利用生物膜内循环折流式反应器—生态池系统修复黑臭水体的应用技术研究

李 文

（宝武集团环境资源科技有限公司，上海 201999）

引言

随着城市化进程的加快、污水排放量的增加，河道水污染问题屡见不鲜且出现季节性或常年性黑臭。黑臭水体主要是水体缺氧造成的[1]，同时也与水中氮磷含量超标和底泥沉积有关[2]，现阶段控制城市水体污染、整治水体黑臭已经刻不容缓。

针对城市黑臭水体的整治，一般遵循外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复的技术路线，而水质净化作为阶段性手段被广泛研究，现有技术可系统归为物理、化学、生物、生态法4类。常用物理方法包括人工曝气、底泥疏浚、引水调水等，可以有效提高水体中的溶解氧浓度，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复，但不能实现水体水质的长期稳定改善且可能对环境产生二次污染[3]；而化学法主要包括强化絮凝、化学氧化和化学沉淀等，通过向水中投加化学药剂达到去除水中悬浮物质、溶解态磷和氮等目标污染物的目的，能有效提高水体透明度，但采用的化学药剂用量大，且对生态平衡以及生物生长均有不可忽视的影响[4]。

本文以生物-生态法作为主要修复方式，构建中试修复系统，对漕河泾港原水进行在线处理，并探讨不同条件下的处理效果。

1 实验

1.1 中试修复系统

构建中试系统，工艺流程如图1所示。系统整体由集水池、内循环生物膜反应器（ICBBR）和生态池组成，进水通过反应器处置后，出水进入生态池经过进一步生态净化。通过监测生态池出水中溶解氧、透明度、氨氮、总氮等指标，评价内循环生物膜反应器耦合生态系统对黑臭水体的净化效果。

图1 工艺流程图

中试试验的原水来自漕河泾港上师大段，约2 km，受漕河泾港闵行段污染的影响，水体出现常年黑臭，由潜水泵泵入集水池。

1.2 内循环折流式生物反应器

ICBBR反应器（内循环折流式生物反应器），结构示意图、实体图分别如图2、3所示。该反应器高0.5 m，宽0.45 m，长1.35 m，有效工作体积约266 L，由一块隔离板将反应器划分成上、下两部分。在反应器的下部交错排列着19块宽为0.3 m，长0.45 m，厚为0.01 m的多孔陶瓷板作为生物膜的载体；反应器左侧底部放置1个潜水泵，可实现同步硝化和反硝化。

图2 ICBBR反应器示意图

图3 ICBBR反应器实物图

1.4 生态池

生态池的构建如图4所示。池内种植盆栽30盆，每盆中各栽入4株狐尾藻、苦草、黑藻。

1.5 实验方法

中试试验分为7个阶段，共计120天。

首先是生物膜驯化挂膜期；随后用梧桐落叶浸出液作为外加碳源进行实验；第三阶段调节20～25℃进行相同实验；第四～六阶段以甲醇为外加碳源，分别将反应器进水的CODcr/TN调节至3～5、8～12、18～22进行试验；第七阶段则以最优条件下稳定运行。

1.6 分析方法

中试试验对水中DO、NH3-N、TN等指标进行监测，方法如表1所示。

表1 测试分析方法及仪器

2 结果与讨论

2.1 ICBBR反应器对黑臭水体的净化效果

ICBBR反应器对黑臭水体中的NH3-N和TN的净化效果如图5、6所示。

图5 系统对氨氮的去除效果

图6 系统对总氮的去除效果

反应器挂膜阶段氨氮、总氮去除效果不理想，进水CODcr约为8 mg/L，CODcr/TN≈1，低碳氮比的条件不利于反硝化反应的进行，因此尝试通过外加碳源提高碳氮比的方式来改善反应器去除效能。

当加入外加碳源后，氨氮和总氮的去除率有所提升。后考虑到水温对微生物活性有一定的影响，因此本阶段通过在反应器内部安装加热棒稳定水温条件，探讨温度对反应器去除效能的影响。对比20～25℃、25～30℃两个阶段可见，20～25℃区间较之25～30℃区间有更高的氨氮去除率。

在温度稳定后，改变外加碳源并调节CODcr/TN，可见在CODcr/TN为8～12时，氨氮和总氮的去除率最高。

2.2 生态池对黑臭水体的净化效果

黑臭河道回用水作为补给水的生态池实验同样也分为7个阶段。第一到七阶段均回用反应器出水，通过生态池的水生植物修复，出水氨氮降解情况较为稳定，去除率较高，逐渐趋于地表水环境质量标准III类水标准，且有望可以达到II类水标准；而总氮的情况不是特别理想，在一至三阶段，生态池出水仍处于劣Ⅴ类，在投加碳源后，水体CODcr/TN提高，总氮的去除情况有所好转，在四到六阶段能基本维持在地表水环境质量标准Ⅴ类水标准，甚至在第七稳定阶段维持在Ⅳ类水标准。

2.3 修复系统整体净化效果分析

如图7所示，内循环生物膜反应器处理黑臭水体：平均氨氮去除率为23.5%，平均总氮去除率为14.6%；以水生植物修复技术为核心的生态池：平均氨氮去除率为75.1%，平均总氮去除率为60.6%；系统总体去除能力：平均氨氮去除率为81.2%，平均总氮去除率为66.4%。

图7 系统运行期对总氮和氨氮的平均去除能力

2.4 系统水质净化机理分析

如图8，ICBBR反应器是生物膜法的一种实际工程应用[5]，可实现同步硝化反硝化。该反应器以多孔陶瓷板作为生物膜载体，对水中污染物质进行生物降解，在陶瓷板表面附着的生物膜内存在缺氧层、好氧层[6]。水体中的氨氮流经好氧层时，被硝化细菌转换为亚硝酸盐或硝酸盐；随后进入缺氧层，在反硝化细菌作用下被还原成氮气溢出水面[7]。由于潜水泵的设置，反应器内水流不断循环流动，新、老生物膜不断交替，使反应器能长期稳定地降解污染物质。

图8 ICBBR反应器的黑臭去除机理