張 彪

(北京環(huán)域生態(tài)環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 100012)

1 引言

黑臭水體反彈一直是我國水環(huán)境治理進(jìn)程中的難題，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境與城市發(fā)展。由于黑臭水體形成原因相對(duì)復(fù)雜，單一的治理技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)黑臭水體的徹底消除，因此黑臭水體治理程中經(jīng)常出現(xiàn)黑臭水體反彈的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)闆]有對(duì)黑臭水體成因進(jìn)行分析，僅采用單一的技術(shù)與工程治理黑臭水體，最終導(dǎo)致水體治理過程中黑臭水體反彈。所以黑臭水體治理不僅要著眼于當(dāng)下的處理效果，也要根據(jù)黑臭水體形成機(jī)理、水體污染物濃度、水動(dòng)力條件以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇合適的治理技術(shù)，制訂科學(xué)的治理方案，從而實(shí)現(xiàn)長效目標(biāo)[1～4]。因此如何采用優(yōu)選的技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)快速消除水體黑臭改善水生態(tài)環(huán)境，防止黑臭水體治理后的反彈成為水環(huán)境治理工程中的一大難題和水生態(tài)修復(fù)研究的重要方向，其中原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)因?yàn)槠錈o二次污染、長效治理的優(yōu)點(diǎn)而成為國內(nèi)外黑臭水體治理研究的熱點(diǎn)。

碳纖維生態(tài)基具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、微生物親和性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于黑臭水體治理、河道以及景觀水體治理等方面[5]。索幫成等[6]對(duì)碳纖維生態(tài)基在湖泊水環(huán)境水體原位修復(fù)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述；林佩斌等[7]從不同方向闡述了碳纖維水草在水處理應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)碳纖維研究方向進(jìn)行了分析；陳靜波[8]研究表明碳纖維水草對(duì)COD、總磷和氨氮具有顯著去除效果；譚小川等[9]認(rèn)為碳纖維水草可以使水質(zhì)快速好轉(zhuǎn)，其高孔隙特征與吸附性能可快速去除黑臭；梁益聰?shù)萚10]、余恒等[11]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維水草能夠有效去除黑臭水體的COD、氨氮、總磷和濁度；張博[12]等研究發(fā)現(xiàn)碳素纖維掛膜效率高，可以有效去除初期雨水中的COD、氨氮、TP、TN和高錳酸鹽指數(shù)；齊玉鵬[13]等研究發(fā)現(xiàn)微納米曝氣結(jié)合碳纖維浮床相對(duì)于普通曝氣結(jié)合碳纖維浮床具有更好的污染物去除效果。

本研究是在底泥改良切斷內(nèi)源污染的基礎(chǔ)上采用混凝異位處理+碳纖維水草耦合納米曝氣原位處理技術(shù)提出的一種黑臭水體修復(fù)工藝，希望為黑臭水體治理提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中所采用的碳纖維水草是采購自杭州梓景環(huán)保科技有限公司的束狀碳纖維水草，如圖1所示。

圖1 碳纖維水草

2.2 實(shí)驗(yàn)用水

為考察磁絮凝+碳纖維水草耦合納米曝氣技術(shù)對(duì)黑臭水體的治理效果。本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)水體取自某封閉黑臭水體，該黑臭水體的水體流動(dòng)性差，受污染嚴(yán)重，水質(zhì)較差，水體發(fā)黑發(fā)臭，是典型的黑臭水體。實(shí)驗(yàn)水體水質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)水體水質(zhì)

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M反應(yīng)器采用4組完全相同的模擬反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1、實(shí)驗(yàn)組2和實(shí)驗(yàn)組3，每組反應(yīng)器分別由兩個(gè)高70 cm，容積為70 L的PVC水桶組成。其中第1個(gè)水桶采用磁絮凝技術(shù)模擬黑臭水體的旁路治理，向桶中加入約65 L的黑臭水體，然后向其中加入PAC、PAM和一定量的磁粉，黑臭水體經(jīng)過磁絮凝處理后，排入第2個(gè)水桶；第2個(gè)水桶模擬自然水體，為充分模擬自然水體，各組水桶中分別鋪設(shè)厚約5 cm的底泥，待磁絮凝處理水體排入后，總體積約65 L。4組模擬裝置設(shè)計(jì)如下。

(1)對(duì)照組：黑臭水體模擬桶只鋪設(shè)經(jīng)過底泥改良劑改良后的底泥，不設(shè)置碳纖維水草和曝氣裝置。

(2)實(shí)驗(yàn)組1：黑臭水體模擬桶除鋪設(shè)經(jīng)過底泥改良劑改良后的底泥外，放入3根碳纖維水草，不設(shè)置曝氣裝置。

(3)實(shí)驗(yàn)組2：黑臭水體模擬桶除鋪設(shè)經(jīng)過底泥改良劑改良后的底泥外，放入3根碳纖維水草，同時(shí)設(shè)置納米曝氣裝置。

(4)實(shí)驗(yàn)組3：臭水體模擬桶除鋪設(shè)經(jīng)過底泥改良劑改良后的底泥外，設(shè)置納米曝氣裝置，但不設(shè)置碳纖維水草

本實(shí)驗(yàn)采用的納米曝氣裝置功率為0.55 kW納米曝氣機(jī)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目包括透明度、氨氮、COD、總磷，檢測(cè)方法如表2所示。

表2 分析項(xiàng)目及方法

3 結(jié)果與討論

3.1 磁絮凝對(duì)黑臭水體處理效果

磁絮凝技術(shù)是結(jié)合了傳統(tǒng)絮凝技術(shù)和磁分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)絮凝工藝中加入磁性粒子，可以將污染物快速從水中分離，從而縮短處理時(shí)間，磁絮凝技術(shù)已經(jīng)被證明是一種有效的強(qiáng)化絮凝技術(shù)，可以快速、有效去除水體中的污染物[14，15]。本實(shí)驗(yàn)采用的磁種粒徑為45～75 μm，投加量為300 mg/L，混凝劑采用PAC(30 mg/L)，助凝劑為PAM(1.5 mg/L)，處理時(shí)間30 min，從表3中可以看出：實(shí)驗(yàn)水體經(jīng)磁絮凝處理后，對(duì)SS、COD、氨氮和TP的去除率分別為71.8%、52.4%、20.5%和66.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁絮凝可以快速、有效去除黑臭水體中的COD、SS以及TP等污染物，同時(shí)對(duì)氨氮也有一定去除效果，表明磁絮凝技術(shù)處理黑臭水體具有一定的效果，作為黑臭水體應(yīng)急治理滿足技術(shù)要求，但是單獨(dú)使用無法徹底消除黑臭水體，應(yīng)配合其他技術(shù)共同使用。

表3 磁絮凝對(duì)黑臭水處理效果 mg/L

3.2 碳纖維水草掛膜效果

3.2.1 碳纖維水草掛膜表觀變化

碳纖維人工水草因其具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、微生物親和性高等特點(diǎn)，可以有效吸附水體中的有機(jī)物，同時(shí)為水體中的微生物提供強(qiáng)力的附著位點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)碳纖維人工水草快速掛膜奠定基礎(chǔ)。在試驗(yàn)過程中，碳纖維人工水草布設(shè)完成的2 d，即可觀察碳纖維人工水草表面具有黃褐色絮狀物生成，表明微生物已經(jīng)開始在碳纖維生態(tài)基表面附著生長。實(shí)驗(yàn)開始后第3 d，水體透明度具有一定的增長，其中第三組水體透明度優(yōu)于第二組。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第5 d，第三組生態(tài)基上的黃褐色絮狀物明顯增多，水體由原來的黑色變?yōu)辄S綠色，表明水體中的黑臭物質(zhì)被逐漸氧化分解。而第1組經(jīng)過磁懸浮后，除水體中懸浮物具有一定降低外，水體仍然黑臭。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第10 d，第三組碳纖維生態(tài)基完全被黃褐色生物膜覆蓋。

實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)生物膜進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)碳纖維生態(tài)基上附著有大量的菌膠團(tuán)，菌膠團(tuán)可以提高微生物膜對(duì)水體中污染物的去除效果。同時(shí)在鏡檢過程中還發(fā)現(xiàn)在菌膠團(tuán)附近存在輪蟲，具有水質(zhì)改善指示效果，表明在合適條件下碳纖維人工水草對(duì)水體具有較好處理效果。除原生動(dòng)物外，還發(fā)現(xiàn)了少量的水蚤等后生動(dòng)物，表明碳纖維生態(tài)基表面形成了微型生態(tài)系統(tǒng)，有利于水質(zhì)凈化(圖4)。

圖4 生物膜顯微照片

3.2.2 碳纖維水草掛膜生物量變化

生物膜量與黑臭水體污染物去除效果有直接關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)對(duì)碳纖維生物膜生物量進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)過程中分別在第5 d、第 10 d、第15 d和第20 d，取一定量的碳纖維生態(tài)基和微生物膜的混合物，將碳纖維微生態(tài)基和生物膜進(jìn)行分離，在105 ℃條件下分別烘干至恒重，其中碳纖維生態(tài)基重M1，微生物膜重M2。微生物膜生物量計(jì)算公式如下：

碳纖維生態(tài)基微生物膜的生物量的測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 生物膜量變化

從表4中可以看出：隨著時(shí)間的延長，兩組微生物膜的生物量表現(xiàn)出先升—后降的趨勢(shì)，表明微生物膜經(jīng)歷了生長、成熟、脫落的過程，基本上在第15 d左右達(dá)到成熟，結(jié)合鏡檢發(fā)現(xiàn)的菌膠團(tuán)、原生動(dòng)物和水蚤等后生動(dòng)物，表明碳纖維生態(tài)基微生物膜成熟后形成了可循環(huán)的微生態(tài)系統(tǒng)，避免了微生物膜脫落后水質(zhì)惡化，有效提高了水質(zhì)凈化效果。

3.3 納米曝氣耦合碳纖維水草對(duì)污染物去除效果

3.3.1 水體透明度變化

從圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組透明度變化差距顯著，其中對(duì)照組透明度變化不明顯，實(shí)驗(yàn)組1、實(shí)驗(yàn)組2和實(shí)驗(yàn)組3最終水體透明度分別達(dá)到42 cm、48 cm和43 cm，碳纖維水草耦合納米曝氣對(duì)水體透明度改善效果最優(yōu)。通過實(shí)驗(yàn)組1、2、3對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組2和實(shí)驗(yàn)組3水體透明度改善速率明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組1，分析原因主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)水體經(jīng)過磁絮凝處理后，水體中的懸浮物大部分已經(jīng)被去除，影響水體透明度的主要因素是水體中的硫化亞鐵及硫化錳等發(fā)黑物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)組2和實(shí)驗(yàn)組3通過納米曝氣處理，可以有效提高水體中的溶解氧，同時(shí)納米曝氣可以產(chǎn)生一定量的羥基自由基，可以快速將硫化鐵、硫化錳氧化，提高水體透明度；實(shí)驗(yàn)組1只設(shè)置了碳纖維生態(tài)基，前期碳纖維對(duì)水體中的懸浮物吸附達(dá)到飽和后，水體中的黑臭物質(zhì)主要是通過微生物生長代謝去除，改善速率與生物膜的生長有關(guān)系，但最終也能達(dá)到消除黑臭的效果。

圖5 透明度變化曲線

3.3.2 COD的去除效果

從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)組1、2、3對(duì)COD的去除效果明顯高于對(duì)照組，其中對(duì)照組COD去除率為25%，實(shí)驗(yàn)組1、2、3的COD去除率分別為60%、88%和63%，其中實(shí)驗(yàn)組2的COD去除率明顯高于實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組3，主要是由于除生物膜對(duì)有機(jī)物降解外，納米曝氣可以有效提高水體溶解氧強(qiáng)化生物膜對(duì)有機(jī)物的去除效果，并伴隨產(chǎn)生少量的羥基自由基，可以去除水體中的硫化鐵以及硫化錳等還原性物質(zhì)，去除水體中的COD，因此碳纖維人工水草耦合納米曝氣技術(shù)組合對(duì)COD的去除效果優(yōu)于單獨(dú)使用碳纖維人工水草或納米曝氣。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2水體COD在一段時(shí)間內(nèi)呈下降—上升—再下降的趨勢(shì)，通過分析發(fā)現(xiàn)COD曲線變化趨勢(shì)與生物膜生物量變化相似，符合生物膜生長—成熟—脫落的規(guī)律對(duì)污染物去除效果的影響，進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組2變化趨勢(shì)明顯低于實(shí)驗(yàn)組1，分析原因可能是納米曝氣具有較好的氣浮效果，試驗(yàn)組2生物膜脫落后被納米氣泡附著，漂浮于水體表面造成。

圖6 COD變化曲線

3.3.3 氨氮的去除效果

氨氮是評(píng)價(jià)水體黑臭程度的重要指標(biāo)。從圖7可以看出：對(duì)照組經(jīng)底泥改良后氨氮濃度降低12%，實(shí)驗(yàn)組1、2、3對(duì)氨氮均由較好的去除效果，對(duì)氨氮的去除率分別為42%、97%和65%，由此可知納米曝氣耦合碳纖維水草技術(shù)組合對(duì)黑臭水體氨氮去除具有良好的處理效果。水體中的溶解氧是生物除氨氮的重要先決條件，提高溶解氧濃度可提高載體生物膜工藝對(duì)氨氮的去除效果[16]，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組3可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用納米曝氣相對(duì)于單獨(dú)使用碳纖維水草對(duì)黑臭水體除氨氮具有更好的處理效果，也證明了這一觀點(diǎn)。氨氮的變化曲線在第21 d出現(xiàn)了一定的波動(dòng)性，這與生物膜的生長—成熟—脫落的規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

3.3.4 總磷的去除效果

從圖8中可以看出：對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組1、2、3對(duì)TP均有去除效果，總磷去除率分別為27.3%，50.95%、68.61%和47.94%，實(shí)驗(yàn)組2即采用碳纖維水草耦合納米曝氣技術(shù)對(duì)黑臭水體中的TP去除效果顯著優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組3即分別單獨(dú)使用碳纖維水草和納米曝氣技術(shù)；其中對(duì)照組對(duì)TP的去除主要是由于沉降作用和水體中微生物的生長、代謝對(duì)水體中的TP起到了去除作用。實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2的TP變化曲線在第19、第21 d出現(xiàn)了一定的波動(dòng)性，這符合生物膜的生長—成熟—脫落的規(guī)律。

圖7 氨氮變化曲線

圖8 TP變化曲線

4 結(jié)論

(1)黑臭水體底泥經(jīng)過改良后可以有效抑制底泥污染物向水體釋放，切斷內(nèi)源污染，避免黑臭水體治理完成后的二次污染，防止黑臭反復(fù)。

(2)磁絮凝技術(shù)對(duì)黑臭水體的SS、COD、氨氮和TP的去除率分別為71.8%、52.4%、20.5%和66.2%，磁絮凝技術(shù)可以快速、高效去除黑臭水體中的污染物，用于黑臭水體的應(yīng)急治理或黑臭水體治理過程中其他治理的前處理措施。

(3)碳纖維水草耦合納米曝氣技術(shù)修復(fù)黑臭水體效果最佳，水體透明度由15 cm上升至48 cm，對(duì)COD、氨氮、TP的去除率分別達(dá)到88%、97%和68.6%，同時(shí)碳纖維水草耦合納米曝氣可以改善水體微生態(tài)環(huán)境，形成良性循環(huán)，持續(xù)改善黑臭水體，凈化水質(zhì)。

(4)磁絮凝旁路治理+碳纖維水草耦合納米曝氣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)黑臭水體快速治理以及從微生態(tài)環(huán)境層面改善黑臭水體，持續(xù)凈化水質(zhì)，配合底泥改良避免底泥內(nèi)源污染物釋放造成的二次污染，實(shí)現(xiàn)黑臭水體的綜合治理，長治久清。