两级藻类塘与水生植物塘联用处理污染河水研究

刘文杰， 刘桂萍， 高红杰， 彭剑锋， 宋永会

(1.沈阳化工大学环境与生物工程学院，辽宁沈阳110142; 2.中国环境科学研究院，北京100012)

藻类塘(Algae Pond，AP)是由美国加州大学伯克利分校Oswald教授提出并发展的一种稳定塘的改进形式［1］.目前藻类塘在美国、法国、德国、南非、以色列、菲律宾、泰国、印度、新加坡等国都有应用［2－3］，但在我国的研究工作只处于起步阶段.

藻类塘虽然是一种基建费用和运行费用比较低，操作维护简便，对有机物、氮磷和病原菌都有较好去除效果的工艺，但由于藻类塘出水中含有一定数量的藻类，如果不加以去除而直接排入受纳水体，会引起受纳水体富营养化，污染水体.因此必须对藻类塘出水中的藻类进行分离.

芦苇和浮萍具有较好的克藻效应［4］，它们不仅具有较高的生长率、能够快速吸收和分解水中的氮、磷等营养物质，而且易移出水体，既可作为牛、猪、鸭的营养饲料，又可沤制绿肥，能带来可观的经济效益［5］.水生植物塘中的微生物将废水中的污染物、生产者和消费者的排泄物及动植物尸体等有机物分解，转变为无机物，并从中取得供自身生长繁殖的营养物质，这样在水生植物塘中形成了具有生产者、消费者和分解者的食物链.利用这种方法来处理受污染的河水是一种廉价、高效的处理方法，值得大力推广［6－9］.利用水生植物塘除藻和进一步净化水质是藻类塘应用中一个必不可少的后续工艺，水生植物塘使用砾石作为水生植物生长的基质.本文主要研究藻类塘与水生植物塘联用对沈阳某重污染河流的净化效果.

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置(见图1)于沈阳某污水处理实验室中，藻类塘为长×宽×高=1 m×1 m×0.7 m的有机玻璃长方体，有效体积500 L;水生植物塘为长×宽×高=1 m×0.3 m×0.7 m的有机玻璃长方体，有效体积150 L.通过调节蠕动泵来控制进水的流量，出水均为溢流.

图1 实验装置图Fig.1 Schematic of the experimental equipment

1.2 实验水质

实验污染河水水质指标见表1.

表1 实验水质一览表Table 1 Quality of influent water in the reactor mg/L

1.3 监测方法

1.4 试剂和仪器

硫酸，沈阳经济技术开发区试剂厂，优级纯;硫酸银，天津市科密欧化学试剂有限公司，分析纯;盐酸，沈阳经济技术开发区试剂厂，分析纯;抗坏血酸，天津博迪化工股份有限公司，分析纯;钼酸铵，天津博迪化工股份有限公司，分析纯;过硫酸钾(sigma-alorich)等.

奥立龙720APLUS Benchtop型pH计(Thermo Orion Co.USA);UV-6100紫外分光光度计，上海元析仪器有限公司;CR3200 COD消解器(WTW German);YSI-550A便携式溶解氧仪等.

1.5 运行条件

实验过程中藻类塘与水生植物塘的运行条件为:HRT=4 d，水深0.5 m，通过光补偿保证每天光照时间为12 h，连续流运行.

2 结果与讨论

2.1 进出水pH变化

图2为两级藻类塘和水生植物塘进出水pH值变化，从图2可知pH值波动较大.藻类塘中藻类进行光合作用时，会发生下列反应:

藻类进行光合作用吸收水体中的CO2，使水体中CO2浓度降低，反应(1)向左进行，结合(2)式可知，此时(2)式中的反应向左进行，水中H+浓度降低，进而使水中的pH值升高.光合作用停止时，水中CO2浓度开始升高，pH值降低.所以两级藻类塘与水生植物塘进出水中pH值会呈现出一定的波动.

图2 进出水pH值变化Fig.2 The pHs of reactors

2.2 进出水DO质量浓度变化

图3为一级藻类塘、二级藻类塘和水生植物塘DO质量浓度变化曲线.两级藻类塘与水生植物塘联用工艺进水DO质量浓度平均值为1.27 mg/L，出水DO质量浓度平均值为5.88 mg/L.由此可知，一级藻类塘、二级藻类塘和水生植物塘出水DO质量浓度均高于进水.藻类塘与水生植物塘联用工艺出水中DO质量浓度可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅱ类标准.说明藻类塘与水生植物塘对污染水体有较好的富氧作用.

图3 联用工艺进出水DO质量浓度变化Fig.3 The DO concentrations of reactors

2.3 Chl-a质量浓度变化

图4为一级藻类塘、二级藻类塘和水生植物塘出水中Chl-a质量浓度变化.

图4 联用工艺进出水Chl-a质量浓度变化Fig.4 Variations of Chl-a concentrations in the reactors

从图4可知:一级藻类塘和二级藻类塘Chla质量浓度变化趋势基本一致.开始时由于处于启动阶段，所以Chl-a质量浓度几乎为零.运行到10 d以后Chl-a质量浓度开始有明显的增长，增加到最大值后开始出现降低的现象.其原因是实验在9月进行，随着运行时间的增长，藻类塘中的光照时间变短、光照强度减弱、塘中水温降低，藻类生长繁殖速度缓慢，甚至出现负增长现象，所以Chl-a质量浓度又出现降低的现象.同时水生植物塘中的砾石和芦苇对藻类塘出水中的藻类有很好的过滤作用，这样就会使联用工艺出水中Chl-a的质量浓度较低，并且可以稳定在0.03 mg/L以下.水生植物塘对藻类塘出水中Chl-a的平均去除率为94.5%，可见水生植物塘是两级藻类塘的一个很好的后续工艺.

2.4 COD净化效果

图5为藻类塘与水生植物塘对COD的净化效果.从图5可知:进水COD质量浓度平均值为86.17 mg/L，植物塘出水中COD质量浓度平均值为35.4 mg/L，平去除率可以达到58.76%.两级藻类塘与水生植物塘联用工艺出水COD质量浓度可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅴ类标准，可用于农业用水区及一般景观要求水域［11］.进入藻类塘中的有机物，在O2充足的条件下被异养型细菌分解为CO2、H2O等产物.藻类塘中的藻类在光照条件下，通过光合作用把CO2等产物作为营养物质来合成自身的细胞，同时释放出O2，供好氧细菌等微生物分解有机物用，2个过程相互补给，不断循环，使水质得到净化.当水力停留时间较长时，这2个过程循环次数增多，可使水中的有机物被异养细菌充分分解，进而促进COD的去除率增高.

图5 COD去除Fig.5 COD removal in the reactors

2.5 PO3－4-P净化效果

图6 -P去除Fig.6 -P removal in the reactors

2.6 TP净化效果

图7为两级藻类塘与水生植物塘联用工艺对TP的净化效果.从图7可知:一级藻类塘、二级藻类塘与水生植物塘出水中TP的质量浓度逐渐降低;联用工艺进水TP质量浓度平均值为0.93 mg/L时，植物塘出水中TP质量浓度的平均值为0.16 mg/L，平均去除率可达82.8%.两级藻类塘与水生植物塘联用工艺出水TP质量浓度可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅲ类标准，可用于鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区［11］.因为在高效藻类塘和水生植物塘中，-P的去除是TP去除的主要途径，所以TP的去除规律与-P的去除规律相同.

图7 TP去除Fig.7 TP removal in the reactors

图8 -N的去除Fig.8 -N removal in the reactors

2.8 TN净化效果

图9为两级藻类塘与水生植物塘联用工艺对TN的净化效果.

图9 TN去除Fig.9 TN removal in the reactors

从图9可知:一级藻类塘、二级藻类塘与水生植物塘出水中TN质量浓度逐渐降低.联用工艺进水TN质量浓度平均值为3.14 mg/L时，水生植物塘出水中TN质量浓度平均值为1.51 mg/L，平均去除率为51.1%.两级藻类塘与水生植物塘联用工艺出水TN质量浓度可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅴ类标准，可用于农业用水区及一般景观要求水域［11］.综合两级藻类塘与水生植物塘对-N和TN的去除效果可知，一级藻类塘、二级藻类塘和水生植物塘对TN的去除率均低于对-N去除率.为此在实验中对一、二级高效藻类塘和水生植物塘出水中的TN组成进行进一步的分析，发现主要是以硝态氮的形式存在.藻类塘中-N的转化途径主要有藻类的同化、氨挥发和硝化作用等［13］，其中硝化作用是-N转化的主要途径.实验过程中发现一、二级高效藻类塘中存在着硝化作用，并且硝化反应消耗了藻类塘中绝大多数-N.这是因为在光照条件下藻类塘中的藻类可进行光合作用产生O2，使高效藻类塘中DO质量浓度升高，这就为硝化反应提供了必须的条件，使高效藻类塘中的-N通过硝化反应转化为-N，从而使藻类塘出水中-N的质量浓度降低，-N的去除率升高，由于-N转化为-N，使TN的质量浓度变化不大，所以TN的去除率低于-N的去除率.而在水生植物塘内，水生植物等优先吸收利用-N，使植物塘出水中-N质量浓度降低，去除率升高.但是，由于水生植物塘中仍然存在着硝化作用，所以，此时TN的去除率依然低于-N的去除率.

2.9 进出水-N和-N质量浓度变化

图10 进出水-N质量浓度变化Fig.10 Variations of -N concentrations of practicality river water

图11 进出水-N质量浓度变化Fig.11 Variations of-N concentrations of practicality river water

3 结论

两级藻类塘与水生植物塘联用处理污染河水时，出水TP质量浓度的平均值为0.16 mg/L，可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅲ类标准;出水中COD质量浓度平均值为35.4 mg/L，可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅴ类标准;出水DO质量浓度平均值为5.88 mg/L，可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅱ类标准;出水中-N质量浓度平均值为0.66 mg/L，可以达到地表水环境质量标准基本项目标准限值中规定的Ⅲ类标准;对TN的平均去除率为51.1%.水生植物塘对藻类塘出水中的藻类有很好去除效果，平均去除率为94.5%.两级藻类塘与水生植物塘联用的工艺对N、P等污染物浓度较低的河流有较好的净化效果.出水可以达到地表水环境质量标准.说明两级藻类塘与水生植物塘联用工艺是一种高效的污水处理工艺.

［1］ Gómez E，Casellas C，Picot B，et al.Ammonia Elimination Processes in Stabilisation and High-rate Algae Pond Systems［J］.Wat.Sci.Tech.，1995，31(12): 303－312.

［2］ 韩仕群，张振华，严少华.国内外利用藻类技术处理废水、净化水体研究现状［J］.农业环境发展，2000(1):13－16.

［3］ Picot B，Halouani H E，Casellas C，et al. Nutrient Removal by High Rate Pond System in a Mediterranean Climate(France)［J］.Wat.Sci.Tech.，1991，23(7/9):1535－1541.

［4］ 唐萍，吴国荣，陆长梅，等.太湖水域几种高等水生植物的克藻效应［J］.农村生态环境，2001，17(3): 42－44，47.

［5］ 许航，陈焕壮，熊启权，等.水生植物塘脱氮除磷的效能及机理研究［J］.哈尔滨建筑大学学报，1999，32(4):69－73.

［6］ 刘超翔.提高人工湿地处理生活污水效能的研究［D］.北京:清华大学环境科学与工系，2003:35－36.

［7］ 李海，孙瑞征，陈振选，等.城市污水处理技术及工程实例［M］.北京:化学工业出版社，2002:28－29.

［8］ 沈锡芬，章宗涉，龚循矩，等.微型生物监测新技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，1990:67－69.

［9］ 青岛市海洋与渔业局.2001年青岛市海洋环境质量公报［R］.青岛:青岛市海洋与渔局，2002.

［10］国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京:中国环境科学出版社，2002:765－766.

［11］国家环境保护总局.中华人民共和国地表水环境质量标准［S］.北京:环境科学出版社，2002.

［12］何少林，黄翔峰，陈广，等.高效藻类塘磷酸盐去除机理研究［J］.四川环境，2006，4(2):18－20.

［13］何少林.高效藻类塘处理农村生活污水氮磷去除机理及工艺研究［D］.上海:同济大学，2006:87.