生物載體安裝間距對河湖污染物削減率影響的試驗(yàn)研究

李泰來，蘇苑君，易春龍

（中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，武漢430070）

0 引言

河湖作為人類社會賴以生存的載體，在地球的能量和物質(zhì)的傳輸過程中發(fā)揮著十分重要的作用，健康的河流系統(tǒng)是正常發(fā)揮其生態(tài)功能與社會服務(wù)功能的基礎(chǔ)。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，河湖污染情況愈加嚴(yán)重［1，2］。由污染物長期大量富集導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象是全球正在面臨的一項(xiàng)重大水環(huán)境問題［3，4］。我國水環(huán)境問題十分嚴(yán)峻，太湖、滇池和巢湖等大型天然湖泊以及武漢東湖、杭州西湖和南京玄武湖等城市景觀湖泊長期以來都遭受著富營養(yǎng)化帶來的系列生態(tài)環(huán)境問題［5-8］。

隨著《城市黑臭水體整治工作指南》和《水污染防治行動計(jì)劃》等水環(huán)境法規(guī)的頒布，我國水環(huán)境治理行業(yè)政策從點(diǎn)污染源治理向面源治理轉(zhuǎn)變［9］，生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)即為一種有效的面源治理措施，其作用機(jī)理是依靠生物對污染物的降解同化作用，對低濃度污染物進(jìn)行富集削減，從而達(dá)到改善水質(zhì)和重建水體生態(tài)系統(tǒng)目的［10］。生物載體屬于生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)，置于污染河湖中表面會形成一層生物膜，由高密度的好氧菌、厭氧菌、兼性好氧（厭氧）菌、藻類以及原生動物組成的微觀A/O復(fù)合系統(tǒng)［11］，可有效削減水體中的總氮、總磷以及COD，同時(shí)可以不受光照、透明度等影響［12］，持續(xù)發(fā)揮作用，從而大大提高對河湖污染物削減效率，近年來在河湖黑臭、富營養(yǎng)化整治工程中得到廣泛應(yīng)用［13-16］。

當(dāng)前在國外尤其是日本，在利用生物載體凈化水體技術(shù)方面起步早、發(fā)展快，已達(dá)到了工程化程度［17］。國內(nèi)對生物載體的研究和應(yīng)用還處于起步階段，且大多集中在對高濃度污水處理方面［18，19］，如醫(yī)療廢水、化工廢水、生活污水等，而生物載體在污染物濃度相對較低的河湖中的應(yīng)用研究較少，鮮少見對其在河湖中安裝間距的研究，結(jié)合前期河湖用生物載體市場調(diào)研情況來看，供應(yīng)商給出的生物載體安裝間距寬泛且缺乏依據(jù)［20］。生物載體的類型和安裝方式在一定程度上決定了微生物的富集量，進(jìn)而影響到水質(zhì)處理效果和工程成本，因而選擇合適生物載體和布設(shè)間距是該技術(shù)成功應(yīng)用于水環(huán)境治理工程的關(guān)鍵。本文通過市場上常見的繩狀人工水草、生物簾、碳纖維水草等3 種生物載體對污染物削減效果的試驗(yàn)研究，對3 種生物載體的安裝間距給出了建議，并結(jié)合生物載體市場價(jià)格，篩選出性價(jià)比最優(yōu)的生物載體，為河湖水環(huán)境治理工程提供數(shù)據(jù)支撐，對河湖用生物載體選型具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)置及測試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了盡量模擬生物載體在河湖中的應(yīng)用場景，試驗(yàn)前采集了疏浚淤泥，試驗(yàn)用150 L PVC水桶進(jìn)行試驗(yàn)，每只PVC桶底鋪15 cm 厚度的疏浚淤泥，然后加相同的模擬污水（為了模擬河湖黑臭及富營養(yǎng)化環(huán)境，由模擬生物污水濃縮液稀釋得到，設(shè)計(jì)COD 為100 mg/L）至120 L，試驗(yàn)生物載體長度均為50 cm，能完全浸沒入污水中。試驗(yàn)于2019年8月1日開始在公司頂樓進(jìn)行，試驗(yàn)周期15 d，每天加40 mL 模擬生活污水濃縮液，并補(bǔ)充自來水到120 L，水質(zhì)分析指標(biāo)包括總氮、總磷、銨態(tài)氮、COD。試驗(yàn)水溫為27～32 ℃，pH為6.5～7.5，溶氧為5～7 mg/L。

模擬生活污水濃縮液配方如表1所示。

表1 模擬生活污水濃縮液配方（1 L）Tab.1 The formula of simulated domestic sewage concentrate（1 L）

表2 痕量元素濃縮液配方表 mg/LTab.2 The formula of trace element concentrate

項(xiàng)目前期通過生物載體供應(yīng)商的得到建議安裝間距，分別為繩狀人工水草15 cm，生物簾30 cm，碳纖維水草20 cm。120 L 刻度線處桶口直徑為60 cm，在此基礎(chǔ)上，對3 種生物載體分別增加一個(gè)低間距工況條件和一個(gè)高間距工況條件，空白對照為相同的試驗(yàn)條件下，不布置任何生物載體。具體布置情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)生物載體布置Fig.1 The biological carriers arrangement

（1）繩狀人工水草不同安裝間距。分別設(shè)置間距為30 cm（4條）、15 cm（9條）、10 cm（16條）3個(gè)處理組，如圖2所示。

圖2 繩狀人工水草處理組（單位：mm）Fig.2 The treatment of rope artificial water plants

（2）生物簾不同安裝間距。分別設(shè)置間距為60 cm（1 片）、30 cm（2片）、15 cm（3片）3個(gè)處理組，如圖3所示。

圖3 生物簾處理組（單位：mm）Fig.3 The treatment of biological curtains

（3）碳纖維水草不同安裝間距。分別設(shè)置間距為30 cm（2條）、20 cm（4條）、15 cm（6條）3個(gè)處理組，如圖4所示。

圖4 碳纖維水草處理組（單位：mm）Fig.4 The treatment of carbon fiber water plants

1.2 測試方法

試驗(yàn)主要檢測項(xiàng)目、分析方法及所用儀器見表3，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》［21］（第4 版）標(biāo)準(zhǔn)測試方法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果分析

2.1 生物載體安裝間距對比研究

表4～表7 中，用實(shí)測污染物濃度換算得到階段污染物削減率，削減率越大說明生物載體對污染物的去除效果越好，其基本公式是：

式中：第n天到第（n+2）天污染物削減率為Tn～（n+2），第n天污染物濃度Cn。

2.1.1 不同安裝間距生物載體對總氮削減率的影響

從表4 可以看出，各生物載體處理組對總氮的削減率明顯高于空白組，各生物載體處理組隨時(shí)間段的推移，對總氮削減率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中在T10～12時(shí)間段對總氮的削減率達(dá)最大。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對總氮的削減率越來越大；隨著生物簾安裝間距的減小，其對總氮的削減率越來越小；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對總氮的削減率不斷增大。

表4 不同安裝間距生物載體處理組對總氮的削減率Tab.4 Reduction rate of total nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.2 不同安裝間距生物載體對總磷削減率的影響

從表5 可以看出，各生物載體處理組對總磷的削減率明顯高于空白組，但生物載體處理組對總磷的削減率不及對總氮的明顯，隨著時(shí)間段的推移，各生物載體處理組對總磷的削減率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在T4～6、T7～9、T10～12這3 個(gè)階段對總磷的削減率較高且較穩(wěn)定，其次是T13～15階段，說明T4～12階段微生物進(jìn)入相對穩(wěn)定生長階段，而在T13～15階段微生物進(jìn)入衰亡期。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對總磷的削減率先增大后減小，15 cm 間距處理組對總磷的削減率最大，其次是10 cm 間距處理組，再次是30 cm 間距處理組；隨著生物簾安裝間距的減小，其對總磷的削減率越來越大；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對總磷的削減率不斷增大。

表5 不同安裝間距生物載體處理組對總磷的削減率Tab.5 Reduction rate of total phosphorus on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.3 不同安裝間距生物載體對銨態(tài)氮削減率的影響

從表6 可以看出，各生物載體處理組對銨態(tài)氮的削減率明顯高于空白組，隨著試驗(yàn)階段的推移，各生物載體處理組對銨態(tài)氮的削減率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在T10～12階段對銨態(tài)氮的削減率最大，在T13～15階段略有降低，說明微生物從T13～15階段開始進(jìn)入衰亡期。觀察全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對銨態(tài)氮的削減率不斷增大；隨著生物簾安裝間距的減小，其對銨態(tài)氮的削減率先減小后增大，60 cm間距處理組對銨態(tài)氮的削減率最大，其次是15 cm 間距處理組，再次是30 cm 間距處理組；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對銨態(tài)氮的削減率先增大后減小，20 cm 間距處理對銨態(tài)氮的削減率最大，其次是30 cm 間距處理組，再次是15 cm 間距處理組。

表6 不同安裝間距生物載體處理組對銨態(tài)氮的削減率Tab.6 Reduction rate of ammonium nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.4 不同安裝間距生物載體對COD削減率的影響

從表7 可以看出，各生物載體處理組對COD 的削減率明顯高于空白組，隨著試驗(yàn)階段的推移，各生物載體處理組對COD的削減率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在T7～9、T10～12階段、T13～15階段對COD的削減率相對其他階段大且穩(wěn)定，其中在T10～12階段對COD 的削減率最大。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對COD 的削減率不斷減??；隨著生物簾安裝間距的減小，其對COD 的削減率不斷減小；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對COD 的削減率不斷增大。

表7 不同安裝間距生物載體處理組對COD的削減率Tab.7 Reduction rate of COD on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.5 生物載體安裝間距建議

從表8可以看出，繩狀人工水草安裝間距越小，其對污染物的綜合削減效果越好，10 和15 cm 處理組對污染物的削減效果差異不明顯，建議安裝間距為10～15 cm；生物簾安裝間距越大，其對污染物的綜合削減效果越來越好，30 和15 cm 處理組對污染物的削減效果差異不明顯，60 cm 處理組對污染物的削減效果明顯好于其他兩個(gè)處理組，建議安裝間距為60 cm 左右；隨著碳纖維水草安裝間距的減小，其對污染物的削減效果越來越好，建議安裝間距為15～20 cm。

表8 同類生物載體間對污染物的削減率排名Tab.8 Ranking of pollutant reduction rates among similar biological carriers

2.2 生物載體對營養(yǎng)鹽去除性價(jià)比分析

試驗(yàn)中營養(yǎng)鹽主要為總氮、總磷。根據(jù)市場調(diào)研，所用繩狀人工水草3.4 元/根，生物簾8.75 元/片，碳纖維水草15 元/根。在此基礎(chǔ)上計(jì)算生物載體性價(jià)比的方式為：

從表9 可以看出，60 cm 間距生物簾的性價(jià)比最高，其次是30 cm 間距繩狀人工水草，再次是30 cm 間距生物簾處理組。從生物載體類別來看，生物簾性價(jià)比最高，其中以60 cm 間距處理組性價(jià)比最高；其次是繩狀人工水草，其中以30 cm 間距處理組性價(jià)比最高；碳纖維水草的性價(jià)比最低，其中以30 cm 間距處理組性價(jià)比最高。

表9 生物載體性價(jià)比計(jì)算表Tab.9 Biological carrier cost-effectiveness calculation table

3 小結(jié)與討論

隨著試驗(yàn)階段的推移，各生物載體處理組對污染物的削減率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在中間階段對污染物的削減率最大，其次是最后階段，再次是初始階段，這與微生物的生長期-穩(wěn)定期-衰亡期的代謝規(guī)律相符合［22］。隨著生物載體安裝間距的減小，繩狀人工水草和碳纖維水草均呈現(xiàn)出對污染物削減率越來越大的趨勢，繩狀人工水草為10 cm 間距處理組時(shí)，其對污染物的綜合削減率最大，此時(shí)對總氮、總磷、銨態(tài)氮、COD的平均削減率分別為0.44、0.32、0.38、0.44；碳纖維水草為15 cm間距處理組時(shí)，其對污染物的綜合削減率最大，此時(shí)對總氮、總磷、銨態(tài)氮、COD 的平均削減率分別為0.44、0.35、0.35、0.52；生物簾則表現(xiàn)出相反的趨勢，安裝間距越大，對污染物的削減率越大，在60 cm 間距處對污染物的削減率最大，此時(shí)對總氮、總磷、銨態(tài)氮、COD 的平均削減率分別為0.42、0.35、0.42、0.52。分析原因，在單位水域空間里，隨著生物載體密度的增大，其表面形成的生物膜中微生物的密度也相應(yīng)增大，使得微生物的新陳代謝作用增強(qiáng)，水中有機(jī)污染物被削減的速率由此加快［23，24］；而試驗(yàn)用的生物簾本身纖維已經(jīng)很密，在有限的水域面積內(nèi)，還需要考慮生物載體掛膜的適宜條件，過密的結(jié)構(gòu)影響了溶氧和溶質(zhì)的傳質(zhì)性能，反而不利于微生物掛膜，進(jìn)而影響微生物對污染物的削減效果［25］。通過試驗(yàn)研究，建議繩狀人工水草的安裝間距為10～15 cm，生物簾的安裝間距為60 cm左右，碳纖維水草的安裝間距為15～20 cm。

考慮試驗(yàn)周期內(nèi)各生物載體處理組對營養(yǎng)鹽的平均削減率和生物載體總價(jià)，計(jì)算得到各生物載體處理組性價(jià)比，可知生物簾性價(jià)比最高，其次是繩狀人工水草，再次是碳纖維水草的性價(jià)比，其中60 cm 間距生物簾的性價(jià)比最高，30 cm 間距繩狀人工水草次之。

本試驗(yàn)繩狀人工水草和生物簾材質(zhì)為滌綸，碳纖維水草材質(zhì)為聚丙烯腈基碳纖維，市場上生物載體種類、材質(zhì)及安裝間距有一定差別，但是同類生物載體安裝方式和安裝間距相近，故本試驗(yàn)研究成果對工程有一定的借鑒和參考意義。針對具體水環(huán)境治理工程，生物載體不同，還需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究，確定目標(biāo)水體最適生物載體安裝間距，以達(dá)到降低工程投資和為工程增值的目的。□