南运河高效生物净化系统污染物降解系数研究

2016-11-08高园园谭林山吴晓楷杨照龙

海河水利 2016年5期

关键词：净化系统硝酸盐氨氮

高园园，谭林山，吴晓楷，杨照龙

（1.漳卫南运河管理局水文处，山东德州253009；2.海河水利委员会漳卫南运河管理局，山东德州253009）

南运河高效生物净化系统污染物降解系数研究

高园园1，谭林山2，吴晓楷1，杨照龙2

（1.漳卫南运河管理局水文处，山东德州253009；2.海河水利委员会漳卫南运河管理局，山东德州253009）

河流污染的生物治理技术是当前研究热点，其生物降解系数是衡量系统净化能力的重要指标。2014年，在南运河试验河段集成固化微生物、曝气充氧和人工水下森林等技术，构建高效生物生态净化系统，进行污染河水净化处理试验。采用一级反应动力学模型进行生物降解系数测算，氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3-）、总氮（TN）和化学需氧量（COD）降解系数分别为0.03～0.74、0.02～0.36，0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系统对水体中的主要污染物降解效果显著，具有较高的推广价值。

固化微生物；生物降解系数；NH4+-N；NO3-；TN；COD

河流治理的技术主要可分为物理方法、化学方法及生物方法三类［1］。物理方法和化学方法由于在实际应用过程中存在工程巨大、治标不治本及二次污染等问题，在应用中具有较大的局限性［2］。近年来，生物方法成为研究的热点。生物方法主要为原位生物修复技术，包括水生植物修复、水生动物修复、微生物修复、人工湿地净化、生态浮床净化等［3-5］。该类方法是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，将水中污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化，具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。另外，这种处理技术不向水体投放化学药剂，不会形成二次污染，还可以与绿化环境及改善景观相结合，创造人与自然融合的优美环境，因此该类技术得到广泛应用。

本项目通过固化微生物、曝气充氧和人工水下森林等技术的优化集成，构建生物生态净化系统，在四女寺枢纽节制闸下的南运河600m河段进行现场试验，实现对河道污水的高效低耗处理。对进水与出水的水质因子进行监测，建立一维水质数学模型，采用一级反应动力学模型进行生物降解系数测算，氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3-）、总氮（TN）和化学需氧量（COD）降解系数分别为0.03～0.74、0.02～0.36、0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系统对水体中的主要污染物降解效果显著，具有较高的推广价值。

1　项目概况

2014年，水利部下达了“高效固化微生物综合治理河道污水技术的示范与推广”科技推广项目。项目主要任务是构建高效生物净化系统，试验污染水体的原位生物技术修复。试验河段位于漳卫南运河下游四女寺枢纽节制闸下600m的南运河河段。由于长期的外源污染和水生生物残渣的沉积，试验河段水质长期劣于V类，详见表1，并产生黑臭现象，严重影响水体景观及原有生态功能。试验通过综合应用Bpa-1017系列微生物净水剂、Bacto-Zyme 1011系列生物复合酶、水下森林、生物浮岛以及人工曝气等技术构建高效生物净化系统，在上、中、下游布设3个监测断面，开展同步监测，分析研究生物处理效果。

表1　2013年四女寺闸水质监测数据mg/L

2　试验过程

项目实施期为2014年，试验分为3个阶段：第一阶段，投放菌剂，采用高压喷雾器按照一定比例沿河喷洒Bpa-1017微生物净水剂和Bacto-Zyme1011生物复合酶；第二阶段，开始浮岛安装及植物种植，共设置500m2浮岛，由40组小浮岛沿河道分左、中、右3列组成，浮岛上种植美人蕉、千屈菜、黄菖蒲、西伯利亚鸢尾、梭鱼草、旱伞草、泽泻等挺水植物及浮水植物铜钱草；第三阶段，进行曝气机及水下森林的安装，在试验段上游安装1台曝气机，水下森林由100块1m×1m的小块组成，共100m2，分散地挂载在浮岛下，完成系统构建工作。

根据污染特点，选择氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3-）、总氮（TN）及化学需氧量（COD）作为水质参数，开展水质同步监测，所使用仪器分别为T6新悦可见分光光度计、TU-1950双光束紫外可见分光光度计、SKALAR SAN++型连续流动分析仪、B-6C（H）型COD快速测定仪。

3　生物降解系数测算结果与分析

3.1生物降解系数求算

根据各监测点污染物的浓度测定结果，建立一级反应动力学模型，由下式分别计算各水质参数的沿程降解系数：

式中：k为水质因子的沿程降解系数；t=L/u，u为流速（m/s），计算中采用进水及试验段断面间的平均流速，L为进水及试验段两断面的间距（m）；CA、CB分别为进水、试验段断面相应水质因子的特征浓度值（mg/L）。

3.2生物降解系数分析

3.2.1氨氮降解系数分析

本生物生态净化系统主要通过微生物菌剂的硝化-反硝化作用实现对NH4+-N的高效去除［6］。首先，微生物菌剂将水体中的NH4+-N转化为亚硝酸盐氮，进一步氧化为硝酸盐氮，即硝化作用；然后另一类细菌将NO3-中的氧作为呼吸作用的受氢体，使NO3-还原为N2，即反硝化作用。同时，复合生物酶的投放加快了反应活性，提高了反应的转化率，有利于NH4+-N的去除。

试验期间，进水水体的NH4+-N浓度波动幅度较大，这主要是由于试验期间上游来水情况不同及降雨等原因造成的。在进水水体NH4+-N浓度变化较大的不利条件下，试验段水体的NH4+-N浓度相对稳定，上、中、下游3个断面浓度均维持在1.5mg/L以下，符合地表水Ⅳ类水体标准，NH4+-N降解情况如图1所示。表2为试验期间各断面NH4+-N降解系数的计算结果，NH4+-N综合降解系数为0.03～0.74 d-1。

图1　试验期间氨氮浓度变化

表2　试验期间氨氮降解系数变化d-1

3.2.2硝酸盐氮降解系数分析

试验期间硝酸盐氮的浓度变化，如图2所示。由图2可以看出，试验期间，与进水水体相比，出水水体的NO3-浓度明显降低，且试验段出水水体的NO3-浓度保持在较低水平，均低于1.5mg/L。试验期间各断面NO3-降解系数的计算结果，详见表3，NO3-综合降解系数为0.02～0.36 d-1，表明该生物生态净化系统对NO3-具有显著的降解作用。这主要是由于该系统中的反硝化细菌将NO3-还原为分子态氮，从而降低了水体中硝酸盐氮浓度。

图2　试验期间硝酸盐氮浓度变化

表3　试验期间硝酸盐氮降解系数变化d-1

3.2.3总氮降解系数分析

本生物生态净化系统对TN的降解包括植物自身的吸收，也包括微生物菌剂的硝化和反硝化作用。一方面，氮是植物生长所必需的营养元素之一，植物通过同化作用将水体中的氮转化为自身的组成物质；另一方面，水体中的氮污染物通过微生物菌剂的硝化作用和反硝化作用得以最终去除。

试验期间总氮浓度变化，如图3所示。由图3可以看出，进水TN浓度处于较高水平，而试验段各断面TN的降解效果较为显著，去除率最高达到59.6%。各断面TN降解系数计算结果，详见表4，TN的综合降解系数为0.06～0.49 d-1，体现了优良的TN降解性能。

图3　试验期间总氮浓度变化

表4　试验期间总氮降解系数变化d-1

3.2.4COD降解系数分析

试验期间COD浓度变化，如图4所示。由图4可知，进水水体中COD浓度极高，均超过地表水Ⅴ类水体标准，而出水水体的COD浓度明显降低，最大去除率达到47.9%。试验期间COD降解系数计算结果，详见表5，COD综合降解系数为0.04～0.28 d-1。这主要是因为在该系统中存在的好氧、兼性及厌氧菌提高了降解有机物的广谱性，此外反硝化作用也提高了去除COD的能力。

图4　试验期间COD浓度变化

表5　试验期间COD降解系数变化d-1

4　结论与建议

通过固化微生物、曝气充氧和人工水下森林等多项技术优化集成所构建的生物生态净化系统处理河道污染水体，处理效果显著。系统对各主要污染物的综合降解系数分别为：氨氮0.03～0.74d-1，硝酸盐氮0.02～0.36d-1，总氮0.06～0.49d-1，COD0.04～0.28d-1。根据文献资料［7］，四女寺—辛集闸河段氨氮自净系数为0.16 d-1，COD自净系数为0.17 d-1，可见该生物生态净化系统对污染物的降解效果较明显。

在当前我国城乡河道水体污染较严重的情况下，采用该技术对污染水体进行治理，可以取得较好的治理效果，具有显著的环境效益和社会效益。

［1］邓耀明.污染河道治理技术的研究进展［J］.环境科技，2009，22（2）：90-93.

［2］张捷鑫，吴纯德，陈维平，等.污染河道治理技术研究进展［J］.生态科学，2005，24（2）：178-181.

［3］朱强，任汇东，任良志，等.景观水体治理技术的研究［J］.环境科学与管理，2009，34（5）：88-92.

［4］金小平，宋学宏，李蒙英，等.生物-生态修复技术在景观污染水体治理中的应用［J］.水环境保护，2012，28（4）：42-45.

［5］孙桂琴，董瑞斌，潘乐英，等.人工湿地污水处理技术及其在我国的应用［J］.环境科学与技术，2006（29）：144-146.

［6］冯本秀，赖子尼，余煜棉，等.固定化微生物技术去除水体中氨氮的研究进展［J］.广东化工，2005（10）：9-10.

［7］张明.漳卫南运河流域河流典型污染物通量与累积负荷量研究［EB/OL］.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/ 200709-236，2007－09－12/2016－05－12.