水組合，還是生態(tài)浮島前置曝氣和全程復(fù)氧組合，均可提升黑臭水出水DO濃度，但在出水DO濃度滿足有氧水體前提下，生物倍增單元在BOD和氨氮處理方面更具優(yōu)勢。再分析ORP指標(biāo)[5,15]，在兩者DO濃度差異不顯著情況下(P>0.05)，因生物倍增單元更低的出水污染物濃度，直接導(dǎo)致更高的出水ORP數(shù)值(ORP=(142±8) mV)約為生態(tài)浮島出水ORP數(shù)值(ORP=(19±31) mV)的7.5倍。故生物倍增單元可更有效地完成黑臭水DO和ORP的修復(fù)任務(wù)。

2.3 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水透明度和色度治理效果分析比較

水體透明度和色度可直接影響普通民眾對水體黑臭現(xiàn)象的主觀心理評價[1,16]。水體干凈清潔可以促使沉水植物更好地光合作用，促使水中污染物和氨氮快速高效耗氧生化分解[16-17]。因此需對比生物倍增單元與生態(tài)浮島在實驗室條件下凈化黑臭水能力，以判斷其對黑臭水透明度和色度的改善情況。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水透明度和色度治理效果如圖3所示。

圖3 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對黑臭水透明度和色度治理效果

由圖3可知，生物倍增單元與生態(tài)浮島均可持久改善黑臭水出水透明度和色度，當(dāng)進水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時，生物倍增單元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度為1~7倍，生態(tài)浮島出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

透明度較高時色度相對較低，反之亦然[4,6]，這一結(jié)果在圖3中得以印證(配水透明度主要受色度影響)。正如BOD和氨氮所述，生物倍增單元的分離廊道具備絮狀/小顆粒污泥向心自凝聚作用，可促使配水中絲狀固態(tài)污染物通過卷掃而捕獲水中短絮狀/小顆粒污染物[8,17]，在向心自旋過程中聚集成大顆粒污泥，并增加顆粒污泥密度而便于沉淀分離于沉淀泥斗中。沉淀泥斗因高污泥濃度而產(chǎn)生的重力擠壓導(dǎo)致顆粒污泥間隙進一步縮小，而試驗配水流經(jīng)該間隙時，借由顆粒污泥多孔表面的吸附性和間隙的篩分性進一步去除水中各類溶解態(tài)含色污染物和顆粒態(tài)污染物[18]，促使水體透明度增加和色度降低。出水透明度為(90.0±1.3) cm，出水色度為(3±1)倍，且整個試驗時段內(nèi)因無生物膜物剝離和脫落現(xiàn)象，水質(zhì)透明度和色度修復(fù)效率平穩(wěn)(最大差值透明度為7.2 cm、色度為6倍)。反觀生態(tài)浮島，雖整個試驗時段內(nèi)亦可修復(fù)出水透明度SD為(53.8±8.1) cm和色度為(10±4)倍，但每間隔(60±6) d周期的“氣爆”問題使得固著的微生物大面積脫落進入水中[10,16]，直接表現(xiàn)為浮島出水透明度下降(SD均值為37.9 cm，最低值為34.1 cm)和色度增加(均值為18倍，最高為29倍)?？傊?，在試驗時段內(nèi)，生物倍增單元可更為穩(wěn)定高效修復(fù)水中透明度和色度(透明度生出/浮出=1.7，色度生出/浮出=0.3)，修復(fù)出水水質(zhì)更為穩(wěn)定(P<0.05)。

3 結(jié)論

1)相較生態(tài)浮島，生物倍增單元對黑臭水BOD和氨氮去除效率更為顯著。進水BOD在72.1~106.9 mg/L和氨氮在2.38~3.78 mg/L時，生物倍增單元出水BOD在3.5~5.6 mg/L和氨氮在0.90~1.22 mg/L，生態(tài)浮島出水BOD在14.7~31.8 mg/L和氨氮在1.36~2.42 mg/L。

2)生物倍增單元和生態(tài)浮島均可提升黑臭水DO濃度，但就黑臭水ORP而言，生物倍增單元出水ORP數(shù)值得到更為有效改善。進水DO在1.4~2.0 mg/L和ORP在－243~－65 mV時，生物倍增單元出水DO在4.5~6.8 mg/L和ORP在－115~155 mV，生態(tài)浮島出水DO在3.5~5.8 mg/L和ORP在109~175 mV。

3)相較生態(tài)浮島，生物倍增單元對黑臭水透明度和色度修復(fù)效果更為顯著。在進水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時，生物倍增單元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度在1~7倍，生態(tài)浮島出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

4)生態(tài)浮島出水水質(zhì)每間隔(60±6) d均出現(xiàn)周期性惡化，生物倍增單元在整個運行時段內(nèi)出水水質(zhì)更為穩(wěn)定，可有效完成黑臭水修復(fù)任務(wù)。