生物倍增与生态浮岛技术修复黑臭水效果的对比分析

俞 晟，陈一虎，张延颇

（苏州市职业大学 教育与人文学院，江苏 苏州 215104)

城镇污、废水随意排放导致临近河湖富营养化，进而造成水体发黑和发臭，直接影响沿岸居民的生活品质[1-3]。因此，水体黑臭问题已成为当前水环境的热点问题之一[2,4-5]。对比“水十条”及相关专项行动规定的黑臭水治理完成目标，结合我国现阶段黑臭水成因和水质参数，需要研制一套完整且行之有效的治理技术及装备，实现阶段性预定目标任务[1,4]。当前，人工生态浮岛常被列入河道修复首选技术，但受水文气候等不可控因素影响而导致治理成效不理想，故该技术局限于湖泊和河道试验阶段[6-7]。因此，在修复治理成本低的前提下，急需开发稳定、持久、有效治理黑臭水体的工艺技术和装备，从而解决我国现阶段关系民生的水环境污染问题。

当前，国内外快速生化(生物倍增)技术研究得到普遍关注，其成效显著[8-10]。但因其设备结构关联度高和工艺参数控制复杂等局限性，使之仅在水污染处理有限范围内得以适应性试验使用，尚未得到工程化推广[9]，而其用于地表黑臭水修复治理更是少见。结合我国现阶段地表黑臭水实际情况[2，7]，在实验室条件下，对人工拟合黑臭水氨氮、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和透明度(SD)4个水质指标(《城市黑臭水体整治工作指南(2015年8月)》)及生化需氧量(BOD)和色度修复净化规律和过程研究，对比分析生物倍增与生态浮岛技术修复黑臭水效果，为生物倍增技术在黑臭水实际应用提供工程化数据支撑。

1 材料与方法

1.1 受试拟合黑臭水

对珠三角(18条河段)、长三角(19条河段)和渤海湾(17条河段)等水系较发达区域内城镇黑臭水中氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度等水质参数调研，经统计和汇总分析得到实验室模拟黑臭水水质，如表1所示。以统计均值为基准点，试验在接种已有黑臭水和水体沉积物(采样点120°38'，31°20')基础上添加可溶淀粉(有机物，BOD)、NH4Cl(氨氮)和底泥(色度和颗粒物)等物质，并以Na2CO3调节pH值。实验室控温，以满足受试水样水质与调研水质均值无显著差异(P<0.05)。

表1 黑臭水水质调研统计分析

1.2 试验装备

1.2.1 人工生态浮岛

生态浮岛主要由浮力层(提供浮力)、隔水层(防止渗水)、生物栅(微生物场所)、重坠(防止生物栅漂浮)和曝气装置(提供试验DO)组成。试验前，生物栅在水温T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中挂膜培养30 d，并放入浮岛进行黑臭水净化试验。试验槽长100.0 cm(分进水区 25.0 cm、反应区50.0 cm、出水区25.0 cm)，宽30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，试验槽内体积为225.0 L(扣除生物栅等组件后有效容积221.3 L)。生物栅(直径8.0 cm，按最大填充率80%布设)上端固定于长50.0 cm，宽30.0 cm浮力层上，下端设重坠，使其铅垂于试验黑臭水中。控制曝气量，使生物栅进水DO=(6.0±0.8) mg/L，且按文献[5-7]黑臭水治理工艺，控制浮岛水力停留时间HRT=8.0 h。

工作时，浮岛放置于受试水样，使生物栅、重坠和曝气装置完全浸没于受试黑臭水水样。启动曝气系统，气泡扰动试验配水以提高水样溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L，来满足水体好氧生化所需耗氧量。因水位差作用，受污水样流经生物栅后由出水溢流系统排出，记录浮岛进出水水质。

1.2.2 生物倍增单元

生物倍增单元主要由分离廊道(固液分离场所)、出水堰(清水出水)、沉淀泥斗(颗粒物沉积场所)、分选岛(引导气水混合流，兼顾污泥回流)和曝气装置(提供试验DO)组成。试验前，生物倍增单元在水温T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中污泥富集培养30 d，此单元与浮岛同时进行黑臭水净化试验。生物倍增单元长100.0 cm，宽30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，试验槽内体积为225.0 L(扣除分离廊道等组件后有效容积220.7 L)。分离廊道(长65.0 cm，高5.0 cm)按最大布设角55°安置于生物倍增单元内，下端距分选岛0.5 cm。控制曝气，使单元进水DO=(6.1±0.6) mg/L。按文献[8]黑臭水治理工艺和考虑浮岛HRT，控制生物倍增单元水利停留时间HRT=8.0 h。

工作时，生物倍增单元放置于受试水样，使分离廊道、出水堰、沉淀泥斗、分选岛和曝气装置完全浸没于受试黑臭水样。启动曝气系统，气泡上升扰动试验配水并产生气体，以提升试验配水进入分离廊道，同时提高水样溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L，以满足水体好氧生化所需耗氧量。黑臭水因自重作用流入分离廊道，再经沉淀泥斗后由出水堰系统排出，记录单元进出水水质。

1.3 检测标准与数据分析

氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度检测分别按水杨酸——次氯酸盐分光光度法、电化学法、电极法、铅字法及稀释接种法、稀释倍数法执行，并记录检测数值。数据以Microsoft Excel 365进行记录、计算和分析，以单边分析法(ANOVA，IBM SPSS Statistics v25.0 for Windows)对记录和计算数据进行显著性检验(置信区间P<0.05)。所记录、计算和分析得到数据均采用Origin 2020 Pro进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水BOD和氨氮治理效果分析比较

有机物和氮素氧化分解时快速消耗水中DO，造成水中DO下降，进而造成有机物等在水中缺氧/厌氧分解，使含硫物质形成H2S等臭味物质[11]。水中有机污染物浓度较高时，水体厌氧产气造成水体底泥和沉积物再悬浮(甚者漂浮于水面)，遮挡、反射和散射入水光线，降低水体透明度[1,11]。因此需要分析进出水BOD和氨氮的浓度变化，以便缓解、控制进而修复黑臭水体。生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水BOD和氨氮治理效果如图1所示。

图1 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水BOD和氨氮治理效果

由图1可知，生物倍增单元与生态浮岛均可持久去除黑臭水中BOD和氨氮，当进水BOD为72.1~106.9 mg/L、氨氮为2.38~3.78 mg/L时，生物倍增单元出水BOD为3.5~5.6 mg/L、氨氮为0.90~1.22 mg/L，而生态浮岛出水BOD为14.7~31.8 mg/L、氨氮为1.36~2.42 mg/L。

生物倍增单元是通过底部曝气产生提升力使水体垂直混合扰动的，并借助气泡上浮进行中氧扩散，使水体由厌/兼氧状态转为有氧状态，此“土著”厌/兼氧微生物在高溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L条件下驯化为好氧微生物，进而转变为好氧生化反应[3,12]，使得BOD和氨氮与活性污泥在全混合下进行好氧生化反应。进入廊道的混合液在同向流好氧生化反应/沉淀时，因内摩擦及廊道侧壁的限制作用而改变了水力学条件，此区间内水流产生相互关联的微漩涡[5,7]，促成混合液中絮状/小颗粒污泥产生向心自凝聚。同时因侧板限制使得处于旋流状态下的低密度絮状/小颗粒污泥相互碰撞形成高密度的大颗粒污泥，且此颗粒污泥表面松散多孔[8-9]，有利于污染物的吸附，加速了BOD和氨氮的吸附交换和生化氧化降解[4,6]。在沉淀泥斗内，混合水样在压缩密集的颗粒污泥间隙内流动，因泥斗倒“V”型有利于减缓水流在颗粒间隙中的上升流速[8,10]，增加了停留接触面积(有利于水中污染物接触吸附降解和筛分)，加之高浓度颗粒污泥(提高了反应物浓度)促成好氧生化反应速率提升[9-10]，进而更高效去除廊道出水中剩余BOD和氨氮，最终使生物倍增单元对BOD和氨氮总体的去除率分别达95%和76%，出水BOD和氨氮浓度分别降到(4.6±0.4) mg/L和(1.09±0.05) mg/L。整个过程中，仅有“陈化”颗粒污泥通过分选隙回流(为新生颗粒污泥提供凝结核心，形成内循环以减少剩余污泥产出)，并无其他生物或生化过程发生“突越”，因此整个试验时段内出水水质平稳(BOD最大差值为2.1 mg/L、氨氮最大差值为0.32 mg/L)。对于生态浮岛，试验配水通过前置曝气提升水样溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L值后流经浮岛生物栅，虽呈现好氧生化反应过程，即BOD=(20.6±3.0) mg/L、氨氮=(1.85±0.15) mg/L，但生物栅表面生物膜致密，因此仅能通过表层生物膜吸附降解作用达到BOD和氨氮去除[7,13]，故而去除效率有限(去除率 BOD为78%、氨氮为42%)[7]。此外，因生物栅固着的微生物内层厌/兼氧产气而外层为好氧生物膜致密，直接导致因内层微生物产生的气体无法及时传输而形成“气爆”，导致生物栅上微生物生态系统破坏(生物或生化过程发生“突越”)，致使微生物生化——生态循环中断，直接导致出水水质变差[13-14]，即每间隔(60±6) d的周期出水BOD均值达28.6 mg/L、最高达31.8 mg/L和氨氮均值达2.09 mg/L、最高达2.42 mg/L，出水水质稳定性差(BOD最大差值为17.1 mg/L、氨氮最大差值为1.06 mg/L)。综上所述，在整个试验时段内，相较于生态浮岛水质波动性大，生物倍增单元可更为稳定高效去除水中BOD和氨氮(BOD生出/浮出=4.5,氨氮生出/浮出=1.7)，其出水水质也更为稳定(P<0.05)。

2.2 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水DO和ORP治理效果分析比较

当水体处于缺氧/厌氧状态时(DO<2.0 mg/L)，水体有机污染物降解不完全，甚至将某些物质还原成新的污染物(如含硫物质形成H2S)，从而造成水体腐败发臭[11]。水中ORP直接表征水体还原性状态，即氧化还原电位较低(ORP<50 mV)时，则容易产生水体黑臭现象[7,10]。因此，观察出水DO和ORP数值，结合BOD和氨氮情况，以分析生物倍增单元与生态浮岛处理效率。生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水DO和ORP治理效果如图2所示。

图2 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水DO和ORP治理效果

由图2可知，生物倍增单元与生态浮岛均可持久提升黑臭水出水中DO和ORP，当进水DO在1.4~2.0 mg/L、ORP在－243~－65 mV时，生物倍增单元出水DO在3.5~5.8 mg/L、ORP在109~175 mV，生态浮岛出水DO在4.5~6.8 mg/L、ORP在－115~155 mV。

在生物倍增单元中，试验配水在外曝气增加DO后进入分离廊道，再由沉淀泥斗和出水堰出水，整个流动过程中只有外曝气充氧和出水堰复氧两个途径，其余过程均无法直接增加水中DO浓度[8-9]。由于BOD和氨氮高效去除，消耗水中DO[5,12,14],因此出水堰前(泥位上边缘)出水DO浓度较低(均值为(3.9±0.8) mg/L，最低浓度为3.1 mg/L)，而经出水堰跌水方式出水后DO达到(4.7±0.3) mg/L，可见该组件有效提升了出水DO(跌水扰动和形成气泡使DO增加21%)。对于生态浮岛，进水经曝气DO=(6.0±0.8) mg/L后，试验配水全程均与大气接触，即水中DO不足时大气中氧气可及时进行复氧[6,14]，故其出水DO=(5.7±0.3) mg/L。可见，无论生物倍增单元的外曝气和出水堰跌水组合，还是生态浮岛前置曝气和全程复氧组合，均可提升黑臭水出水DO浓度，但在出水DO浓度满足有氧水体前提下，生物倍增单元在BOD和氨氮处理方面更具优势。再分析ORP指标[5,15]，在两者DO浓度差异不显著情况下(P>0.05)，因生物倍增单元更低的出水污染物浓度，直接导致更高的出水ORP数值(ORP=(142±8) mV)约为生态浮岛出水ORP数值(ORP=(19±31) mV)的7.5倍。故生物倍增单元可更有效地完成黑臭水DO和ORP的修复任务。

2.3 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水透明度和色度治理效果分析比较

水体透明度和色度可直接影响普通民众对水体黑臭现象的主观心理评价[1,16]。水体干净清洁可以促使沉水植物更好地光合作用，促使水中污染物和氨氮快速高效耗氧生化分解[16-17]。因此需对比生物倍增单元与生态浮岛在实验室条件下净化黑臭水能力，以判断其对黑臭水透明度和色度的改善情况。生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水透明度和色度治理效果如图3所示。

图3 生物倍增与生态浮岛技术对黑臭水透明度和色度治理效果

由图3可知，生物倍增单元与生态浮岛均可持久改善黑臭水出水透明度和色度，当进水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍时，生物倍增单元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度为1~7倍，生态浮岛出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

透明度较高时色度相对较低，反之亦然[4,6]，这一结果在图3中得以印证(配水透明度主要受色度影响)。正如BOD和氨氮所述，生物倍增单元的分离廊道具备絮状/小颗粒污泥向心自凝聚作用，可促使配水中丝状固态污染物通过卷扫而捕获水中短絮状/小颗粒污染物[8,17]，在向心自旋过程中聚集成大颗粒污泥，并增加颗粒污泥密度而便于沉淀分离于沉淀泥斗中。沉淀泥斗因高污泥浓度而产生的重力挤压导致颗粒污泥间隙进一步缩小，而试验配水流经该间隙时，借由颗粒污泥多孔表面的吸附性和间隙的筛分性进一步去除水中各类溶解态含色污染物和颗粒态污染物[18]，促使水体透明度增加和色度降低。出水透明度为(90.0±1.3) cm，出水色度为(3±1)倍，且整个试验时段内因无生物膜物剥离和脱落现象，水质透明度和色度修复效率平稳(最大差值透明度为7.2 cm、色度为6倍)。反观生态浮岛，虽整个试验时段内亦可修复出水透明度SD为(53.8±8.1) cm和色度为(10±4)倍，但每间隔(60±6) d周期的“气爆”问题使得固着的微生物大面积脱落进入水中[10,16]，直接表现为浮岛出水透明度下降(SD均值为37.9 cm，最低值为34.1 cm)和色度增加(均值为18倍，最高为29倍)。总之，在试验时段内，生物倍增单元可更为稳定高效修复水中透明度和色度(透明度生出/浮出=1.7，色度生出/浮出=0.3)，修复出水水质更为稳定(P<0.05)。

3 结论

1)相较生态浮岛，生物倍增单元对黑臭水BOD和氨氮去除效率更为显著。进水BOD在72.1~106.9 mg/L和氨氮在2.38~3.78 mg/L时，生物倍增单元出水BOD在3.5~5.6 mg/L和氨氮在0.90~1.22 mg/L，生态浮岛出水BOD在14.7~31.8 mg/L和氨氮在1.36~2.42 mg/L。

2)生物倍增单元和生态浮岛均可提升黑臭水DO浓度，但就黑臭水ORP而言，生物倍增单元出水ORP数值得到更为有效改善。进水DO在1.4~2.0 mg/L和ORP在－243~－65 mV时，生物倍增单元出水DO在4.5~6.8 mg/L和ORP在－115~155 mV，生态浮岛出水DO在3.5~5.8 mg/L和ORP在109~175 mV。

3)相较生态浮岛，生物倍增单元对黑臭水透明度和色度修复效果更为显著。在进水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍时，生物倍增单元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度在1~7倍，生态浮岛出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

4)生态浮岛出水水质每间隔(60±6) d均出现周期性恶化，生物倍增单元在整个运行时段内出水水质更为稳定，可有效完成黑臭水修复任务。