人工水草技術(shù)在污染河道治理中的應(yīng)用進(jìn)展

滕慶曉 王涌濤 龐燕 黃天寅 項(xiàng)頌

摘要 近年來，河道污染問題日益嚴(yán)重，各種水質(zhì)凈化技術(shù)越來越引起人們的關(guān)注。水質(zhì)原位凈化技術(shù)憑借其經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)勢應(yīng)用日趨廣泛。首先對河道原位修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外的研究應(yīng)用進(jìn)行了概要介紹，隨后對人工水草技術(shù)進(jìn)行了詳盡的闡述，最后指出了人工水草技術(shù)在研究與應(yīng)用上存在的問題并進(jìn)行了展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域的人員提供參考。

關(guān)鍵詞 污染河道;原位修復(fù);人工水草

中圖分類號(hào) S181.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-269-04

Application Progress on Polluted River Treatment by the Technology of Artificial Plants

TENG Qingxiao¹，2， WANG Yongtao¹， PANG Yan²et al ?（1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215009; 2. Research Center of Lake Ecoenvironment， Chinese Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012）

Abstract ?In recent years， city river pollution problem is increasingly serious. Various water purifying technologies have attracted more and more attentions. Insitu water purifying technology virtues by its advantages， efficient， sustainable economy and others. This paper systematically introduces the research and application progress of river remediation technology at home and abroad， then the artificial plant technology is discussed in details， finally pointed out the existence of artificial plant technology in research and application problems， so as to provide some references for the studies within the relevant field.

Key words ?Polluted river; Insitu remediation; Artificial plant

基金項(xiàng)目 國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07105003）。

作者簡介 滕慶曉（1988- ），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：水污染控制。

收稿日期 20141209

自古以來，人類的生存就離不開水，而我國是世界上水資源最貧乏的國家之一?！?012年中國水資源報(bào)告》指出，全國16個(gè)省市水資源量低于嚴(yán)重缺水線^[1]，其中，山東、山西、河南、河北、寧夏、江蘇嚴(yán)重缺水，而這些省市大多處于京津唐、滬寧杭等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。因此，水資源嚴(yán)重缺乏的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

近年來，國家大力發(fā)展城市現(xiàn)代化建設(shè)，工業(yè)發(fā)展水平不斷加快，造成了城市河道低溶解氧、低透明度、高氮磷污染的現(xiàn)狀，導(dǎo)致水生植物無法生長、河道“荒漠化”的惡果。故以改善河道水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)水生態(tài)原狀、提高水體自凈能力為目的的河道原位修復(fù)技術(shù)越來越得到重視。

1 污染河道原位修復(fù)技術(shù)進(jìn)展

河道原位修復(fù)技術(shù)是在原有河道基礎(chǔ)上，在河道中加入一定載體，利用載體及上面的生物群落對污水中的污染物起到凈化作用^[2]。原位修復(fù)技術(shù)可以分為物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)。相較于物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)，生物技術(shù)具有自然高效、簡單靈活等優(yōu)勢，日益受到國內(nèi)外青睞。

1.1 物理技術(shù)

物理技術(shù)主要通過打撈、疏浚等方法處理水體內(nèi)的大型藻類、枯枝落葉、底泥等可見污染物;或通過曝氣增加水體內(nèi)溶解氧濃度，為水生微生物好氧分解有機(jī)污染物提供條件，幫助河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)正常。它具有技術(shù)含量低、成本低、見效快等優(yōu)點(diǎn)。

早在20多年前，國內(nèi)外就對物理技術(shù)進(jìn)行了探索。浙江省在“十五”期間對全省1.11萬km河道進(jìn)行了疏浚，總工程量近5億m^3[3]，有效解決了浙江省內(nèi)河道排澇不暢、水體黑臭、水環(huán)境狀況差的問題;在河道曝氣方面，上海蘇州河支流新涇港^[4]經(jīng)過純氧曝氣后，新涇港黑臭河水得到改善，DO顯著升高;在廣東朝陽進(jìn)行了水車式增氧機(jī)、葉輪式曝氣機(jī)、射流式曝氣機(jī)在復(fù)氧方面的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在功率相同的情況下，水車式增氧機(jī)在恢復(fù)河道環(huán)境、去除污水污染等方面均優(yōu)于其他兩種機(jī)型^[5];同期，美國在Chesapeake海灣的Hamewood運(yùn)河也完成了實(shí)地研究，他們在河口安裝曝氣設(shè)備為水體充氧，使得河道內(nèi)水質(zhì)明顯凈化，生物量大量增加^[6]。在上海張家浜河道，人們則通過曝氣復(fù)氧船的方式對黑臭河流進(jìn)行水質(zhì)恢復(fù)，取得顯著效果，且無二次污染^[7]。但物理處理技術(shù)只是一種應(yīng)急措施，很難從根本上解決水質(zhì)污染問題。

1.2 化學(xué)處理技術(shù)

化學(xué)處理技術(shù)是指通過添加化學(xué)試劑，析出水體中的有機(jī)污染物、改變水體中氧化還原電位、或者將水體中的懸浮物絮凝沉淀，使水體中污染物得以去除。該技術(shù)對氮磷和藻類的去除都有相對應(yīng)的方法，如利用鐵鹽和石灰去除氮磷;利用除藻劑去除藻類等。王曙光等對深圳4條污染河水進(jìn)行處理，處理后的河水水質(zhì)達(dá)到國家地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)^[8]。在日本，Sekine等將一種新型有機(jī)聚合凝結(jié)劑應(yīng)用于Imou河水利工程，也取得了明顯凈化效果^[9]。由于化學(xué)處理技術(shù)能迅速凈化污水，故在許多緊急事故處理中不可缺少。但化學(xué)處理技術(shù)容易造成二次污染，甚至?xí)茐脑猩鷳B(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致生態(tài)退化。

1.3 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)是指通過利用水生動(dòng)植物、微生物的正常生命活動(dòng)，吸附、吸收、轉(zhuǎn)化水體中的污染物，從而達(dá)到水體水質(zhì)凈化、生態(tài)恢復(fù)的目的。更重要的是，它以恢復(fù)水體自凈能力為目標(biāo)，遵循自然生態(tài)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)再生，體現(xiàn)了人與自然的和諧發(fā)展。

1.3.1 水生植物治理技術(shù)。

水生植物治理技術(shù)主要通過在污染水體中種植適宜的水生植物，吸收、富集、轉(zhuǎn)化水體中的污染物，同時(shí)又可以為水生動(dòng)物和微生物提供氧氣、食物和棲息環(huán)境，進(jìn)而建立完善的生物網(wǎng)，達(dá)到水生態(tài)恢復(fù)的目的。水生植物處理技術(shù)在國內(nèi)外早已廣泛應(yīng)用。王超等通過試驗(yàn)分析，證明了挺水植物在氨氮的去除上效果極佳，對改善河道及河岸水體生境幫助極大^[10]。王慶海等則對水生植物在農(nóng)村生活污水凈化中的作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)植物主要靠莖葉完成對氮磷的吸收，且蘆竹的凈化效果最佳^[11]。種云霄等研究表明，通過大型水生植物進(jìn)行污水深度處理，可以回收、固定能源，又不會(huì)產(chǎn)生毒副產(chǎn)物，是一種“綠色”處理技術(shù)^[12]。

1.3.2 生物接觸氧化技術(shù)。

生物接觸氧化技術(shù)是根據(jù)水體自身掛膜現(xiàn)象發(fā)展起來的一種以提高水體自凈能力為目的的新技術(shù)。它利用人工材料，為水生藻類、微生物提供良好的生長環(huán)境，進(jìn)而形成菌膠團(tuán)，再利用菌膠團(tuán)吸附、吸收、分解污染水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)，起到污水凈化作用。它根據(jù)其內(nèi)設(shè)填料不同分為自然材料（主要為礫石、卵石等）接觸氧化技術(shù)或人工合成接觸材料接觸氧化技術(shù)。自然材料接觸氧化技術(shù)主要為礫石生物接觸氧化法，它是根據(jù)河道中原有礫石能起到自凈效果原理設(shè)計(jì)的，在河道內(nèi)填充礫石，通過附著在礫石上的生物膜降解消耗水體中的微生物，從而達(dá)到改善水體水質(zhì)的目的。早在1999年，日本赤井一昭等利用接觸氧化透水堤對河水進(jìn)行凈化，解決了水體黑臭現(xiàn)象^[13];2001年陳輔利等通過模擬試驗(yàn)裝置對溝渠處理污水進(jìn)行了研究，COD去除率可達(dá)到80%以上^[14]。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于中小型河流的污染治理，取得了良好的社會(huì)、環(huán)境和人文效益。人工合成接觸材料接觸氧化技術(shù)則多采用人工合成的柔性材料作為填料吸附水體中的微生物。深圳市在對新州河的治理中，設(shè)置了200 m、污水停留時(shí)間6.5 h的柔性生物飄帶反應(yīng)區(qū)，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)凈化效果明顯，COD、BOD去除率都在90%以上。

2 人工水草技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展

人工水草技術(shù)是一種新型人工合成接觸材料接觸氧化技術(shù)。它利用耐污染、有一定彈性的人工材料，仿照水生植物設(shè)計(jì)成具有較大比表面積的新型仿生載體，通過微生物系統(tǒng)自身的演替，在載體表面形成從菌類、藻類到原生動(dòng)物、后生動(dòng)物的立體微生物生態(tài)系統(tǒng)，通過微生物的物種多樣性，實(shí)現(xiàn)治理系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。由于其表面有大量的微生物物種和完善的食物網(wǎng)，使得其微生物群落對有機(jī)污染物的代謝效率遠(yuǎn)高于其他技術(shù)。同時(shí)，其上獨(dú)有的“藻菌共生”體和微A/O結(jié)構(gòu)使脫氮除磷的效果更為明顯。

2.1 人工水草材料的研究進(jìn)展

人工水草污水凈化過程就是附著于人工水草材料上的微生物通過自身生長繁殖，消耗水體中污染物的過程。人工水草材料的特性對生物膜上微生物的種類數(shù)量、氧的利用效率和水力分布條件等有著重要作用，人工水草材料的選擇對人工水草技術(shù)能否成功運(yùn)行起關(guān)鍵作用。

人工水草填料的研究起源于20世紀(jì)70年代，最早是玻璃鋼或塑料等制成的蜂窩狀硬性填料。它由日本小島貞男發(fā)明，并應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。蜂窩狀硬性填料具有耗材少、空隙率大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但隨著長時(shí)間的使用，蜂窩狀硬性填料比表面積小、生物膜量小、硬質(zhì)材料易堵塞等弊端暴露出來，人們的研究目光開始轉(zhuǎn)向軟性材料。

80年代后，由多種纖維制作而成的繩狀人工水草開始得到應(yīng)用。它表面積巨大，微生物濃度可以達(dá)到15 000 mg/L，且軟性填料可隨水的流動(dòng)而流動(dòng)、不易堵塞，很好地解決了蜂窩狀硬性填料的問題，在國內(nèi)外得到了大量應(yīng)用。但軟性材料在長時(shí)間使用后易糾纏成束，減小了材料的表面積，影響凈化效果。針對軟性材料易糾纏成束，硬性材料比表面積小的問題，北京紡織科學(xué)研究院研發(fā)出了半軟性的組合填料，先把化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的剛性有機(jī)塑料單片穿在連接繩上，再把軟性材料縫制在塑料單片上。半軟性材料具有比表面積大、孔隙率高、耐腐蝕、不易阻塞、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。至此，人工水草技術(shù)基本成熟，但由于材料比較簡單，人工水草技術(shù)存在凈化效率不高，只適宜處理較低濃度污染水等問題。

1995年阿科蔓（AquaMats）生態(tài)基被推廣應(yīng)用于水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，并于2001年引入國內(nèi)。阿科蔓生態(tài)基是一種專門用于水質(zhì)凈化的新型高科技人工水草材料。它由纖維編制，經(jīng)特殊工藝處理，使纖維表面形成許多凹凸不平的褶皺和微孔，增加了微生物的附著面積。阿科曼生態(tài)基除在微污染水體修復(fù)方面表現(xiàn)出色外，更廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水綜合治理、農(nóng)村面源污染綜合治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域^[15]。

20世紀(jì)末碳素纖維偶然被日本小島昭教授發(fā)現(xiàn)，并就它對水體的凈化進(jìn)行了研究。隨后進(jìn)行表面改性，使之成為了適合人工水草技術(shù)的碳素纖維生態(tài)草。和一般的粗粒活性炭相比，碳素纖維生態(tài)草具有更發(fā)達(dá)的表面微孔結(jié)構(gòu)，因此碳素纖維生態(tài)草具有更高的吸附量和吸附速率，已經(jīng)被應(yīng)用于水體中有毒有害污染物質(zhì)的吸附去除^[16]。它有極強(qiáng)的物理吸附能力和生物親和性，其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)可以吸引魚蝦產(chǎn)卵，進(jìn)而形成完整的生物網(wǎng)，徹底改善水體。

在國內(nèi)，近年來人們對人工水草材料進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)。孟志國等將比表面積大、吸水能力強(qiáng)、價(jià)格低的無紡布用于人工水草，通過15 d的對照試驗(yàn)，證明其對COD與TOC、BOD平均去除率都在95%以上^[17]。中科院水生所吳永紅等采用多環(huán)串連人工水草，進(jìn)一步擴(kuò)大了人工水草材料的比表面積^[18]。周熙城則給人工水草上加設(shè)強(qiáng)筋，使之不易纏繞和倒伏，提升凈化效率^[19]。韓生健采用竹竿和尼龍繩構(gòu)成支撐框架，底端固定有使其在水中保持豎直狀態(tài)的配重物，取得了同樣的效果^[20]。

43卷3期 ? ? ? ? ? ? ? ?滕慶曉等 人工水草技術(shù)在污染河道治理中的應(yīng)用進(jìn)展

2.2 人工水草掛膜研究進(jìn)程 人工水草掛膜是指人工水草通過表面吸附作用，使具有去污能力的微生物穩(wěn)定生長在人工水草表面的過程。掛膜的好壞是人工水草處理水體是否穩(wěn)定的標(biāo)志。

2.2.1 人工水草掛膜方式。

人工水草掛膜的方式主要有人工接種掛膜和自然掛膜。20世紀(jì)90年代初，人們多用密閉循環(huán)法人工接種掛膜，即先把活性污泥與污水混合，通過泵將之打入反應(yīng)器中，經(jīng)48 ?h密閉循環(huán)使掛膜成熟。由于密閉循環(huán)法需接種污泥數(shù)量較多，操作較為復(fù)雜等原因，逐漸被“快速排泥掛膜法”取代?？焖倥拍鄴炷しㄏ葘⒒钚晕勰嗪臀鬯尤敕磻?yīng)器中，靜置6～8 h后將其全部排出。接著加入待處理的污水，3～4 d可完成掛膜過程。俞漢青等研究證明采用快速排泥掛膜法有掛膜微生物生長速度快，附著能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2003年員軍鋒等提出采用曝氣生物濾池反應(yīng)器掛膜的方法，該方法先將活性污泥和營養(yǎng)物質(zhì)加入反應(yīng)器中悶曝24 h，然后將反應(yīng)器中所有水體排空，再加入活性污泥和營養(yǎng)物質(zhì)再次悶曝72 h。經(jīng)4 d悶曝，生物膜生長成熟^[21]。生成的生物膜由于在悶曝期間受到?jīng)_擊較大，故耐沖擊能力優(yōu)于其他方法。

對于微污染水體的凈化，人們更常用自然掛膜的方法。自然掛膜雖速度較慢，不易形成，但形成后的生物膜符合“自然優(yōu)選”法則，更易對相應(yīng)水體進(jìn)行凈化。張東等試驗(yàn)表明，采用自然掛膜方法對彈性人工水草進(jìn)行掛膜是完全可行的^[22]。

2.2.2 影響生物膜形成因素的研究進(jìn)程。

人工水草技術(shù)主要通過生物膜上的微生物對水體進(jìn)行凈化，故生物膜形成的好壞是人工水草技術(shù)能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。生物膜的生長除與人工水草材料類型相關(guān)外，也與溫度、pH、溶解氧、水源水質(zhì)等外界因素有關(guān)。

2.2.2.1 溫度。

溫度通過影響微生物的生長影響掛膜。人工水草上的微生物多為中溫生長生物，其適宜的溫度范圍為20～30 ?℃。若溫度高于35 ℃，對微生物的酶系具有破壞作用;若溫度低于10 ℃，微生物的生長及凈化作用顯著減慢。周浩輝等采用生物陶粒濾池在三家店水庫進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫在20～25 ℃時(shí)，氨氮的去除率為90%～99%;水溫5～10 ?℃時(shí)，氨氮的去除率為80%～90%;水溫低于5 ?℃時(shí)，去除率在65%～80%之間^[23]。陳洪斌等的試驗(yàn)也證明，在溫度低于20 ℃時(shí)，溫度對氨氮的去除影響較大^[24]。張東等利用生物接觸氧化法對微污染水進(jìn)行掛膜研究。結(jié)果表明，掛膜過程受水溫影響很大，水溫較低時(shí)掛膜比較困難，水溫15 ℃以上掛膜相對容易。其他條件相同時(shí)，掛膜成熟時(shí)間隨水溫的升高而縮短^[25]。綜合文獻(xiàn)可知，當(dāng)水溫高于25 ℃時(shí)，微污染原水彈性填料掛膜時(shí)間一般為1～3周;當(dāng)水溫為15～20 ℃時(shí)，則一般需4周左右。

2.2.2.2 pH。pH主要通過影響微生物體內(nèi)酶的活性影響微生物的生命活動(dòng)。不適宜的pH會(huì)導(dǎo)致酶的活性降低甚至失活，進(jìn)而影響微生物的生命。Garrido等在試驗(yàn)中證明，試驗(yàn)進(jìn)、出水pH的變化可以反映人工水草掛膜程度的好壞^[26]。水的pH與硝化細(xì)菌的生長繁殖密切相關(guān)，硝化細(xì)菌在進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫離子，當(dāng)水體成堿性時(shí)，可將之中和;但當(dāng)水體呈酸性時(shí)，就會(huì)影響硝化細(xì)菌的正常生命活動(dòng)，影響硝化細(xì)菌的生長。

2.2.2.3 溶解氧。

溶解氧是影響微生物生長的關(guān)鍵因素。在好氧環(huán)境下，污水中的氨氮通過硝化細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。隨后在生物膜內(nèi)部的厭氧層進(jìn)行反硝化，把硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而達(dá)到脫氮的目的。在實(shí)際操作中，人們大多采用曝氣方法增加水體中的溶解氧濃度，但曝氣量過大會(huì)對生物膜產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷，造成生物膜不易生長。張東等試驗(yàn)證明，采用2 m³/（m²·h）的曝氣強(qiáng)度和1∶2的氣水比進(jìn)行曝氣，可使水體中的溶解氧保持在5 mg/L^[23]。

2.2.2.4 處理水質(zhì)。

污染水體的水質(zhì)不同，水體中的微生物種類、各污染物的含量和比例也有區(qū)別。在污染物濃度比較低的污水中，微生物的生長會(huì)因營養(yǎng)物質(zhì)不足進(jìn)行內(nèi)源呼吸，不能達(dá)到較好的凈化效果。張興文等采用MBBR方法處理低濃度生活污水，由于水體中COD含量較少，掛膜失敗，隨后外加營養(yǎng)物質(zhì)，掛膜成功^[27]。

2.2.3 掛膜成熟標(biāo)志的研究進(jìn)程。

人工水草掛膜是否成熟，通常以有機(jī)物或氨氮的去除率是否穩(wěn)定為標(biāo)志。對于以脫氮作為主要目的的人工水草項(xiàng)目，由于硝化細(xì)菌生長速度緩慢，通常以氨氮的去除效率是否穩(wěn)定為標(biāo)志^[28]。陳洪斌等^[29]則建議以生物學(xué)指標(biāo)作為掛膜是否成熟的標(biāo)志。在掛膜成熟后，填料上會(huì)附著厚度約0.04～0.12 mm的褐色微生物膜，這可作為掛膜是否成熟的標(biāo)志。

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