碳纖維人工水草技術(shù)處理湖泊水的試驗(yàn)研究

李思敏，黃 帥，徐 明

(1.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.西安市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068)

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碳纖維人工水草技術(shù)處理湖泊水的試驗(yàn)研究

李思敏1，黃 帥1，徐 明2

(1.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.西安市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068)

摘要：針對(duì)湖泊等緩流水體生態(tài)恢復(fù)的需要，從技術(shù)特點(diǎn)、凈化機(jī)理、運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)等方面介紹碳纖維人工水草技術(shù)。分析趙苑湖泊水污染現(xiàn)狀，以碳纖維人工水草為載體，利用水中微生物處理趙苑湖泊水，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。通過(guò)進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)確定最佳水草鋪設(shè)密度，結(jié)果表明，最佳運(yùn)行密度為16株/m2，其對(duì)CODcr、NH3-N、TN、TP的去除率分別為69.16%、81.06%、72.92%、47.36%；碳纖維人工水草技術(shù)對(duì)湖泊水的生態(tài)修復(fù)效果顯著，并且不影響景觀湖泊的觀賞性。

關(guān)鍵詞：碳纖維人工水草；生態(tài)修復(fù)；最佳運(yùn)行密度

湖泊是重要的自然資源與環(huán)境載體，與其他水體相比，其與人們的生活及生產(chǎn)關(guān)系更加密切。但是隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展、人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)污水的排放造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化，水體生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1-3]。特別是(人工)湖泊屬于緩流水體，自凈能力薄弱，很難具有自然恢復(fù)到被破壞前生態(tài)環(huán)境的能力。我國(guó)當(dāng)前大部分湖泊凈化技術(shù)采取的是物理和化學(xué)方法，雖然具有見(jiàn)效快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是修復(fù)效果持續(xù)性差、同時(shí)增加湖泊底泥，無(wú)異于飲鴆止渴。碳纖維人工水草技術(shù)是以生物膜凈化技術(shù)為核心，對(duì)受污染水體中的C、N、P等各項(xiàng)污染指標(biāo)以生物技術(shù)進(jìn)行降解，同時(shí)具有優(yōu)良的持續(xù)性和良好的景觀效果，在湖泊生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域值得研究和推廣[4-5]。碳纖維人工水草技術(shù)是在生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下，以生物修復(fù)為基礎(chǔ)，結(jié)合物理及化學(xué)工藝達(dá)到的一種復(fù)合環(huán)境治理技術(shù)。該技術(shù)是以碳素纖維水草作為生物膜載體形成的生物膜工藝，可以通過(guò)控制生物膜膜厚，形成適宜的好氧/厭氧分區(qū)，構(gòu)建適宜脫氮除磷菌增殖的環(huán)境，對(duì)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行吸附和生物降解并最終將污染物質(zhì)去除，或轉(zhuǎn)化成為微生物組分[6-12]。此次實(shí)驗(yàn)從邯鄲市趙苑湖泊水系原位污染現(xiàn)狀出發(fā)，研究不同水草鋪設(shè)密度條件下，碳纖維人工水草技術(shù)對(duì)趙苑湖泊水系污染物質(zhì)的降解效果，以期為碳纖維人工水草技術(shù)更好地應(yīng)用于實(shí)際工程提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置共有6組3.5 m×2.0 m×1.5 m不銹鋼原位圍隔(外襯防水布)，并在防水布底部開(kāi)0.5 m×0.5 m的換水口，編號(hào)1～6。1號(hào)為對(duì)照組，其他五個(gè)圍隔為實(shí)驗(yàn)組。1～6號(hào)各組圍隔依次按0、2、4、10、16、20株/m2密度鋪設(shè)碳纖維人工水草。6組圍隔均置于趙苑某人工湖泊中心，該湖泊不僅作為景觀湖泊，而且接受某污水處理廠部分出水。

1.2 試驗(yàn)方法

每天對(duì)湖泊原水及6組圍隔水取樣監(jiān)測(cè)，每天上午10：00取樣一次，周期為70 d(雨天不取樣)，通過(guò)分析CODcr、NH3-N、TN、TP的濃度及去除率的變化趨勢(shì)，研究針對(duì)這四種污染物的效果和去除機(jī)理，并通過(guò)指標(biāo)疊加法確定碳纖維人工水草的最佳鋪設(shè)密度。

1.3監(jiān)測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)主要對(duì)易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化及水體污染的CODcr、NH3-N、TN、TP等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中CODcr的監(jiān)測(cè)方法采用重鉻酸鉀法；NH3-N的監(jiān)測(cè)方法采用納氏比色法；TN的監(jiān)測(cè)方法采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；TP的監(jiān)測(cè)采用鉬銻抗分光光度法[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1碳纖維人工水草對(duì)CODcr的去除效果

從圖1可以看出，試驗(yàn)初期,各組CODcr下降速率較快，鋪設(shè)碳纖維人工水草試驗(yàn)組對(duì)CODcr的降解速率明顯高于對(duì)照組，這主要得益于人工水草的吸附固定作用。對(duì)照組由于缺乏載體的吸附作用,CODcr的降解速率較慢。由于碳纖維人工水草附著生物膜上存在大量細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等微生物,在這類微生物的新陳代謝作用下，水體中大量有機(jī)物被生物膜吸收分解, 這是試驗(yàn)中后期各組有機(jī)物下降的主要原因。試驗(yàn)進(jìn)行到10 d，各試驗(yàn)組對(duì)CODcr的去除率趨于穩(wěn)定，并且去除率隨鋪設(shè)密度的增加而提高，分別為45.89%、54.24%、59.10%、69.16%和81.77%。而對(duì)照組去除率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間要比實(shí)驗(yàn)組晚7 d左右，而且對(duì)CODcr的去除率僅為26.19%，這主要是與對(duì)照組中微生物種群與數(shù)量都比較少直接相關(guān)。

2.2 碳纖維人工水草對(duì)NH3-N的去除效果

從圖2可以看出：初期,各實(shí)驗(yàn)組的NH3-N降解速率要高于對(duì)照組，主要得益于碳纖維人工水草多孔結(jié)構(gòu)和巨大表面積的截留作用[6]。而對(duì)照組由于缺乏載體吸附及系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)不穩(wěn)定, NH3-N甚至出現(xiàn)了小幅上升。試驗(yàn)進(jìn)行到16 d,各個(gè)實(shí)驗(yàn)組已基本穩(wěn)定，且對(duì)NH3-N的去除率較高,去除率達(dá)60%左右。生物膜上大量微生物的硝化作用及生物膜上的微生物胞外聚合物對(duì)污染物的吸附作用是該階段降解的主要原因。試驗(yàn)進(jìn)行30 d后，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NH3-N的去除率都達(dá)到了66%以上。對(duì)照組的去除效果也較好，達(dá)到了60%，這可能是由于湖泊原位中存在大量藻類、細(xì)菌、原生動(dòng)物及后生動(dòng)物，對(duì)NH3-N的氧化降解有著顯著作用。對(duì)照組與各試驗(yàn)組對(duì)NH3-N的最終去除率分別為 66.17 %、 76.18 %、73.29%、75.82%、81.06%和83.53%。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的去除率均優(yōu)于對(duì)照組，且鋪設(shè)密度越大效果越好。各組NH3-N呈總體下降趨勢(shì)，鋪設(shè)密度越大，降解速率越快，而且對(duì)NH3-N的去除率穩(wěn)定點(diǎn)相對(duì)提前。

2.3 碳纖維人工水草對(duì)TN的去除效果

從圖3得知：試驗(yàn)初期各組對(duì)TN的去除相對(duì)穩(wěn)定，總體去除率趨勢(shì)是逐漸上升的。試驗(yàn)進(jìn)行到21 d，各組運(yùn)行基本穩(wěn)定。最終，對(duì)照組與各實(shí)驗(yàn)組的TN去除率分別為54.53 %、64.08 %、64.70%、64.55%、72.23 %和67.04 %。處理效果依次是人工水草鋪設(shè)密度16株/m2>20株/m2>4株/m2>10株/m2>2株/m2>對(duì)照組。

由圖2可知，雖然NH3-N去除率在人工水草鋪設(shè)密度20株/m2時(shí)最高，但這類密度下，其對(duì)TN的去除率反而較16株/m2時(shí)有所降低，這與水體中溶解氧有很大關(guān)系[6]。隨著水體流動(dòng)，人工水草漂浮擺動(dòng)會(huì)增加圍隔內(nèi)水體的復(fù)氧速率，水草密度越大，復(fù)氧速率相對(duì)越快。由于水體中分子態(tài)氧的存在,生物膜缺氧層不穩(wěn)定會(huì)在一定程度上影響反硝化細(xì)菌的反硝化作用，因此，圍隔水體中反硝化作用可能存在瓶頸，并導(dǎo)致相當(dāng)一部分氮素是以硝態(tài)氮的形式存在而未被去除。不僅如此，在較高溶解氧濃度下，人工水草鋪設(shè)密度20株/m2的圍隔水體中的好氧菌與反硝化菌爭(zhēng)奪易降解碳源時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并消耗很大部分碳源，削弱反硝化作用，最終導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)階段的低效TN去除率。

2.4 碳纖維人工水草對(duì)TP的去除效果

由圖4得知：各組TP的去除率呈總體緩慢提高的趨勢(shì),但波動(dòng)較大，最終趨于穩(wěn)定。而且各組對(duì)TP的平均去除率分別僅為27.33%、39.90%、49.52%、47.68%、47.36%和44.97%。在試驗(yàn)進(jìn)行的前5 d, 除了對(duì)照組外，其他各組對(duì)TP去除速率都比較快，這可能是因?yàn)槿斯に莩跗诘奈阶饔?。試?yàn)進(jìn)行到5～40 d，該階段的TP去除率每16 d周期起伏。原因是由于人工水草的吸附作用、微生物胞外分泌物的吸附以及微生物生長(zhǎng)代謝的消耗[11]，TP會(huì)在7～9 d內(nèi)持續(xù)下降。而微生物生長(zhǎng)代謝所需要的磷很少，所以對(duì)TP去除主要是由于上述兩種吸附作用；但是隨著水草的漂浮擺動(dòng)及生物膜的老化脫落，人工水草吸附的磷會(huì)脫附到水體中，所以在9～16 d會(huì)出現(xiàn)TP濃度的上升。試驗(yàn)進(jìn)行到42 d左右，由于吸附和脫附平衡，TP去除率基本穩(wěn)定。對(duì)照組相對(duì)于實(shí)驗(yàn)組由于只存在磷元素的自然沉積而沒(méi)有水草載體的吸附，所以其對(duì)TP的去除率很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

污水中磷元素生物去除主要是由聚磷菌完成的。聚磷菌在厭氧條件下釋磷，在好氧的環(huán)境下可以過(guò)量的、超出其生理需要的從外部攝取磷。一般認(rèn)為,好氧及厭氧環(huán)境的交替有利于聚磷菌對(duì)磷元素的吸收。本試驗(yàn)在湖泊原水中進(jìn)行，無(wú)法提供聚磷菌所需的厭氧環(huán)境，沒(méi)有釋磷條件，所以不能形成吸磷階段所需要的PHAs。而且，由于沒(méi)有充足曝氣,導(dǎo)致水體溶解氧也不能很好地滿足聚磷菌的吸磷條件。缺少吸磷的能源PHAs及充足的溶解氧，生物除磷基本沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。人工水草鋪設(shè)密度過(guò)大也可能會(huì)阻礙磷元素的自然沉降，因此除磷效果并不隨人工水草的鋪設(shè)密度的增大而提高。綜上，人工水草的截留吸附及微生物胞外分泌物的吸附是TP下降的主要原因，并且人工水草鋪設(shè)密度過(guò)大對(duì)除磷效果有一定程度的影響。

2.5 碳纖維人工水草的綜合效果

根據(jù)指標(biāo)疊加處理方法來(lái)考慮不同鋪設(shè)密度的人工水草的綜合效果。由于TN和NH3-N的去除效果相近，并且總量不大，分別給予0.2和0.15的權(quán)重；CODcr與鋪設(shè)密度密切相關(guān)，并且尚未達(dá)標(biāo)，給予0.3的權(quán)重；考慮趙苑湖泊水體中TP濃度大，并且與水體富營(yíng)養(yǎng)化直接相關(guān)，給予0.25的權(quán)重；考慮到趙苑湖泊的景觀功能，給予0.1的權(quán)重。

表1 不同碳纖維人工水草鋪設(shè)密度的綜合效果評(píng)價(jià)表

根據(jù)表1，碳纖維人工水草在20株/m2鋪設(shè)密度的綜合效果最好。但是在16株/m2鋪設(shè)密度下的綜合效果與20株/m2鋪設(shè)密度下的綜合效果相近，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，確定趙苑湖泊碳纖維人工水草的最佳運(yùn)行密度為16株/m2。

3 結(jié)論

1)碳纖維人工水草對(duì)湖泊水體中的主要污染物都有一定的去除效果，但不是所有污染物的去除率都隨鋪設(shè)密度的增加提高。指標(biāo)疊加法確定最佳鋪設(shè)密度為20株/m2，但考慮經(jīng)濟(jì)因素，最終確定趙苑湖泊中碳纖維人工水草的最佳鋪設(shè)密度為16株/m2。

2)碳纖維人工水草技術(shù)對(duì)TP的去除機(jī)理，是依靠其多孔結(jié)構(gòu)和巨大的表面積的吸附截留作用和微生物胞外分泌物的吸附作用，去除速率較快；由于水草漂浮擺動(dòng)和生物膜的自然脫落，脫附與吸附同時(shí)存在，導(dǎo)致TP的去除率循環(huán)起伏。二者達(dá)到平衡后，去除率趨于穩(wěn)定。同時(shí)顯示，微生物生長(zhǎng)代謝所消耗的磷甚少。

3)碳纖維人工水草對(duì)TN去除率較低的根本原因在于反硝化作用存在瓶頸。水草的漂浮擺動(dòng)導(dǎo)致水體中較高的復(fù)氧速率，在一定程度上影響生物膜上缺氧層的形成；好氧菌與反硝化菌爭(zhēng)奪易降解碳源時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致用于反硝化的碳源減少，削弱了反硝化作用。最終導(dǎo)致了低效的TN去除率。

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(責(zé)任編輯王利君)

The research on the treatment of polluted pool by the technology of carbon fiber artificial plants

LI Si-min1, HUANG Shuai1, XU Ming2

(1.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038, China；2. Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710068,China)

Abstract：At the need of ecological restoration of subcritical flow such as polluted pool, the characteristics, purification principle and operation monitoring indexes of the carbon fiber artificial plants technology are presented. And the current pollution condition of Zhaoyuan pool is analyzed. By the treatment of the microorganisms lived at the artificial plants, the ecology of Zhaoyuan pool is to be restored. An in-situ experiment was conducted to determine optimal running density of the artificial plants. As a result, the optimal running density is 16/m2. At this situation, the removal rate of CODcr , NH3-N, TN, TP were 69.16%, 81.06%, 72.92%, and 47.36% respectively. Because of the high efficiency and having no undesirable impact on the ornamental value of pools, the technology of carbon fiber artificial plants can be widely used in the future.

Key words：carbon fiber artificial plants; ecological restoration; optimal running density

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0081-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.018

作者簡(jiǎn)介：李思敏(1968-)，男，陜西咸陽(yáng)人，教授，研究方向?yàn)槲蹚U水處理等。

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-003)；河北工程大學(xué)研究生創(chuàng)新能力資助項(xiàng)目(y1500050004-04)；河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(12966738D)；邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(1213109010G)

收稿日期：2015-09-29