張瑞斌，王樂陽，潘卓兮，周乃，祖白玉，奚道國

1.江蘇龍騰工程設(shè)計股份有限公司 2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心 3.南京市生態(tài)河道工程技術(shù)研究中心

近年來，由于工業(yè)廢水以及生活污水大量排入河道，河道水體黑臭現(xiàn)象日漸加重，嚴重影響了城市形象和居民身體健康，因此，如何有效凈化黑臭河道水體已成為城市健康發(fā)展的重中之重[1-3]。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)因其費用低，管理方便，兼具美化環(huán)境的特點，成為近年來研究和應(yīng)用的重點[4-5]。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)的處理效率受很多因素影響，其中填料是最核心也是最基本的組成部分，是黑臭河道修復(fù)效果的關(guān)鍵因素，填料的篩選、改進和合理配置關(guān)系到這一技術(shù)能否正常發(fā)揮污染治理效能的關(guān)鍵[6]。作為給水廠生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，鋁污泥含有大量鋁離子及其聚合物，用作生物填料時可有效提高脫氮除磷效果[7-8]。筆者將鋁污泥生物填料與具有高效凈化作用的狐尾藻相結(jié)合，以常見的生物填料聚丙烯纖維作為對照，模仿天然河道構(gòu)建生物填料系統(tǒng)，研究并分析該系統(tǒng)的脫氮除磷效果，以期為河道黑臭水體治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鋁污泥取自給水廠，主要成分為Al2O3，濃度為38.62%～45.84%，體積密度為(1.18±0.10)g/cm3，孔隙率為40%，比表面積為21.54～36.50 m2/g，電導(dǎo)率為0.010 4～0.014 0 S/m。

鋁污泥原料經(jīng)過攪拌、造粒后，在105～120 ℃下烘干2～3 h，以去除水分；在500～600 ℃無氧焙燒6～8 h，自然冷卻后裝入40 cm×8 cm×8 cm尼龍網(wǎng)袋，制備成鋁污泥生物填料。

聚丙烯纖維生物填料從市場上購得，密度為0.90～0.92 g/cm3，長度為40 cm，直徑為8 cm。

狐尾藻取自南京市某湖泊，將狐尾藻置于有機玻璃柜中用自來水曝氣培養(yǎng)，每隔3 d換1次水，保證植物表面吸附的懸浮物被氣流沖洗干凈。

1.2 水質(zhì)分析

試驗用水取自南京市江寧區(qū)外港河，河道寬為10 m，流速為0.54 m/d，CODCr為120 mg/L，TP濃度為4 mg/L，TN濃度為20 mg/L，NH3-N濃度為10 mg/L，pH為5.5～6.5。

1.3 生物填料小試系統(tǒng)

在河邊構(gòu)建生物填料小試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 生物填料小試系統(tǒng)流程Fig.1 System flow of pilot system

小試系統(tǒng)主要包括進水池、控制區(qū)、生物填料區(qū)等單元，其中生物填料區(qū)由4種處理組組成，即聚丙烯纖維生物填料組、鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組，各組均另設(shè)1個平行試驗，取平均；承載聚丙烯纖維生物填料和鋁污泥生物填料的網(wǎng)架均采用鋼結(jié)構(gòu)；生物膜掛膜采用自然掛膜，網(wǎng)架置于水面以下，將生物填料沿池體長邊間隔8 cm依次系掛于網(wǎng)架上，水流平行方向設(shè)7行，垂直方向設(shè)4行；狐尾藻種植于生物填料區(qū)的上部，種植密度為100株/m2。小試系統(tǒng)各部分規(guī)格如表1所示，生物填料與孤尾藻組合組剖面如圖2所示。

表1 小試系統(tǒng)各部分規(guī)格

圖2 小試系統(tǒng)生物填料與狐尾藻組合組剖面示意Fig.2 Profile diagram of biological packing combination group of pilot system

為保證小試系統(tǒng)中狐尾藻的穩(wěn)定生長和生物膜的自然掛膜，在運行1個月后正式開始試驗。試驗采用連續(xù)進水方式，通過蠕動泵調(diào)節(jié)進水流速，均由頂部進水和出水。該小試系統(tǒng)處理水量為360 L/d，表面水力負荷為0.3 m3/(m2·d)，水力停留時間為2 d。測定系統(tǒng)出水水質(zhì)，主要檢測TP、TN、NH3-N濃度及CODCr。CODCr采用重鉻酸鹽法測定；TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(紫外可見分光光度計，UV1200，MAPADA)測定；TN和NH3-N濃度采用氣相分子吸收光譜法(氣相分子吸收光譜儀，GMA3510，森普)測定。

2 試驗結(jié)果

2.1 溶解氧濃度

選取出水口水深10 cm處作為溶解氧(DO)濃度監(jiān)測點，考察小試系統(tǒng)運行期間不同處理組出水DO濃度隨時間的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，試驗運行期間，各處理組DO濃度分別為：聚丙烯纖維生物填料組，3.2～4.3 mg/L；鋁污泥生物填料組，3.5～4.4 mg/L；聚丙烯纖維-狐尾藻組，6.2～7.1 mg/L；鋁污泥-狐尾藻組，6.1～7.2 mg/L。2個組合組DO濃度變化趨勢一致，且水體DO濃度遠高于生物填料組。生物填料組和組合組水體DO濃度均達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類標準。

圖3 生物填料小試系統(tǒng)出水口水深10 cm處DO濃度變化Fig.3 Changes of DO by pilot system at a depth of 10 cm near the outlet

2.2 pH

系統(tǒng)運行期間不同處理組的出水pH隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，不同處理組的出水pH差異較大，其中鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH較為穩(wěn)定，在7附近波動；聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH隨時間變化波動范圍較大，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH維持在6.5以上，而聚丙烯纖維生物填料組出水pH基本在6.5以下，與進水pH相差不大。

圖4 生物填料小試系統(tǒng)出水pH變化Fig.4 The removal effect of pH by pilot system

2.3 CODCr的去除效果

系統(tǒng)運行期間不同處理組的出水CODCr隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知，不同處理組對CODCr的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組對CODCr的去除效果最好，平均去除率為74.62%；聚丙烯纖維-狐尾藻組次之，平均去除率為69.71%；鋁污泥生物填料組對CODCr去除效果較差，平均去除率為65.96%；聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率僅為59.94%。鋁污泥-狐尾藻組的出水平均CODCr可達到GB 3838—2002的Ⅳ類標準(<30 mg/L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組、鋁污泥生物填料組的出水平均CODCr達到GB 3838—2002的Ⅴ類標準(<40 mg/L)，聚丙烯纖維生物填料組對CODCr有一定的去除效果，但其出水平均CODCr處于較高水平，未達到GB 3838—2002的Ⅴ類標準。

圖5 生物填料小試系統(tǒng)出水CODCr變化Fig.5 The removal effect of CODCr by pilot system

2.4 TP的去除效果

系統(tǒng)運行期間不同處理組出水TP濃度隨時間的變化如圖6所示。由圖6可知，不同處理組對TP的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組TP去除效果較好，平均去除率分別達93.59%和93.38%；其次是聚丙烯纖維-狐尾藻組，平均去除率為90.55%；聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率為84.04%。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組出水TP平均濃度達到GB 3838—2002的Ⅳ類標準(<0.3 mg/L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TP平均濃度達到GB 3838—2002的Ⅴ類標準(<0.4 mg/L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TP平均濃度劣于GB 3838—2002的Ⅴ類標準。

圖6 生物填料小試系統(tǒng)出水TP濃度變化Fig.6 The removal effect of TP by pilot system

圖7 生物填料小試系統(tǒng)出水TN濃度變化Fig.7 The removal effect of TN by pilot system

圖8 生物填料小試系統(tǒng)出水NH3-N濃度變化Fig.8 The removal effect of NH3-N by pilot system

2.5 TN、NH3-N的去除效果

系統(tǒng)運行期間不同處理組TN和NH3-N濃度隨時間的變化如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，含有鋁污泥的處理組出水TN、NH3-N濃度隨時間變化較含聚丙烯纖維的穩(wěn)定。鋁污泥-狐尾藻組對TN和NH3-N的去除效果最好，平均去除率分別達93.19%和96.46%；鋁污泥生物填料組去除效果次之，平均去除率分別為91.25%和94.42%；聚丙烯纖維-狐尾藻組TN和NH3-N平均去除率分別為91.29%和91.45%；聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率分別為84.17%和88.39%。鋁污泥-狐尾藻組出水TN平均濃度達到GB 3838—2002的Ⅳ類標準(<1.5 mg/L)，鋁污泥生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TN平均濃度均達到GB 3838—2002的Ⅴ類標準(<2.0 mg/L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TN平均濃度劣于GB 3838—2002 Ⅴ類標準。生物填料組和組合組出水NH3-N平均濃度均優(yōu)于GB 3838—2002的Ⅳ類標準(<1.5 mg/L)，尤其鋁污泥-狐尾藻組出水NH3-N平均濃度達到GB 3838—2002的Ⅱ類標準(<0.5 mg/L)。

3 討論

3.1 水體DO濃度和pH對脫氮除磷的影響

DO濃度的高低直接影響著河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部好氧和厭氧微生物的活性，而微生物的硝化/反硝化作用是主要的脫氮途徑[9-10]。當(dāng)DO濃度高于1.7 mg/L時，硝化細菌可將水體中的NH3-N全部轉(zhuǎn)化成硝酸鹽；DO濃度低于0.5 mg/L時，硝化細菌活性被抑制，水體中的NH3-N濃度逐漸增加；DO濃度為0.5 mg/L左右時，反硝化細菌大量富集，與藻類形成有利共生關(guān)系[11]。本試驗中生物填料組出水DO濃度處于較高水平，這可能與生物填料組的整個水面均與空氣接觸有關(guān)，空氣中的氧氣自由進入生物填料系統(tǒng)使水體DO濃度增加[12]。生長茂盛的植物會影響空氣中的氧進入水中，但組合組上部水體DO濃度遠遠高于生物填料組，這是由于狐尾藻的根系泌氧等[13]作用保證了系統(tǒng)上部的DO濃度，說明在試驗運行期間，組合組水體上部DO濃度可滿足系統(tǒng)中硝化細菌對DO的需求，有利于硝化作用的進行。同時，組合組系統(tǒng)中部至下部的厭氧環(huán)境以及填料大量的孔洞空間為聚磷菌和反硝化細菌提供了良好生存環(huán)境，好氧與厭氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變和結(jié)合，使污水經(jīng)歷完整的吸附去除過程，從而使組合組獲得更好的脫氮除磷效果。

pH影響生物填料系統(tǒng)中微生物的存在形式[14-15]。當(dāng)pH為4.0～6.0或大于9.5時，硝化細菌的生長會受到抑制[11]。試驗運行期間，聚丙烯纖維生物填料組的pH低于6.5，不利于反硝化作用的進行。由于鋁污泥含有大量具有緩沖作用的鋁離子及其聚合物[16]，且狐尾藻也有升高水體pH的作用[17]，因此鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH維持在6.5～7.5，有利于硝化細菌和反硝化細菌的生長和繁殖[18]，促進系統(tǒng)脫氮過程的進行。

根據(jù)試驗結(jié)果，鋁污泥生物填料組對水體CODCr、氮、磷的去除較聚丙烯纖維生物填料組強，這可能是因為鋁污泥填料提供了更有利于微生物活動的微環(huán)境，如較大的比表面積[19-20]，適宜的pH、DO濃度，以及較好的緩沖性能；狐尾藻聯(lián)合生物填料增強了對水體中CODCr、氮、磷的去除效果，其原因除了植物吸附吸收外，還可能與狐尾藻根系良好的微環(huán)境有關(guān)。

3.2 脫氮除磷機理探討

聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組對CODCr去除的主要途徑有微生物的吸附降解、植物的吸附吸收和生物膜吸附沉淀等[21-22]?？扇苄杂袡C污染物大多通過狐尾藻根系的吸附吸收被去除[17]，非溶性有機污染物則被系統(tǒng)填料和植物根系截留，進一步被微生物分解利用[21]。

4 結(jié)論

(1)鋁污泥生物填料能調(diào)節(jié)水體pH，系統(tǒng)中加入狐尾藻可提高水體DO濃度，營造有利于微生物生存的微環(huán)境，強化對黑臭水體的脫氮除磷效果。

(2)鋁污泥生物填料組出水水質(zhì)優(yōu)于聚丙烯纖維生物填料組，出水水質(zhì)基本達到GB 3838—2002的Ⅴ類標準；鋁污泥-狐尾藻組對水體污染物的整體去除效果最好，出水水質(zhì)達到GB 3838—2002的Ⅳ類標準。

(3)氮主要通過硝化/反硝化細菌的分解轉(zhuǎn)化和植物的吸收轉(zhuǎn)化途徑去除，鋁污泥生物填料能營造良好的微生物生存環(huán)境，強化微生物降解作用；磷主要通過填料-植物-微生物的聯(lián)合作用去除，其中鋁污泥除了強化微生物作用外，其自身對磷的吸附配位交換、絡(luò)合和靜電作用使系統(tǒng)達到更好的除磷效果。