南運(yùn)河高效生物凈化系統(tǒng)污染物降解系數(shù)研究

高園園，譚林山，吳曉楷，楊照龍

（1.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處，山東德州253009；2.海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州253009）

南運(yùn)河高效生物凈化系統(tǒng)污染物降解系數(shù)研究

高園園1，譚林山2，吳曉楷1，楊照龍2

（1.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處，山東德州253009；2.海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州253009）

河流污染的生物治理技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其生物降解系數(shù)是衡量系統(tǒng)凈化能力的重要指標(biāo)。2014年，在南運(yùn)河試驗(yàn)河段集成固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術(shù)，構(gòu)建高效生物生態(tài)凈化系統(tǒng)，進(jìn)行污染河水凈化處理試驗(yàn)。采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行生物降解系數(shù)測算，氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學(xué)需氧量（COD）降解系數(shù)分別為0.03～0.74、0.02～0.36，0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系統(tǒng)對(duì)水體中的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價(jià)值。

固化微生物；生物降解系數(shù)；NH4+-N；NO3-；TN；COD

河流治理的技術(shù)主要可分為物理方法、化學(xué)方法及生物方法三類［1］。物理方法和化學(xué)方法由于在實(shí)際應(yīng)用過程中存在工程巨大、治標(biāo)不治本及二次污染等問題，在應(yīng)用中具有較大的局限性［2］。近年來，生物方法成為研究的熱點(diǎn)。生物方法主要為原位生物修復(fù)技術(shù)，包括水生植物修復(fù)、水生動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)、人工濕地凈化、生態(tài)浮床凈化等［3-5］。該類方法是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動(dòng)，將水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解，從而使水體得到凈化，具有處理效果好、工程造價(jià)相對(duì)較低、不需耗能或低耗能、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。另外，這種處理技術(shù)不向水體投放化學(xué)藥劑，不會(huì)形成二次污染，還可以與綠化環(huán)境及改善景觀相結(jié)合，創(chuàng)造人與自然融合的優(yōu)美環(huán)境，因此該類技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

本項(xiàng)目通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術(shù)的優(yōu)化集成，構(gòu)建生物生態(tài)凈化系統(tǒng)，在四女寺樞紐節(jié)制閘下的南運(yùn)河600m河段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道污水的高效低耗處理。對(duì)進(jìn)水與出水的水質(zhì)因子進(jìn)行監(jiān)測，建立一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行生物降解系數(shù)測算，氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學(xué)需氧量（COD）降解系數(shù)分別為0.03～0.74、0.02～0.36、0.06～0.49和0.04～0.28 d-1，表明系統(tǒng)對(duì)水體中的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價(jià)值。

1　項(xiàng)目概況

2014年，水利部下達(dá)了“高效固化微生物綜合治理河道污水技術(shù)的示范與推廣”科技推廣項(xiàng)目。項(xiàng)目主要任務(wù)是構(gòu)建高效生物凈化系統(tǒng)，試驗(yàn)污染水體的原位生物技術(shù)修復(fù)。試驗(yàn)河段位于漳衛(wèi)南運(yùn)河下游四女寺樞紐節(jié)制閘下600m的南運(yùn)河河段。由于長期的外源污染和水生生物殘?jiān)某练e，試驗(yàn)河段水質(zhì)長期劣于V類，詳見表1，并產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水體景觀及原有生態(tài)功能。試驗(yàn)通過綜合應(yīng)用Bpa-1017系列微生物凈水劑、Bacto-Zyme 1011系列生物復(fù)合酶、水下森林、生物浮島以及人工曝氣等技術(shù)構(gòu)建高效生物凈化系統(tǒng)，在上、中、下游布設(shè)3個(gè)監(jiān)測斷面，開展同步監(jiān)測，分析研究生物處理效果。

表1　2013年四女寺閘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/L

2　試驗(yàn)過程

項(xiàng)目實(shí)施期為2014年，試驗(yàn)分為3個(gè)階段：第一階段，投放菌劑，采用高壓噴霧器按照一定比例沿河噴灑Bpa-1017微生物凈水劑和Bacto-Zyme1011生物復(fù)合酶；第二階段，開始浮島安裝及植物種植，共設(shè)置500m2浮島，由40組小浮島沿河道分左、中、右3列組成，浮島上種植美人蕉、千屈菜、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、梭魚草、旱傘草、澤瀉等挺水植物及浮水植物銅錢草；第三階段，進(jìn)行曝氣機(jī)及水下森林的安裝，在試驗(yàn)段上游安裝1臺(tái)曝氣機(jī)，水下森林由100塊1m×1m的小塊組成，共100m2，分散地掛載在浮島下，完成系統(tǒng)構(gòu)建工作。

根據(jù)污染特點(diǎn)，選擇氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）及化學(xué)需氧量（COD）作為水質(zhì)參數(shù)，開展水質(zhì)同步監(jiān)測，所使用儀器分別為T6新悅可見分光光度計(jì)、TU-1950雙光束紫外可見分光光度計(jì)、SKALAR SAN++型連續(xù)流動(dòng)分析儀、B-6C（H）型COD快速測定儀。

3　生物降解系數(shù)測算結(jié)果與分析

3.1生物降解系數(shù)求算

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)污染物的濃度測定結(jié)果，建立一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，由下式分別計(jì)算各水質(zhì)參數(shù)的沿程降解系數(shù)：

式中：k為水質(zhì)因子的沿程降解系數(shù)；t=L/u，u為流速（m/s），計(jì)算中采用進(jìn)水及試驗(yàn)段斷面間的平均流速，L為進(jìn)水及試驗(yàn)段兩斷面的間距（m）；CA、CB分別為進(jìn)水、試驗(yàn)段斷面相應(yīng)水質(zhì)因子的特征濃度值（mg/L）。

3.2生物降解系數(shù)分析

3.2.1氨氮降解系數(shù)分析

本生物生態(tài)凈化系統(tǒng)主要通過微生物菌劑的硝化-反硝化作用實(shí)現(xiàn)對(duì)NH4+-N的高效去除［6］。首先，微生物菌劑將水體中的NH4+-N轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮，即硝化作用；然后另一類細(xì)菌將NO3-中的氧作為呼吸作用的受氫體，使NO3-還原為N2，即反硝化作用。同時(shí)，復(fù)合生物酶的投放加快了反應(yīng)活性，提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，有利于NH4+-N的去除。

試驗(yàn)期間，進(jìn)水水體的NH4+-N濃度波動(dòng)幅度較大，這主要是由于試驗(yàn)期間上游來水情況不同及降雨等原因造成的。在進(jìn)水水體NH4+-N濃度變化較大的不利條件下，試驗(yàn)段水體的NH4+-N濃度相對(duì)穩(wěn)定，上、中、下游3個(gè)斷面濃度均維持在1.5mg/L以下，符合地表水Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N降解情況如圖1所示。表2為試驗(yàn)期間各斷面NH4+-N降解系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，NH4+-N綜合降解系數(shù)為0.03～0.74 d-1。

圖1　試驗(yàn)期間氨氮濃度變化

表2　試驗(yàn)期間氨氮降解系數(shù)變化d-1

3.2.2硝酸鹽氮降解系數(shù)分析

試驗(yàn)期間硝酸鹽氮的濃度變化，如圖2所示。由圖2可以看出，試驗(yàn)期間，與進(jìn)水水體相比，出水水體的NO3-濃度明顯降低，且試驗(yàn)段出水水體的NO3-濃度保持在較低水平，均低于1.5mg/L。試驗(yàn)期間各斷面NO3-降解系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，詳見表3，NO3-綜合降解系數(shù)為0.02～0.36 d-1，表明該生物生態(tài)凈化系統(tǒng)對(duì)NO3-具有顯著的降解作用。這主要是由于該系統(tǒng)中的反硝化細(xì)菌將NO3-還原為分子態(tài)氮，從而降低了水體中硝酸鹽氮濃度。

圖2　試驗(yàn)期間硝酸鹽氮濃度變化

表3　試驗(yàn)期間硝酸鹽氮降解系數(shù)變化d-1

3.2.3總氮降解系數(shù)分析

本生物生態(tài)凈化系統(tǒng)對(duì)TN的降解包括植物自身的吸收，也包括微生物菌劑的硝化和反硝化作用。一方面，氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，植物通過同化作用將水體中的氮轉(zhuǎn)化為自身的組成物質(zhì)；另一方面，水體中的氮污染物通過微生物菌劑的硝化作用和反硝化作用得以最終去除。

試驗(yàn)期間總氮濃度變化，如圖3所示。由圖3可以看出，進(jìn)水TN濃度處于較高水平，而試驗(yàn)段各斷面TN的降解效果較為顯著，去除率最高達(dá)到59.6%。各斷面TN降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見表4，TN的綜合降解系數(shù)為0.06～0.49 d-1，體現(xiàn)了優(yōu)良的TN降解性能。

圖3　試驗(yàn)期間總氮濃度變化

表4　試驗(yàn)期間總氮降解系數(shù)變化d-1

3.2.4COD降解系數(shù)分析

試驗(yàn)期間COD濃度變化，如圖4所示。由圖4可知，進(jìn)水水體中COD濃度極高，均超過地表水Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)，而出水水體的COD濃度明顯降低，最大去除率達(dá)到47.9%。試驗(yàn)期間COD降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見表5，COD綜合降解系數(shù)為0.04～0.28 d-1。這主要是因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中存在的好氧、兼性及厭氧菌提高了降解有機(jī)物的廣譜性，此外反硝化作用也提高了去除COD的能力。

圖4　試驗(yàn)期間COD濃度變化

表5　試驗(yàn)期間COD降解系數(shù)變化d-1

4　結(jié)論與建議

通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化集成所構(gòu)建的生物生態(tài)凈化系統(tǒng)處理河道污染水體，處理效果顯著。系統(tǒng)對(duì)各主要污染物的綜合降解系數(shù)分別為：氨氮0.03～0.74d-1，硝酸鹽氮0.02～0.36d-1，總氮0.06～0.49d-1，COD0.04～0.28d-1。根據(jù)文獻(xiàn)資料［7］，四女寺—辛集閘河段氨氮自凈系數(shù)為0.16 d-1，COD自凈系數(shù)為0.17 d-1，可見該生物生態(tài)凈化系統(tǒng)對(duì)污染物的降解效果較明顯。

在當(dāng)前我國城鄉(xiāng)河道水體污染較嚴(yán)重的情況下，采用該技術(shù)對(duì)污染水體進(jìn)行治理，可以取得較好的治理效果，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

［1］鄧耀明.污染河道治理技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科技，2009，22（2）：90-93.

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X522

B

1004-7328（2016）05-0018-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.006

2016—05—22

水利部科技推廣項(xiàng)目（TG1408）

高園園（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水質(zhì)監(jiān)測工作。