基于生物滤床的有机污染物降解机制*

闫 萍，高 超，江正卓，朱嘉仪，周其香，刘树龙

（1.淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北235000；2.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北235000）

随着社会经济的发展，环境恶化日趋严重。很多地区城市内河黑臭现象普遍，人工曝气、强化絮凝等理化方法对黑臭河道治理效果明显，但存在发生二次污染等问题。工业废水未经处理排入城市水体，城市水体生态流量不足等导致水流间断性出现黑臭现象。全国查出黑臭水体2100个，完成治理2011个，造成黑臭水体污染原因包括底泥再悬浮及水体热污染等。对城市黑臭水体治理的技术众多，目前主要治理方法分为物理法、化学法和生物-生态法等，物理法仅在短时间内有效，生物-生态法可从根本上改善水体。为高效环保处理黑臭水体，提出利用复合生物酶技术降解有机污染物，采用复合生物酶后无二次污染，通过与水生植物协同作用及直接吸收等过程去除水体中的有机污染物[1]。本文通过室内试验研究不同影响因素，为城市黑臭水体污染治理提供新的技术方法。

1 黑臭水体污染现状

我国水环境污染现状是整体恶化，今后一段时期水污染成为制约我国经济可持续发展的重要因素。国家生态环境部公布环保公报显示，我国水系412个水质监测断面中IV-V类水质断面比例为30%，珠江水质较好，黄淮水质较差。主要污染指标为五日生化需氧量，全国主要城市地区地下水水质受人为活动影响大，亚硝酸盐、氯化物等组分含量升高。我国城市生活用水污染负荷超出工业废水，水污染控制重点转变到以城市生活污水为主。河流是城市生命源，城市河流水质状况直接影响人们的生存环境。随着经济高速发展，我国黑臭河流问题突出，表现为污染物大量汇聚于底泥，严重威胁人居环境。

城市化是经济社会结构变革中的必然趋势，河流污染会成为限制城市可持续发展的关键因素。住建部公布城市黑臭水体整治信息显示，全国城市黑臭水体完成治理约5%，制定方案未启动占83%[2]。造成城市黑臭水体的原因复杂，包括排水管网设施不健全，排水管网建设无法适应城市发展；城市污水处理设施滞后于城市发展，城市人口激增给环保部门带来巨大压力，有些污水未经处理排放导致河流污染；城市河流周围环境未得到妥善治理，河岸居民肆意向河道排放生活污水垃圾，导致河流水质恶化。国家“十三五”规划把优先控制单元污染作为水污染治理的主攻方向，通过人工湿地等措施减少污染物进入水体的含量。如何经济有效地对城市黑臭水体进行生态修复成为城市生态文明建设的重要内容。

2 城市黑臭水体成因治理

黑臭水体是水体污染极端现象，根本原因是水体复氧与耗氧失衡，腐殖质污染物破坏水体自净作用。城市中黑臭水体为市民造成很差的感官体验，黑臭水体成为各大新闻媒体关注的焦点，由于城市黑臭水体成因复杂，彻底解决黑臭水体有一定难度。目前，我国城市黑臭水体污染严重，为城市可持续发展带来巨大威胁。需要了解黑臭水体成因类型与治理方法，探寻治理城市黑臭水体的根本途径。

城市内河黑臭现象本质是水体过量纳污造成的，黑臭水体是由于众多环境因素共同造成的，把握黑臭水体成因可以为治理方案设计提供参考。归纳其主要成因包括内源污染物在底泥释放，溶解氧消耗等[3]。内源污染对水质有很大影响，各种元素在水体中可以被植物利用，可通过理化沉降作用在底泥沉降，污染物不断在底泥中积累，内外源污染释放量相当。外源污染物进入水体消耗溶解氧，外源污染物包括有机碳氮硫等。随着污染物进入水体使微生物大量繁殖，消耗大量溶解氧释放黑臭物质。微生物厌氧发酵中产生甲烷，导致形成水体黑臭现象。水体流动性对污染物扩散起到重要作用，封闭型黑臭水体流动速度慢，水体复氧能力降低，易引起藻花爆发，加剧水体富营养化。

黑臭水体主要由于有机污染物过量输入消耗溶解氧形成，溶解氧失衡造成铁硫元素循环，导致水体产生黑臭现象[4]。黑臭水体有机物复杂，分为非可溶性与溶解性。非可溶性有机物易以颗粒状存在于水体，有机物化学成分复杂，来源于底泥、原生动物等。有机生物悬浮于水体降低水体透明度，形成黑色物质是导致水体发黑的主要原因。溶解性有机物成分复杂，包括蛋白质、碳水化合物等。通常为好氧有机物，易被水体中的微生物利用，有机物存在不会对水体产生危害，但水体有机物输入量过大消耗溶解氧，使厌氧分解过程放大产生CH4等物质导致形成黑臭水体。造成水体黑臭原因是大量有机物进入水体，破坏水体中的元素循环，造成水体黑臭。

黑臭水体治理是系统工程，应按内源控制，补水活水的技术路线，科学制定治理方案。外源污染减排是治理黑臭水体的前提。内源污染物控制可通过技术手段达到，避免二次污染产生。用清水补水活水易造成资源浪费，应采取再生水补水方式。黑臭河道治理关键是恢复水体自净能力。黑臭水体成因复杂，地域特点及水环境因素对治理技术产生影响。需要针对不同条件确定技术方法，目前黑臭水体治理技术包括水体疏浚、截污纳管、人工增氧等。黑臭水体成分复杂，受水环境条件影响为治理增加难度。城市黑臭河道严重影响居民生活质量，河道黑臭处理困难，治理方式分为物理法、化学法和生物-生态法方法。综合现有黑臭水体处理技术，缺乏完美的技术方法。对黑臭河道治理需要对其污染物来源、气候条件等因素综合考量，选择使用适合于黑臭河道治理的模式。

3 生物滤床处理黑臭水体有机物降解实验

3.1 实验方法

采用生物滤床技术处理黑臭河流，主要包括防渗填料层、喷洒复合生物酶等。生物滤床可以截流生物转化产生的剩余污泥，塑造环保景观。骨架结构为微生物等提供载体，防渗填料层对污染物具有过滤能力；种植水生植物根系可吸收水体污染物，水生植物层在低温时对微生物具有保温作用[5]；水生植物根系附着微生物，可进行系列生物转化反应分解污染物。

水下T面喷洒复合生物酶包括水解酶等，氧化还原酶引起水体污染物脱氢，通过氧化还原酶获得能量；水解酶催化水体中污染物的水解作用；裂解酶催化有机物碳链断裂。复合生物酶吸附在骨架结构形成生物膜，可以持续发挥作用，抑制病原性微生物繁殖，改善污水可生化性，形成生物膜有利于微生物生长，对流动水体有很好的处理效果。生物滤床采用可反复使用聚氨酯材料制成水面支撑T型结构，上面铺设无底花盆，加入培养土与天然沸石混合防渗填料层，使得水生植物根系暴露于水下，水生植物可采用水葫芦、香蒲等。

水下结构采用有机-无机复合多孔污水处理材料制成。根据实际处理需求调整生物滤床尺寸。室内实验时喷洒复合生物酶，将城市黑臭河流不同时段水体引入实验室同体积水池，在底部铺设底泥静置48h。使用FQB浮筒曝气池。采用HJ828-2017，HJ505-2009，HJ665-2013检测方法，分析COD，DO，BOD5含量。

3.2 结果讨论

首先将复合生物酶稀释至质量浓度2mg/L，首日喷洒进ABCDEF池，次日喷洒进BCDEF池；第六日喷洒F池。试验期间水温26℃-29℃，喷洒复合生物酶后每日曝气1h，由于复合生物酶对水体存在适应期，采用加入15d后污染物去除率进行比较。分析15d后水质DO含量与COD变化趋势。

喷洒复合生物酶后DO含量与COD变化显著，在质量浓度小于10mg/L时，复合生物酶对污水有机物降解能力加强，污水中微生物将有机物作为生长基质，获取生命活动所需能量，随着复合生物酶投加量增加，加强微生物催化作用。NH3-N含量持续降低，EF组差异不明显，相比A组差异大。质量浓度大于10mg/L时，COD逐渐趋于稳定，水中耗氧物质减少。原因是污水中有机物含量是一定的，与污染物结合后增加复合生物酶含量反应速度不变。质量浓度为12mg/L，COD与BOD5去除率达88.89%、81.75%。复合生物酶质量浓度为12mg/L，EF组效果最佳，10mg/L与12mg/L时效果差异不大。喷洒复合生物酶适宜质量浓度为10mg/L。

以复合生物酶适宜投加量E组为代表进行水质指标分析，喷洒前4d，复合生物酶未适应污水状态，适应期内污水微生物对有机物降解，复合生物酶作用于底部污泥，向污水释放污染物。水体中NH3-N含量与COD不降低。自第5日复合生物酶适应水体环境，与微生物复配降解污染物，复合生物酶对水体适应性增强，持续作用于污水微生物。污水中NH3-N含量降低，经过复合生物酶15d分解后完全适应污水，对污水降解能力达到最大。污水中COD趋于稳定。水体无明显恶臭，DO含量不增加。

以复合生物酶适宜投加量E组为代表在温度10℃、20℃、30℃下进行15d培养，培养期间每日曝气供氧1h，分析15d后不同温度下污水水质，温度为10℃时复合生物酶活性较低，水体中有机物降解缓慢。温度升至25℃，复合生物酶活性增强；复合生物酶温度为25℃~30℃，酶促反映速度提高，COD降至最低；过高温度降低酶催化效率。水中COD增加。污水中微生物活性受温度影响，温度过低抑制微生物新陈代谢活动，环境温度过高使微生物失活，适宜温度为25℃~30℃。

水温25℃下，以适宜投加量E组为代表，利用碳酸氢钠调整污水pH，在6.0、7.0、8.0条件下进行15d培养，培养期间每日曝气供氧1h，分析15d后不同pH下污水水质指标，污水pH小于7时，复合生物酶为阴离子型，pH可影响污水中有机物转化，pH在7.0-7.5时，较高的pH可为硝化反应提供碱度，水中NH3-N含量与COD较低，处理后污水水质COD上升，NH3-N含量不断升高。适宜pH为7.0-7.5。酶在不适的pH范围内会降低活性，复合生物酶所处环境的pH接近中性，催化效果好。

复合生物酶投加量为10mg/L，pH为7.2的情况下，实验组采用曝气机曝气供氧，通过15d培养后分析处理结果，经过曝气供氧后COD、BOD5去除率提高。污水COD降解依靠微生物分解转化，曝气有利于加强有机物新陈代谢作用。污水中NH3-N不稳定，有氧条件下经亚硝化细菌作用，氨氮氧化为硝酸盐氮，无氧条件下反硝化菌将亚硝酸盐氮作为最终电子受体还原成氮气。曝气有利于亚硝化细菌氧化，反硝化细菌体内酶合成需要氧气。BOD5去除靠微生物吸附作用，悬浮物吸附在微生物表面。微生物在有氧条件下将污水部分有机物合成新细胞，最终产物为CO2等稳定物质。曝气可以快速分解有机物，与研究改善通气条件有利于去除COD一致。

4 应用实例

利用生物滤床技术对城市黑臭河流进行中试，河段上游存在生活污水排入，生物滤床放置在河流中部位置，添加推流曝氧装置增加DO含量。生物滤床顶部种植不同水生植物，利用根系分解吸收水体污染物，微生物配合水中T面复合生物酶作用降低污染物含量，水体中藻类夏季大量爆发形成水华，严重影响水环境。2018年监测数据表明，该水体水质为劣质V类。治理期间生物滤床顶部水生植物生长茂盛，及时拦截除去大量漂浮物。河流pH控制在7.2，放置5d后检测水质指标，COD经处理后降至30mg/L。经23d处理后COD含量满足GB3838-2002地表水V类标准要求。

5 结束语

实验采用复合生物酶处理黑臭河流水样，得出喷洒复合生物酶优化质量浓度为10mg/L，复合生物酶适宜处理时间为15d，污水接近中性下有利于提高处理效果。利用复合生物酶技术对黑臭河流中试处理中，投加量为10mg/L，经23d处理后水体水质符合地表水V类标准要求。今后使用生物滤床技术处理黑臭水体需考虑不同季节水质变化等因素影响，以复合生物酶作为辅助或核心技术，使用时考虑生物酶活性影响。