黑臭河道生态修复工程人工水草处理效果研究

2018-11-12张华俊刘敏陈海峰

湖北农业科学 2018年15期

张华俊　刘敏　陈海峰

摘要：为筛选出黑臭河道生态修复工程中合适的人工水草类型，通过对水处理工程中常用的4种人工水草进行小试对比试验，研究这几种人工水草的污染物处理效果。同时在工程实践中进行中试试验验证处理。结果表明，小试中细绳状人工水草和立体弹性填料表现出了相对快的挂膜速度，同时细绳状人工水草和立体弹性填料也表现出较强的对污水TN、TP、NH4+-N、CODMn处理能力。在中试中立体弹性填料结合生态浮岛和曝气工艺表现出了较好的处理效果。综合材料价格因素，建议在黑臭河道生态修复工程中少量使用情况下优先采用细绳状人工水草，而在大量使用情况下，可采用立体弹性填料或两者结合使用。

关键词：黑臭河道；生态修复；人工水草；生物膜；处理效果

中图法分类号：X52 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）15-0054-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.15.013 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Treatment Effects of Different Types of Artificial Plants in the Ecological Restoration of the Malodorous River

ZHANG Hua-jun1，LIU Min1，2，CHEN Hai-feng1，SHI Min-qiu1，WU Shan-shan1，LI Zhi-jin1，QIAO Yi1

（1.Guangzhou Resource Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510601，China；

2.Nanfang College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510970，China）

Abstract： In order to find out the suitable artificial plants in the ecological restoration of the malodorous river， four kinds of artificial plants commonly used in engineering were compared. The results of experiment indicated that， string artificial plants and stereoscopic elastic filler showed a faster biofilm generation speed. At the same time， they also showed strong ability to deal with TN， TP， NH4+-N and CODMn. In the pilot experiment， stereoscopic elastic filler combined with the ecological floating island and the aeration technology showed a good treatment effect. Comprehensive price factor， it is recommended to use a small amount of use in the case of priority to the use of string artificial plants， in the case of large use， can use stereoscopic elastic filler or combination of the two kinds artificial plants.

Key words： malodorous river； ecological restoration； artificial plants； biofilm； treatment effect

隨着《水污染防治行动计划》《城市黑臭水体整治工作指南》等一系列法规的颁布，黑臭河道治理引起高度重视。众多技术中人工水草在黑臭河道原位生态修复中逐渐得到应用[1]。人工水草作为载体，在处理污水时表层形成生物膜，该生物膜是由高密度好氧菌、兼性好氧菌、厌氧菌、原生动物及藻类等组成的微观A/O复合系统[2-4]。将人工水草置于污水中可供大量微生物附着，这些微生物将水中有机污染物进行高效降解，从而修复污染水体。

20世纪80年代随着人工水草材料的兴起，各国对人工水草进行了大量研究和工程应用。中国人工水草黑臭河道治理仍处于起步阶段[5]，对人工水草的应用缺乏充分的工程数据，还需近一步了解和探究[1]。随着人工水草新材料的不断出现，采用耐酸碱、耐污、柔韧性很强的材料，不受透明度、光照等限制，具有投资低、效果好、二次污染小的特点[6]，逐渐应用在城镇污水和黑臭河治理等领域，如深圳市在对新州河的治理中，设置了200 m、停留时间6.5 h的柔性生物飘带反应区，水质净化效果明显，CODMn、BOD5去除率都在90%以上[7]。经过大量工程实践，发现对于流量越小的河流其净化效果越好。

人工水草的核心作用在于生物膜，而其材料特性对生物膜起重要作用，故选择适合的、经济的人工水草是该技术工程应用成功的关键。本研究通过对市场上及广州资源环保科技股份有限公司常用人工水草进行挂膜、净化黑臭河道河水效果试验，监测水质指标（NH4+-N、CODMn、TP、TN），经过观察及数据分析，筛选出处理效率高且经济的人工水草。对人工水草进行优选，从而为其在黑臭河道生态治理中的应用提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料

人工水草的材质、比表面积、表面粗糙度、布水布气方式、机械强度和环境耐受性等因素对工艺的处理效果具有直接影响。工程选用人工水草时，要考虑材料的稳定性、粗糙度、便于安装维修和管理、成本低等因素[4]。结合目前研究及广州资源环保科技股份有限公司工程应用现状，选用细绳状人工水草（φ100 mm）、组合填料（φ150 mm）、立体弹性填料（φ150 mm）及超细立体纤维填料（φ150 mm）作为研究对象，研究这4种人工水草对黑臭河水污染物的降解能力，筛选出最佳工程应用类型。其中细绳状人工水草挂膜快，使用寿命长，适应性强，布水布气性能良好，生物膜更新容易，运行管理简便，处理效果显著且无需耗能[6，8]。组合填料可使填料与有机物质充分接触，使微生物从表面向外扩张，逐渐生长，进而形成更厚的生物膜，更加有效地进行污水净化[9]。立体弹性填料具有充氧性能好、耐高负荷冲击、处理效果显著、运行管理简便、不堵塞、不结团和价格低廉等优点。超细立体纤维填料采用高分子中心绳和超细纤维丝条制成。占据水体空间大，具有巨大的附着表面积，远高于其他微生物载体，有极强的抗老化性；超细纤维之间具有很多微细的孔隙，形成毛细管构造，具有高吸水性和极强的吸附能力，更有利于微生物的负载增殖。

1.2 方法

在广州资源环保科技股份有限公司基地楼顶通风凉棚中进行试验，试验用水采集于基地旁黑臭河道。人工水草来源于本公司各工程项目部采购。试验分三部分展开，第一部分：5组试验水桶分别编号为0、1、2、3、4，其中0为空白对照组，1为细绳状人工水草组，2为组合填料组、3为立体弹性填料组、4为超细立体纤维填料组。将每种20 cm长试验材料各2段完全浸没置于容积为20 L、水深30 cm的装满黑臭河水的塑料水桶中进行挂膜试验。试验过程中，每天同时排出水桶上清液，并加入等量河道污水，保证水体中微生物得到足够营养物质和空气进行新陈代谢，观察过程中生物膜的变化情况。第二部分：相同的水桶标号与处理进行为期20 d的水质处理试验，定期用自来水补齐因采样与蒸发带来的水量损失并检测各水质指标。第三部分：在某黑臭河涌修复工程中进行中试试验，采用生态浮岛、人工水草和曝气充氧三种工艺组合，充分发挥各工艺优点，弥补单一工艺不足（图1）。了解特定人工填料在工程中的效果，每隔1～5 d取水样，检测水体污染物浓度变化。

试验用河道水质指标：pH 7.79，CODMn 226 mg/L，TP 2.32 mg/L，TN 39.48 mg/L，NH4+-N 21.39 mg/L。

1.3 指标检测

第一部分、第二部分小试期间每3 d定期采集水样，采用哈希便携式水质分析仪（DR1900）快速检测CODMn、TN、TP、NH4+-N指标。第三部分中试试验不定期每隔1～5 d取水样，采用哈希便携式水质分析仪快速检测黑臭河道重点污染指标TP、NH4+-N。

2 结果与分析

2.1 人工水草挂膜

生物膜形成是含有营养物和微生物的污水在填料表面流动，一段时间后微生物附着在填料表面、增殖和生长，形成一层薄薄的生物膜。人工水草表面颜色由最初的无色变为淡黄色直至成黄色絮状物，最终变为黄褐色[3，4]。结果显示，0～2 d各试验组中人工水草表面均无变化；第3天细绳状人工水草组表面开始出现少量气泡；第4天超细立体纤维填料组、组合填料组和立体弹性填料组出现气泡；第5天细绳状人工水草组表面出现土黄色的絮绒状生物膜，第7天立体弹性填料组表面出现半透明黄褐斑点，组合填料在第10天出现黄褐色斑块，超细立体纤维填料组第13天出现灰黑色的生物膜。生物膜的生长除与人工水草材料类型有关外，还与温度、pH、溶解氧、水源水质等外界因素有关系[3]。在相同环境条件下，该试验中各人工水草的挂膜速度顺序为细绳状人工水草组﹥立体弹性填料组﹥组合填料组﹥超细立体纤维填料组，部分结果与杨红艳[10]的研究结果较为一致。表1为各处理组挂膜成功天数。

2.2 水质处理效果

由图2可知，试验前期（0～7 d），各人工水草组中CODMn浓度的降低速度较空白组快，其原因在于CODMn主要是由生物膜上的光合细菌和枯草杆菌共同作用去除[3]。人工水草挂膜后，膜上微生物可大量吸附降解水体有机物，使CODMn浓度能短时间内大幅降低[1，6]。同时，膜上微生物生长、繁殖初期需要吸附降解水中的有機物[9]，也使水中的CODMn浓度呈现迅速下降的趋势。随后降低速度减缓，13 d后各试验组CODMn浓度水平均趋于稳定，这与微生物种群生长与消亡动态过程趋于稳定有关。试验期间各人工水草对CODMn处理效果与童敏等[3]的研究结果较近，其中细绳状人工水草组CODMn去除率为76.06%，组合填料组的为65.78%，立体弹性填料组的为72.71%，超细立体纤维填料组的为62.56%，较空白组（55.16%）各多出20.90、10.63、17.55及7.41个百分点。人工水草CODMn去除效果为细绳状人工水草组>立体弹性填料组>组合填料组>超细立体纤维填料组。

由图3可知，试验期间各组TP浓度总体也呈逐渐降低趋势，但降低幅度逐渐放缓。在试验前期，TP浓度都有大幅度下降，这可能是由于污水中一些杂质颗粒携带大部分磷酸盐离子沉积水底，导致TP浓度快速下降[9]。而人工水草对TP的去除主要依靠其截留及微生物分泌的胞外聚合物对胶体态磷的吸附作用[3]。人工水草上吸附的微生物和水中悬浮微生物分泌的胞外聚合物对胶体态磷的吸附作用对去除TP效果比较好。但随着试验进行，人工水草对水中磷的吸附逐渐达到饱和，对TP去除率逐渐下降[3，10]。同时试验前期各试验组生物膜的吸附作用及机械截留作用，可吸附溶解性磷及截留部分非溶解性磷，故较空白下降速度快，且具有一定持续作用[1]。不同类型人工水草具有不同生物膜生长-脱离循环时间，影响着水体TP浓度变化。计算结果表明，空白组TP去除率为32.32%，细绳状人工水草组为60.77%，组合填料组为53.45%，立体弹性填料组为63.36%，超细立体纤维填料组为50%；比较之下，生态水草组的TP去除率均高于空白组，且各组生态水草的TP去除效率为立体弹性填料组>细绳状人工水草组>组合填料组>超细立体纤维填料组。生物除磷实质上是聚磷菌等微生物在厌氧和好氧的交替过程中对磷进行降解与吸收。试验期间TP浓度出现升高的原因可能是人工水草在挂膜期间截留和吸附了大量的磷，而水中缺乏聚磷菌等以磷为基质的微生物，从而导致部分非溶解性磷重新释放到水中；其次是空气作用导致水体溶解氧浓度反复变化，进而影响了磷的释放和吸附过程[9]。

由图4可知，各试验组的NH4+-N浓度总体呈下降趋势，NH4+-N浓度不断降低，这是由于人工水草生物膜上的硝化细菌和反硝化细菌优势逐渐形成，生物膜内外形成缺氧层和好氧层，硝化和反硝化同时进行，从而使NH4+-N浓度不断降低[9]。结果显示，空白组NH4+-N去除率为54.28%，细绳状人工水草组为80.74%，组合填料组为65.78%，立体弹性填料组为78.26%，超细立体纤维填料组为64.42%；各试验组均较空白组的去除率高。各组NH4+-N去除效率为细绳状人工水草组>立体弹性填料组>组合填料组>超细立体纤维填料组。试验期间NH4+-N浓度的回升可能与部分生物膜脱落有关，其导致水体NH4+-N浓度升高[1]。

由图5可知，水体氮的去除主要依靠载体的吸附、过滤和沉淀作用、氮的挥发作用和微生物的硝化-反硝化作用[9]。生物膜上的微生物具有反硝化作用，将硝态氮转化为氮气排出，降低水体中的TN浓度。结果显示，小试期间各试验组TN浓度均持续下降，其中空白组TN去除率为53.19%，细绳状人工水草组为77.66%，组合填料组为69.30%，立体弹性填料组为75.58%，超细立体纤维填料组为70.06%；生态水草组的TN去除率均高于空白组15个百分点以上，各组人工水草TN去除效率为细绳状人工水草组>立体弹性填料组>超细立体纤维填料组>组合填料组，表明这4类人工水草处理中微生物的生长与作用存在差异，其中细绳状人工水草组和立体弹性填料组表现较好。

总体而言，细绳状人工水草组对CODMn、NH4+-N及TN的去除率最高，其次是立体弹性填料组；对TP去除效果最好的是立体弹性填料组，其次是细绳状人工水草组。绳状填料对各种污染物处理效果稍优于立体弹性填料，这与其他研究结果一致[9]，但两者处理能力间没有显著差异（P<0.01）。研究也表明，超细立体纤维人工水草对污水的去除效果最差，这与其他研究成果一致[7，10]。

2.3 人工水草工程中试效果

根据小试试验结果及价格因素，选择立体弹性填料开展中试试验，研究表明，试验期间组合工艺对河涌水体污染物表现出了较好地去除效果，其中，TP去除率达73%，NH4+-N去除率更高达83%，立体弹性填料在工程应用是可行性的。以上为小、中试结果，试验中各种条件比较理想，所得数据与实际工程应用有一定出入，但仍能给工程应用一定参考指导。此外，研究表明，在流动水体中，随着人工水草密度增大，缓流作用明显增加，增加水力停留时间，利于对污染物的去除[11，12]，如需优化填料数量与长度等关键参数还需进一步开展中试试验使数据与实际更加相符。根据该研究考虑在黑臭河治理中综合成本与效果因素，本公司優先采用了立体弹性填料作为污水处理材料，取得良好的工程效果。

3 结论

1）在黑臭河水处理试验中细绳状人工水草和立体弹性填料表现出了较快地挂膜速度。

2）细绳状人工水草和立体弹性填料也表现出较强地对黑臭河水TN、TP、NH4+-N、CODMn处理能力。立体弹性填料结合生态浮岛和曝气工艺表现出较佳的污染物去除效率。

3）综合上述两种能力比较及价格成本因素，建议在成本可控、少量使用情况下优先采用细绳状人工水草，而在较大使用量超出成本预算情况下，可选择使用立体弹性填料或其与细绳状人工水草的组合。

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