閆 萍，高 超，江正卓，朱嘉儀，周其香，劉樹龍

（1.淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000；2.淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北235000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重。很多地區(qū)城市內(nèi)河黑臭現(xiàn)象普遍，人工曝氣、強(qiáng)化絮凝等理化方法對黑臭河道治理效果明顯，但存在發(fā)生二次污染等問題。工業(yè)廢水未經(jīng)處理排入城市水體，城市水體生態(tài)流量不足等導(dǎo)致水流間斷性出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。全國查出黑臭水體2100個(gè)，完成治理2011個(gè)，造成黑臭水體污染原因包括底泥再懸浮及水體熱污染等。對城市黑臭水體治理的技術(shù)眾多，目前主要治理方法分為物理法、化學(xué)法和生物-生態(tài)法等，物理法僅在短時(shí)間內(nèi)有效，生物-生態(tài)法可從根本上改善水體。為高效環(huán)保處理黑臭水體，提出利用復(fù)合生物酶技術(shù)降解有機(jī)污染物，采用復(fù)合生物酶后無二次污染，通過與水生植物協(xié)同作用及直接吸收等過程去除水體中的有機(jī)污染物[1]。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同影響因素，為城市黑臭水體污染治理提供新的技術(shù)方法。

1 黑臭水體污染現(xiàn)狀

我國水環(huán)境污染現(xiàn)狀是整體惡化，今后一段時(shí)期水污染成為制約我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。國家生態(tài)環(huán)境部公布環(huán)保公報(bào)顯示，我國水系412個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面中IV-V類水質(zhì)斷面比例為30%，珠江水質(zhì)較好，黃淮水質(zhì)較差。主要污染指標(biāo)為五日生化需氧量，全國主要城市地區(qū)地下水水質(zhì)受人為活動(dòng)影響大，亞硝酸鹽、氯化物等組分含量升高。我國城市生活用水污染負(fù)荷超出工業(yè)廢水，水污染控制重點(diǎn)轉(zhuǎn)變到以城市生活污水為主。河流是城市生命源，城市河流水質(zhì)狀況直接影響人們的生存環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國黑臭河流問題突出，表現(xiàn)為污染物大量匯聚于底泥，嚴(yán)重威脅人居環(huán)境。

城市化是經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)變革中的必然趨勢，河流污染會(huì)成為限制城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。住建部公布城市黑臭水體整治信息顯示，全國城市黑臭水體完成治理約5%，制定方案未啟動(dòng)占83%[2]。造成城市黑臭水體的原因復(fù)雜，包括排水管網(wǎng)設(shè)施不健全，排水管網(wǎng)建設(shè)無法適應(yīng)城市發(fā)展；城市污水處理設(shè)施滯后于城市發(fā)展，城市人口激增給環(huán)保部門帶來巨大壓力，有些污水未經(jīng)處理排放導(dǎo)致河流污染；城市河流周圍環(huán)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，導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化。國家“十三五”規(guī)劃把優(yōu)先控制單元污染作為水污染治理的主攻方向，通過人工濕地等措施減少污染物進(jìn)入水體的含量。如何經(jīng)濟(jì)有效地對城市黑臭水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)成為城市生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。

2 城市黑臭水體成因治理

黑臭水體是水體污染極端現(xiàn)象，根本原因是水體復(fù)氧與耗氧失衡，腐殖質(zhì)污染物破壞水體自凈作用。城市中黑臭水體為市民造成很差的感官體驗(yàn)，黑臭水體成為各大新聞媒體關(guān)注的焦點(diǎn)，由于城市黑臭水體成因復(fù)雜，徹底解決黑臭水體有一定難度。目前，我國城市黑臭水體污染嚴(yán)重，為城市可持續(xù)發(fā)展帶來巨大威脅。需要了解黑臭水體成因類型與治理方法，探尋治理城市黑臭水體的根本途徑。

城市內(nèi)河黑臭現(xiàn)象本質(zhì)是水體過量納污造成的，黑臭水體是由于眾多環(huán)境因素共同造成的，把握黑臭水體成因可以為治理方案設(shè)計(jì)提供參考。歸納其主要成因包括內(nèi)源污染物在底泥釋放，溶解氧消耗等[3]。內(nèi)源污染對水質(zhì)有很大影響，各種元素在水體中可以被植物利用，可通過理化沉降作用在底泥沉降，污染物不斷在底泥中積累，內(nèi)外源污染釋放量相當(dāng)。外源污染物進(jìn)入水體消耗溶解氧，外源污染物包括有機(jī)碳氮硫等。隨著污染物進(jìn)入水體使微生物大量繁殖，消耗大量溶解氧釋放黑臭物質(zhì)。微生物厭氧發(fā)酵中產(chǎn)生甲烷，導(dǎo)致形成水體黑臭現(xiàn)象。水體流動(dòng)性對污染物擴(kuò)散起到重要作用，封閉型黑臭水體流動(dòng)速度慢，水體復(fù)氧能力降低，易引起藻花爆發(fā)，加劇水體富營養(yǎng)化。

黑臭水體主要由于有機(jī)污染物過量輸入消耗溶解氧形成，溶解氧失衡造成鐵硫元素循環(huán)，導(dǎo)致水體產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象[4]。黑臭水體有機(jī)物復(fù)雜，分為非可溶性與溶解性。非可溶性有機(jī)物易以顆粒狀存在于水體，有機(jī)物化學(xué)成分復(fù)雜，來源于底泥、原生動(dòng)物等。有機(jī)生物懸浮于水體降低水體透明度，形成黑色物質(zhì)是導(dǎo)致水體發(fā)黑的主要原因。溶解性有機(jī)物成分復(fù)雜，包括蛋白質(zhì)、碳水化合物等。通常為好氧有機(jī)物，易被水體中的微生物利用，有機(jī)物存在不會(huì)對水體產(chǎn)生危害，但水體有機(jī)物輸入量過大消耗溶解氧，使厭氧分解過程放大產(chǎn)生CH4等物質(zhì)導(dǎo)致形成黑臭水體。造成水體黑臭原因是大量有機(jī)物進(jìn)入水體，破壞水體中的元素循環(huán)，造成水體黑臭。

黑臭水體治理是系統(tǒng)工程，應(yīng)按內(nèi)源控制，補(bǔ)水活水的技術(shù)路線，科學(xué)制定治理方案。外源污染減排是治理黑臭水體的前提。內(nèi)源污染物控制可通過技術(shù)手段達(dá)到，避免二次污染產(chǎn)生。用清水補(bǔ)水活水易造成資源浪費(fèi)，應(yīng)采取再生水補(bǔ)水方式。黑臭河道治理關(guān)鍵是恢復(fù)水體自凈能力。黑臭水體成因復(fù)雜，地域特點(diǎn)及水環(huán)境因素對治理技術(shù)產(chǎn)生影響。需要針對不同條件確定技術(shù)方法，目前黑臭水體治理技術(shù)包括水體疏浚、截污納管、人工增氧等。黑臭水體成分復(fù)雜，受水環(huán)境條件影響為治理增加難度。城市黑臭河道嚴(yán)重影響居民生活質(zhì)量，河道黑臭處理困難，治理方式分為物理法、化學(xué)法和生物-生態(tài)法方法。綜合現(xiàn)有黑臭水體處理技術(shù)，缺乏完美的技術(shù)方法。對黑臭河道治理需要對其污染物來源、氣候條件等因素綜合考量，選擇使用適合于黑臭河道治理的模式。

3 生物濾床處理黑臭水體有機(jī)物降解實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用生物濾床技術(shù)處理黑臭河流，主要包括防滲填料層、噴灑復(fù)合生物酶等。生物濾床可以截流生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的剩余污泥，塑造環(huán)保景觀。骨架結(jié)構(gòu)為微生物等提供載體，防滲填料層對污染物具有過濾能力；種植水生植物根系可吸收水體污染物，水生植物層在低溫時(shí)對微生物具有保溫作用[5]；水生植物根系附著微生物，可進(jìn)行系列生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)分解污染物。

水下T面噴灑復(fù)合生物酶包括水解酶等，氧化還原酶引起水體污染物脫氫，通過氧化還原酶獲得能量；水解酶催化水體中污染物的水解作用；裂解酶催化有機(jī)物碳鏈斷裂。復(fù)合生物酶吸附在骨架結(jié)構(gòu)形成生物膜，可以持續(xù)發(fā)揮作用，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長，對流動(dòng)水體有很好的處理效果。生物濾床采用可反復(fù)使用聚氨酯材料制成水面支撐T型結(jié)構(gòu)，上面鋪設(shè)無底花盆，加入培養(yǎng)土與天然沸石混合防滲填料層，使得水生植物根系暴露于水下，水生植物可采用水葫蘆、香蒲等。

水下結(jié)構(gòu)采用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合多孔污水處理材料制成。根據(jù)實(shí)際處理需求調(diào)整生物濾床尺寸。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)噴灑復(fù)合生物酶，將城市黑臭河流不同時(shí)段水體引入實(shí)驗(yàn)室同體積水池，在底部鋪設(shè)底泥靜置48h。使用FQB浮筒曝氣池。采用HJ828-2017，HJ505-2009，HJ665-2013檢測方法，分析COD，DO，BOD5含量。

3.2 結(jié)果討論

首先將復(fù)合生物酶稀釋至質(zhì)量濃度2mg/L，首日噴灑進(jìn)ABCDEF池，次日噴灑進(jìn)BCDEF池；第六日噴灑F池。試驗(yàn)期間水溫26℃-29℃，噴灑復(fù)合生物酶后每日曝氣1h，由于復(fù)合生物酶對水體存在適應(yīng)期，采用加入15d后污染物去除率進(jìn)行比較。分析15d后水質(zhì)DO含量與COD變化趨勢。

噴灑復(fù)合生物酶后DO含量與COD變化顯著，在質(zhì)量濃度小于10mg/L時(shí)，復(fù)合生物酶對污水有機(jī)物降解能力加強(qiáng)，污水中微生物將有機(jī)物作為生長基質(zhì)，獲取生命活動(dòng)所需能量，隨著復(fù)合生物酶投加量增加，加強(qiáng)微生物催化作用。NH3-N含量持續(xù)降低，EF組差異不明顯，相比A組差異大。質(zhì)量濃度大于10mg/L時(shí)，COD逐漸趨于穩(wěn)定，水中耗氧物質(zhì)減少。原因是污水中有機(jī)物含量是一定的，與污染物結(jié)合后增加復(fù)合生物酶含量反應(yīng)速度不變。質(zhì)量濃度為12mg/L，COD與BOD5去除率達(dá)88.89%、81.75%。復(fù)合生物酶質(zhì)量濃度為12mg/L，EF組效果最佳，10mg/L與12mg/L時(shí)效果差異不大。噴灑復(fù)合生物酶適宜質(zhì)量濃度為10mg/L。

以復(fù)合生物酶適宜投加量E組為代表進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析，噴灑前4d，復(fù)合生物酶未適應(yīng)污水狀態(tài)，適應(yīng)期內(nèi)污水微生物對有機(jī)物降解，復(fù)合生物酶作用于底部污泥，向污水釋放污染物。水體中NH3-N含量與COD不降低。自第5日復(fù)合生物酶適應(yīng)水體環(huán)境，與微生物復(fù)配降解污染物，復(fù)合生物酶對水體適應(yīng)性增強(qiáng)，持續(xù)作用于污水微生物。污水中NH3-N含量降低，經(jīng)過復(fù)合生物酶15d分解后完全適應(yīng)污水，對污水降解能力達(dá)到最大。污水中COD趨于穩(wěn)定。水體無明顯惡臭，DO含量不增加。

以復(fù)合生物酶適宜投加量E組為代表在溫度10℃、20℃、30℃下進(jìn)行15d培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每日曝氣供氧1h，分析15d后不同溫度下污水水質(zhì)，溫度為10℃時(shí)復(fù)合生物酶活性較低，水體中有機(jī)物降解緩慢。溫度升至25℃，復(fù)合生物酶活性增強(qiáng)；復(fù)合生物酶溫度為25℃~30℃，酶促反映速度提高，COD降至最低；過高溫度降低酶催化效率。水中COD增加。污水中微生物活性受溫度影響，溫度過低抑制微生物新陳代謝活動(dòng)，環(huán)境溫度過高使微生物失活，適宜溫度為25℃~30℃。

水溫25℃下，以適宜投加量E組為代表，利用碳酸氫鈉調(diào)整污水pH，在6.0、7.0、8.0條件下進(jìn)行15d培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每日曝氣供氧1h，分析15d后不同pH下污水水質(zhì)指標(biāo)，污水pH小于7時(shí)，復(fù)合生物酶為陰離子型，pH可影響污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化，pH在7.0-7.5時(shí)，較高的pH可為硝化反應(yīng)提供堿度，水中NH3-N含量與COD較低，處理后污水水質(zhì)COD上升，NH3-N含量不斷升高。適宜pH為7.0-7.5。酶在不適的pH范圍內(nèi)會(huì)降低活性，復(fù)合生物酶所處環(huán)境的pH接近中性，催化效果好。

復(fù)合生物酶投加量為10mg/L，pH為7.2的情況下，實(shí)驗(yàn)組采用曝氣機(jī)曝氣供氧，通過15d培養(yǎng)后分析處理結(jié)果，經(jīng)過曝氣供氧后COD、BOD5去除率提高。污水COD降解依靠微生物分解轉(zhuǎn)化，曝氣有利于加強(qiáng)有機(jī)物新陳代謝作用。污水中NH3-N不穩(wěn)定，有氧條件下經(jīng)亞硝化細(xì)菌作用，氨氮氧化為硝酸鹽氮，無氧條件下反硝化菌將亞硝酸鹽氮作為最終電子受體還原成氮?dú)?。曝氣有利于亞硝化?xì)菌氧化，反硝化細(xì)菌體內(nèi)酶合成需要氧氣。BOD5去除靠微生物吸附作用，懸浮物吸附在微生物表面。微生物在有氧條件下將污水部分有機(jī)物合成新細(xì)胞，最終產(chǎn)物為CO2等穩(wěn)定物質(zhì)。曝氣可以快速分解有機(jī)物，與研究改善通氣條件有利于去除COD一致。

4 應(yīng)用實(shí)例

利用生物濾床技術(shù)對城市黑臭河流進(jìn)行中試，河段上游存在生活污水排入，生物濾床放置在河流中部位置，添加推流曝氧裝置增加DO含量。生物濾床頂部種植不同水生植物，利用根系分解吸收水體污染物，微生物配合水中T面復(fù)合生物酶作用降低污染物含量，水體中藻類夏季大量爆發(fā)形成水華，嚴(yán)重影響水環(huán)境。2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該水體水質(zhì)為劣質(zhì)V類。治理期間生物濾床頂部水生植物生長茂盛，及時(shí)攔截除去大量漂浮物。河流pH控制在7.2，放置5d后檢測水質(zhì)指標(biāo)，COD經(jīng)處理后降至30mg/L。經(jīng)23d處理后COD含量滿足GB3838-2002地表水V類標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合生物酶處理黑臭河流水樣，得出噴灑復(fù)合生物酶優(yōu)化質(zhì)量濃度為10mg/L，復(fù)合生物酶適宜處理時(shí)間為15d，污水接近中性下有利于提高處理效果。利用復(fù)合生物酶技術(shù)對黑臭河流中試處理中，投加量為10mg/L，經(jīng)23d處理后水體水質(zhì)符合地表水V類標(biāo)準(zhǔn)要求。今后使用生物濾床技術(shù)處理黑臭水體需考慮不同季節(jié)水質(zhì)變化等因素影響，以復(fù)合生物酶作為輔助或核心技術(shù)，使用時(shí)考慮生物酶活性影響。