外置式生物反应器对水库原水中总氮去除的试验

毋海燕

(上海同济环境工程科技有限公司，上海 200092)

水库是陆地生态系统水环境要素的重要组成部分，在区域社会经济发展和生态环境建设中举足轻重，但随着城市化的进展和河道水系的污染，我国水库的富营养化程度也越来越严重。根据《中国环境状况公报》[1]，目前我国28个国控重点湖(库)中，满足II类水质的2个，占7.1%；Ⅲ类的6个，占21.4%；IV类的4个，占14.3%；V类的5个，占17.9%；劣V类的11个，占39.3%。在监测的26个湖(库)中，重度富营养的2个，占7.7%；中度富营养的3个，占11.5%；轻度富营养的9个，占34.6%。根据水利部中国水资源公报[2]，目前TN为我国水库主要超标项目之一。我国华东地区某市具有不同类型水库200余个，目前水质均呈现不均衡的富营养化状态，氮污染问题十分突出[3]。对于湖库型水体，防治富营养化是普遍面临的突出问题[4]，尤其是对TN的控制。

研究表明，汛期降雨引起的地表径流中的大量氮污染物会随地表径流向水体迁移进入水库[5-6]，因此控制其排入水体是控制水库TN的关键因素之一[7]。除了降雨给水库带来外源性氮污染物外，水库水体中的微生物活动受气温影响也会影响氮污染物的浓度。而且，水库中水质在水温变化时，会呈现季节性热分层现象[8-10]，此时，水库水温、pH、溶解氧(DO)浓度等因分层会出现垂向差异[11-13]。卢俊平等[12]对水库富营养化的研究表明，TN变化主要受温度影响，与DO含量基本无关；TN浓度沿水深出现分层现象，表层和底层水体氮磷浓度高于中层水体，且TN在库底沉积物表层大量富集[14-15]。

魏岚等[15]研究发现，除了温度、DO、pH以及水体扰动等因素，底泥自身性质也影响着氮释放。因此，了解水库季节分层相关理化特征及沉积物本身性质对控制水库TN具有重要意义。另外暴雨径流会破坏水库水体自然分层，增加内源污染的风险[8]，也需格外关注。

因此，本研究通过外置式生物反应器在水库现场开展试验，了解水库水生态环境变化规律的同时，考察外置式生物反应器对水库原水中TN的去除效果，在此基础上分析影响TN控制的关键因素，并阐明水库自然分层对TN去除的重要性以及水库水质的季节变化规律。最后，通过底泥扰动对水库TN去除的研究，了解底泥扰动对控制水库TN的影响。

1 试验部分

1.1 试验系统及机理

1.1.1 试验系统

本试验采用一个天然生物循环反应系统-外置式生物反应器系统，主要由反应器进出水管路系统(图1)、外置式生物反应器(图2)以及水库Ⅰ组成。

图1 外置式生物反应器系统Fig.1 System of External Bioreactor

图2 外置式生物反应器Fig.2 Diagram of External Bioreactor

试验水库位于低洼地，外置式生物反应器安装于水库Ⅰ岸边，其进水口从水库表层取水，再经过外置式生物反应器将水通过配水软管及布水管排入水库底层。

1.1.2 试验装置作用机理

本系统主要通过小环境内循环生态法激活并强化水体中的本土微生物——反硝化菌群，用水体本身代替传统的生物反应器，重组、完善和优化水体微生物生态系统。同时，通过不断循环水，增强反硝化菌的脱氮能力，从而实现原位控制TN的目的。本试验过程无需接种污泥，试验装置作用机制如图3所示。

图3 外置式生物反应器作用机制Fig.3 Mechanism of External Bioreactor

1.2 试验水库概况及水质

1.2.1 试验水库概况

试验水库Ⅰ满水时占地面积为3万m2，水面基本呈三角形分布，满水时最大水深约10 m；平时水库占地面积约2万m2，水库水深约9 m，库容高峰时约21万m3，平时约15万m3。

水库Ⅱ位于水库Ⅰ的下游，与水库Ⅰ为同一水系，均为具备典型水质污染特征的水源地。

1.2.2 试验水库原水水质分析

表1 试验水库原水水质检测数据

1.3 样品采集及检测方法

1.3.1 水库现场概况及采样点

水库现场概况如图4所示。

图4 水库Ⅰ现场概况Fig.4 On-Site Overview of ReservoirⅠ

由图1、图4可知，水库Ⅰ现场安装4套外置式生物反应系统，通过软管连接每套外置式生物反应器的进水和出水，每套系统具有1个进水口，2个出水口，4套系统共计4个进水口，4条缆绳，8个出水口(系统进出水流量均为200 mL/h)。沿缆绳软管下方连接不锈钢配重管，即通过不锈钢管自重使布水绳索固定、不被风带走，从而保证布水点位置不移动，并保证出水口在水库底部。

样品采集点为沿着缆绳出水垂直管水深方向不同深度取水样，取样深度约为0.5、2、4、6、8 m等。

1.3.2 样品检测及试验方法

2 结果与讨论

2.1 外置式生物反应器对水库TN的控制

TN控制外置式生物反应器经安装和调试，系统稳定运行后20 d，试验水质随时间变化如图5所示。

图5 TN控制试验中水质随时间变化Fig.5 Variation of Water Quality with Reaction Time in Test of TN Control

2.2 外界环境变化对水库TN控制的影响

图6 台风前后水库TN和随时间变化趋势图Fig.6 Trend of TN and with Operation Time in ReservoirⅠbefore and after Typhoon

为进一步探究台风带来的大量降雨对水库氮素的影响，对水库Ⅰ水面降雨及地表径流中氮素浓度进行了检测，检测数据如表2所示。

表2 水库Ⅰ水面降雨与地表径流氮素数据

由表2可知，相较于垂直降水，地表径流中TN浓度较高，是水库水体TN污染的主要来源。

综上所述，台风后该系统对TN控制效果明显下降，主要原因为台风引起的大量地表径流使水库TN浓度急剧上升；同时，水库库底排水可能破坏了水库水质的自然分层状态；另外，温度降低引起微生物活性降低也可能是原因之一。

2.3 水库底部排水对水库水质分层状态及TN控制的影响

为进一步确认水库底部排水对水库水质分层状态及TN控制的影响，对经过底部排水后的水库Ⅰ进行分层采样，分层采样及检测数据如图7所示。

图7 水库底部排水后分层采样数据变化图Fig.7 Variation of Indexes by Stratified Sampling Collection after Drainage from the Bottom of Reservoir

为证实水库水质自然分层状态破坏的主要原因是水库库底排水，作为对比，对水库Ⅱ(与水库Ⅰ有相同的水质及外部环境，受台风影响但未进行底部排水)进行了分层采样数据分析，如图8所示。

图8 水库Ⅱ检测数据随水深的变化Fig.8 Variation of Data with Water Depth in Reservoir Ⅱ

2.4 水库库底排水对底泥的扰动及水库TN控制的影响

为了迅速恢复水库中的缺氧环境，提升TN去除效果，研究底泥扰动对水库TN控制的影响，试验数据如表3所示。

表3 泥水混合水样检测数据

3 结论

采用外置式生物反应器系统对水库中的TN进行原位控制，并对内外部影响因素进行了分析，主要结论如下。

(1)在水库水质自然分层状态下，外置式生物反应器系统在水温适宜时运行20 d后，水库中TN去除率可达50%以上，TN从地表Ⅴ类水标准提升到Ⅲ类水标准，治理时间短、见效快、稳定性好。

(2)系统TN去除效果下降的主要原因为地表径流对水库TN的输入，同时水库库底人为排水导致水质分层状态消失，造成脱氮环境破环；低温时微生物活性降低也是原因之一；底泥的扰动也不利于TN控制。

(3)我国华东等四季分明的地区，水库属于单季完全或不完全混合型，在春夏交接季直至秋末冬初，水库保持分层状态，此后分层状态逐渐减弱甚至消失，呈现完全或不完全混合，水库水质趋于均匀。水质完全混合期不利于TN的控制。

(4)系统实际运行中，为保证TN去除效果，应避免从水库底部排水或在水体水质分层未消失之前，使TN控制达到预期效果。