碳素纤维草对小型封闭水体水质净化作用

2019-01-18成豪

水资源保护 2019年1期

成豪

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

随着我国国民经济发展和工业化进程不断推进，水环境问题逐渐凸显，造成城市水体黑臭问题的主要原因有水体缺氧、富营养化、底质污染、水循环不畅、人类过度排污等[1]。针对城市中较为常见的小型封闭水体，微生物强化净化技术有较强的适用性[2]。微生物强化净化技术包括投菌技术、生物促生技术、生物膜技术等。生物膜技术因其占地小、效率高、耗时短等优势被广泛采用[3]。近年来随着黑臭水体治理[4]被纳入国家《水污染防治行动计划》，生态草技术作为一种新兴的生物膜技术得到了越来越多的应用。生态草因其形态与水草相仿而得名，其材质具有耐性高、柔性好、对环境友好、比表面积大等特点。本文就碳素纤维生态草在小型封闭水体中的应用进行试验和并分析其净化效果。

1 材料与方法

1.1 试验用水

试验用水采自重庆市主城区某小型封闭湖泊，水样水质：ρ(DO)=10．58 mg/L，pH=9．18，ρ(CODMn)=14．90 mg/L， ρ(TN)=0．85 mg/L，ρ(TP)=0．06 mg/L，水温 30．6℃。

1.2 试验方法

试验场所设在通风的阳光房内，试验时间为7—8月，共计40 d。试验装置主体为有机玻璃材质容器，容积约4．5 L，采用锡纸将容器侧壁围实，使其更符合天然水体特征。碳素纤维生态草比表面积约2000m2/g，单根尺寸为65cm×40cm，由大量直径约7 μm的碳素纤维丝组成，浸没于容器内水样中，设置密度约每升水样4 g碳素纤维，每隔5 d定期测定容器内中间水层水质，并镜检生态草表面挂膜情况。

1.3 测定指标及方法

DO、ORP、T：带DO和 ORP探头的哈希 HQ40d便携检测仪;CODMn：酸性法;TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法;TP：钼锑抗分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 挂膜情况

试验开始前生态草在显微镜下呈光滑黑色条带状;约5 d后生态草局部出现黏液状生物膜，微生物开始附着生长;约10 d后生态草表面出现大量且种类较多的附着生长微生物。

从生态草表面形成的生物膜中检出多种藻类及浮游动物，如硅藻、累枝虫、钟虫、轮虫和线虫等。试验中后期轮虫的出现是水体处在寡污带的标志[5]，表明水质逐渐向好。此外在所取样品中还发现了一些孑孓。

2.2 DO质量浓度变化情况

DO质量浓度总体呈现出先降低而后缓慢增加直至稳定的变化过程(图1)。初期DO质量浓度降低是由于试验场所较之室外光照强度、温度等环境因素发生改变，水样中藻类等微生物对新环境存在适应期。DO质量浓度在5 d左右降到最低值，处于劣Ⅴ类(＜2 mg/L)水平。后随着生态草表面生物膜形成，藻类的光合作用和微生物的呼吸作用逐渐达到动态平衡，DO质量浓度在30 d左右趋于稳定，达到地表水Ⅳ类标准。

图1 DO质量浓度变化情况

2.3 CODMn质量浓度变化情况

如图2所示，CODMn质量浓度在0～15 d期间出现骤降，其原因是发生了“初期吸附去除”现象。碳素纤维生态草具有很大的比表面积，对水中的有机物具有很强的吸附性。有资料显示，疏水性的碳纤维丝遇水散开后比表面积可达2 000 m2/g[5]。此后，CODMn质量浓度先升后降，波峰出现在25 d左右，与生物膜世代更替、部分老化脱落有关。有研究表明，藻类死亡后的生物残体分解会产生腐殖酸类和臭味物质，适宜条件下可能引发水体黑臭及藻源性湖泛[6]。除采取及时清除死亡藻类等措施外[7]，通过微型后生动物等的吞噬作用可大大降低水体中死亡藻类残体数量[8]，因此应采取有效措施维持水生态系统的完整与健康。试验进行至40 d，CODMn去除率达71%，水质从Ⅴ类改善为Ⅲ类。

2.4 TN质量浓度变化情况

图2 CODMn质量浓度变化情况

如图3所示，试验过程中TN质量浓度呈现先升后降再上升的波动态势。5 d左右出现峰值是由于生态草表面正在形成中的生物膜尚未达到造成“好氧+缺氧”微环境的厚度，反硝化作用受阻;到10d左右生物膜厚度增加，能够同时在外层发生硝化反应，在内层发生反硝化反应，TN质量浓度降低。15 d以后，随着可利用的碳源减少，硝化和反硝化作用放缓，TN质量浓度有所回升。整个过程中TN质量浓度大部分时间维持在Ⅲ类标准范围内，40 d时TN去除率为5．9%。

图3 TN质量浓度变化情况

2.5 TP质量浓度变化情况

如图4所示，试验期间水样TP质量浓度略有增加，其原因是多方面的。由于孑孓等生物存在生物扰动现象[9]，被吸附或沉积的物质易重新回到水中;此外，生物除磷要求碳、氮、磷含量最适比值为46∶8∶1[10]，试验水样水质并不满足该比例要求;同时，较高的DO质量浓度一定程度上促进了氨氮硝化[11]，反硝化对碳源的消耗增大，聚磷菌可获取用于释磷的碳源减少，除磷效果下降。有研究表明，为取得较好的生物除磷效果，厌氧区和好氧区DO质量浓度应分别为小于0．2 mg/L和1．5～2 mg/L[12]。整个试验过程中TP质量浓度虽有所增加，但水质均未劣于Ⅳ类标准。