利用生物膜內(nèi)循環(huán)折流式反應(yīng)器—生態(tài)池系統(tǒng)修復(fù)黑臭水體的應(yīng)用技術(shù)研究

李 文

（寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司，上海 201999）

引言

隨著城市化進(jìn)程的加快、污水排放量的增加，河道水污染問題屢見不鮮且出現(xiàn)季節(jié)性或常年性黑臭。黑臭水體主要是水體缺氧造成的[1]，同時(shí)也與水中氮磷含量超標(biāo)和底泥沉積有關(guān)[2]，現(xiàn)階段控制城市水體污染、整治水體黑臭已經(jīng)刻不容緩。

針對(duì)城市黑臭水體的整治，一般遵循外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補(bǔ)給、生態(tài)恢復(fù)的技術(shù)路線，而水質(zhì)凈化作為階段性手段被廣泛研究，現(xiàn)有技術(shù)可系統(tǒng)歸為物理、化學(xué)、生物、生態(tài)法4類。常用物理方法包括人工曝氣、底泥疏浚、引水調(diào)水等，可以有效提高水體中的溶解氧濃度，強(qiáng)化水體的自凈功能，促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，但不能實(shí)現(xiàn)水體水質(zhì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定改善且可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染[3]；而化學(xué)法主要包括強(qiáng)化絮凝、化學(xué)氧化和化學(xué)沉淀等，通過向水中投加化學(xué)藥劑達(dá)到去除水中懸浮物質(zhì)、溶解態(tài)磷和氮等目標(biāo)污染物的目的，能有效提高水體透明度，但采用的化學(xué)藥劑用量大，且對(duì)生態(tài)平衡以及生物生長(zhǎng)均有不可忽視的影響[4]。

本文以生物-生態(tài)法作為主要修復(fù)方式，構(gòu)建中試修復(fù)系統(tǒng)，對(duì)漕河涇港原水進(jìn)行在線處理，并探討不同條件下的處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 中試修復(fù)系統(tǒng)

構(gòu)建中試系統(tǒng)，工藝流程如圖1所示。系統(tǒng)整體由集水池、內(nèi)循環(huán)生物膜反應(yīng)器（ICBBR）和生態(tài)池組成，進(jìn)水通過反應(yīng)器處置后，出水進(jìn)入生態(tài)池經(jīng)過進(jìn)一步生態(tài)凈化。通過監(jiān)測(cè)生態(tài)池出水中溶解氧、透明度、氨氮、總氮等指標(biāo)，評(píng)價(jià)內(nèi)循環(huán)生物膜反應(yīng)器耦合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)黑臭水體的凈化效果。

圖1 工藝流程圖

中試試驗(yàn)的原水來自漕河涇港上師大段，約2 km，受漕河涇港閔行段污染的影響，水體出現(xiàn)常年黑臭，由潛水泵泵入集水池。

1.2 內(nèi)循環(huán)折流式生物反應(yīng)器

ICBBR反應(yīng)器（內(nèi)循環(huán)折流式生物反應(yīng)器），結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)體圖分別如圖2、3所示。該反應(yīng)器高0.5 m，寬0.45 m，長(zhǎng)1.35 m，有效工作體積約266 L，由一塊隔離板將反應(yīng)器劃分成上、下兩部分。在反應(yīng)器的下部交錯(cuò)排列著19塊寬為0.3 m，長(zhǎng)0.45 m，厚為0.01 m的多孔陶瓷板作為生物膜的載體；反應(yīng)器左側(cè)底部放置1個(gè)潛水泵，可實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化。

圖2 ICBBR反應(yīng)器示意圖

圖3 ICBBR反應(yīng)器實(shí)物圖

1.4 生態(tài)池

生態(tài)池的構(gòu)建如圖4所示。池內(nèi)種植盆栽30盆，每盆中各栽入4株狐尾藻、苦草、黑藻。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

中試試驗(yàn)分為7個(gè)階段，共計(jì)120天。

首先是生物膜馴化掛膜期；隨后用梧桐落葉浸出液作為外加碳源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；第三階段調(diào)節(jié)20～25℃進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)；第四～六階段以甲醇為外加碳源，分別將反應(yīng)器進(jìn)水的CODcr/TN調(diào)節(jié)至3～5、8～12、18～22進(jìn)行試驗(yàn)；第七階段則以最優(yōu)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

1.6 分析方法

中試試驗(yàn)對(duì)水中DO、NH3-N、TN等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方法如表1所示。

表1 測(cè)試分析方法及儀器

2 結(jié)果與討論

2.1 ICBBR反應(yīng)器對(duì)黑臭水體的凈化效果

ICBBR反應(yīng)器對(duì)黑臭水體中的NH3-N和TN的凈化效果如圖5、6所示。

圖5 系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果

圖6 系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果

反應(yīng)器掛膜階段氨氮、總氮去除效果不理想，進(jìn)水CODcr約為8 mg/L，CODcr/TN≈1，低碳氮比的條件不利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，因此嘗試通過外加碳源提高碳氮比的方式來改善反應(yīng)器去除效能。

當(dāng)加入外加碳源后，氨氮和總氮的去除率有所提升。后考慮到水溫對(duì)微生物活性有一定的影響，因此本階段通過在反應(yīng)器內(nèi)部安裝加熱棒穩(wěn)定水溫條件，探討溫度對(duì)反應(yīng)器去除效能的影響。對(duì)比20～25℃、25～30℃兩個(gè)階段可見，20～25℃區(qū)間較之25～30℃區(qū)間有更高的氨氮去除率。

在溫度穩(wěn)定后，改變外加碳源并調(diào)節(jié)CODcr/TN，可見在CODcr/TN為8～12時(shí)，氨氮和總氮的去除率最高。

2.2 生態(tài)池對(duì)黑臭水體的凈化效果

黑臭河道回用水作為補(bǔ)給水的生態(tài)池實(shí)驗(yàn)同樣也分為7個(gè)階段。第一到七階段均回用反應(yīng)器出水，通過生態(tài)池的水生植物修復(fù)，出水氨氮降解情況較為穩(wěn)定，去除率較高，逐漸趨于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水標(biāo)準(zhǔn)，且有望可以達(dá)到II類水標(biāo)準(zhǔn)；而總氮的情況不是特別理想，在一至三階段，生態(tài)池出水仍處于劣Ⅴ類，在投加碳源后，水體CODcr/TN提高，總氮的去除情況有所好轉(zhuǎn)，在四到六階段能基本維持在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，甚至在第七穩(wěn)定階段維持在Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 修復(fù)系統(tǒng)整體凈化效果分析

如圖7所示，內(nèi)循環(huán)生物膜反應(yīng)器處理黑臭水體：平均氨氮去除率為23.5%，平均總氮去除率為14.6%；以水生植物修復(fù)技術(shù)為核心的生態(tài)池：平均氨氮去除率為75.1%，平均總氮去除率為60.6%；系統(tǒng)總體去除能力：平均氨氮去除率為81.2%，平均總氮去除率為66.4%。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行期對(duì)總氮和氨氮的平均去除能力

2.4 系統(tǒng)水質(zhì)凈化機(jī)理分析

如圖8，ICBBR反應(yīng)器是生物膜法的一種實(shí)際工程應(yīng)用[5]，可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化。該反應(yīng)器以多孔陶瓷板作為生物膜載體，對(duì)水中污染物質(zhì)進(jìn)行生物降解，在陶瓷板表面附著的生物膜內(nèi)存在缺氧層、好氧層[6]。水體中的氨氮流經(jīng)好氧層時(shí)，被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)換為亞硝酸鹽或硝酸鹽；隨后進(jìn)入缺氧層，在反硝化細(xì)菌作用下被還原成氮?dú)庖绯鏊鎇7]。由于潛水泵的設(shè)置，反應(yīng)器內(nèi)水流不斷循環(huán)流動(dòng)，新、老生物膜不斷交替，使反應(yīng)器能長(zhǎng)期穩(wěn)定地降解污染物質(zhì)。

圖8 ICBBR反應(yīng)器的黑臭去除機(jī)理