外置式生物反應(yīng)器對水庫原水中總氮去除的試驗(yàn)

毋海燕

(上海同濟(jì)環(huán)境工程科技有限公司，上海 200092)

水庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境要素的重要組成部分，在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中舉足輕重，但隨著城市化的進(jìn)展和河道水系的污染，我國水庫的富營養(yǎng)化程度也越來越嚴(yán)重。根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報(bào)》[1]，目前我國28個(gè)國控重點(diǎn)湖(庫)中，滿足II類水質(zhì)的2個(gè)，占7.1%；Ⅲ類的6個(gè)，占21.4%；IV類的4個(gè)，占14.3%；V類的5個(gè)，占17.9%；劣V類的11個(gè)，占39.3%。在監(jiān)測的26個(gè)湖(庫)中，重度富營養(yǎng)的2個(gè)，占7.7%；中度富營養(yǎng)的3個(gè)，占11.5%；輕度富營養(yǎng)的9個(gè)，占34.6%。根據(jù)水利部中國水資源公報(bào)[2]，目前TN為我國水庫主要超標(biāo)項(xiàng)目之一。我國華東地區(qū)某市具有不同類型水庫200余個(gè)，目前水質(zhì)均呈現(xiàn)不均衡的富營養(yǎng)化狀態(tài)，氮污染問題十分突出[3]。對于湖庫型水體，防治富營養(yǎng)化是普遍面臨的突出問題[4]，尤其是對TN的控制。

研究表明，汛期降雨引起的地表徑流中的大量氮污染物會(huì)隨地表徑流向水體遷移進(jìn)入水庫[5-6]，因此控制其排入水體是控制水庫TN的關(guān)鍵因素之一[7]。除了降雨給水庫帶來外源性氮污染物外，水庫水體中的微生物活動(dòng)受氣溫影響也會(huì)影響氮污染物的濃度。而且，水庫中水質(zhì)在水溫變化時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)季節(jié)性熱分層現(xiàn)象[8-10]，此時(shí)，水庫水溫、pH、溶解氧(DO)濃度等因分層會(huì)出現(xiàn)垂向差異[11-13]。盧俊平等[12]對水庫富營養(yǎng)化的研究表明，TN變化主要受溫度影響，與DO含量基本無關(guān)；TN濃度沿水深出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表層和底層水體氮磷濃度高于中層水體，且TN在庫底沉積物表層大量富集[14-15]。

魏嵐等[15]研究發(fā)現(xiàn)，除了溫度、DO、pH以及水體擾動(dòng)等因素，底泥自身性質(zhì)也影響著氮釋放。因此，了解水庫季節(jié)分層相關(guān)理化特征及沉積物本身性質(zhì)對控制水庫TN具有重要意義。另外暴雨徑流會(huì)破壞水庫水體自然分層，增加內(nèi)源污染的風(fēng)險(xiǎn)[8]，也需格外關(guān)注。

因此，本研究通過外置式生物反應(yīng)器在水庫現(xiàn)場開展試驗(yàn)，了解水庫水生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律的同時(shí)，考察外置式生物反應(yīng)器對水庫原水中TN的去除效果，在此基礎(chǔ)上分析影響TN控制的關(guān)鍵因素，并闡明水庫自然分層對TN去除的重要性以及水庫水質(zhì)的季節(jié)變化規(guī)律。最后，通過底泥擾動(dòng)對水庫TN去除的研究，了解底泥擾動(dòng)對控制水庫TN的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及機(jī)理

1.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用一個(gè)天然生物循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)-外置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)，主要由反應(yīng)器進(jìn)出水管路系統(tǒng)(圖1)、外置式生物反應(yīng)器(圖2)以及水庫Ⅰ組成。

圖1 外置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)Fig.1 System of External Bioreactor

圖2 外置式生物反應(yīng)器Fig.2 Diagram of External Bioreactor

試驗(yàn)水庫位于低洼地，外置式生物反應(yīng)器安裝于水庫Ⅰ岸邊，其進(jìn)水口從水庫表層取水，再經(jīng)過外置式生物反應(yīng)器將水通過配水軟管及布水管排入水庫底層。

1.1.2 試驗(yàn)裝置作用機(jī)理

本系統(tǒng)主要通過小環(huán)境內(nèi)循環(huán)生態(tài)法激活并強(qiáng)化水體中的本土微生物——反硝化菌群，用水體本身代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物反應(yīng)器，重組、完善和優(yōu)化水體微生物生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，通過不斷循環(huán)水，增強(qiáng)反硝化菌的脫氮能力，從而實(shí)現(xiàn)原位控制TN的目的。本試驗(yàn)過程無需接種污泥，試驗(yàn)裝置作用機(jī)制如圖3所示。

圖3 外置式生物反應(yīng)器作用機(jī)制Fig.3 Mechanism of External Bioreactor

1.2 試驗(yàn)水庫概況及水質(zhì)

1.2.1 試驗(yàn)水庫概況

試驗(yàn)水庫Ⅰ滿水時(shí)占地面積為3萬m2，水面基本呈三角形分布，滿水時(shí)最大水深約10 m；平時(shí)水庫占地面積約2萬m2，水庫水深約9 m，庫容高峰時(shí)約21萬m3，平時(shí)約15萬m3。

水庫Ⅱ位于水庫Ⅰ的下游，與水庫Ⅰ為同一水系，均為具備典型水質(zhì)污染特征的水源地。

1.2.2 試驗(yàn)水庫原水水質(zhì)分析

表1 試驗(yàn)水庫原水水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)

1.3 樣品采集及檢測方法

1.3.1 水庫現(xiàn)場概況及采樣點(diǎn)

水庫現(xiàn)場概況如圖4所示。

圖4 水庫Ⅰ現(xiàn)場概況Fig.4 On-Site Overview of ReservoirⅠ

由圖1、圖4可知，水庫Ⅰ現(xiàn)場安裝4套外置式生物反應(yīng)系統(tǒng)，通過軟管連接每套外置式生物反應(yīng)器的進(jìn)水和出水，每套系統(tǒng)具有1個(gè)進(jìn)水口，2個(gè)出水口，4套系統(tǒng)共計(jì)4個(gè)進(jìn)水口，4條纜繩，8個(gè)出水口(系統(tǒng)進(jìn)出水流量均為200 mL/h)。沿纜繩軟管下方連接不銹鋼配重管，即通過不銹鋼管自重使布水繩索固定、不被風(fēng)帶走，從而保證布水點(diǎn)位置不移動(dòng)，并保證出水口在水庫底部。

樣品采集點(diǎn)為沿著纜繩出水垂直管水深方向不同深度取水樣，取樣深度約為0.5、2、4、6、8 m等。

1.3.2 樣品檢測及試驗(yàn)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 外置式生物反應(yīng)器對水庫TN的控制

TN控制外置式生物反應(yīng)器經(jīng)安裝和調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后20 d，試驗(yàn)水質(zhì)隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 TN控制試驗(yàn)中水質(zhì)隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of Water Quality with Reaction Time in Test of TN Control

2.2 外界環(huán)境變化對水庫TN控制的影響

圖6 臺(tái)風(fēng)前后水庫TN和隨時(shí)間變化趨勢圖Fig.6 Trend of TN and with Operation Time in ReservoirⅠbefore and after Typhoon

為進(jìn)一步探究臺(tái)風(fēng)帶來的大量降雨對水庫氮素的影響，對水庫Ⅰ水面降雨及地表徑流中氮素濃度進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水庫Ⅰ水面降雨與地表徑流氮素?cái)?shù)據(jù)

由表2可知，相較于垂直降水，地表徑流中TN濃度較高，是水庫水體TN污染的主要來源。

綜上所述，臺(tái)風(fēng)后該系統(tǒng)對TN控制效果明顯下降，主要原因?yàn)榕_(tái)風(fēng)引起的大量地表徑流使水庫TN濃度急劇上升；同時(shí)，水庫庫底排水可能破壞了水庫水質(zhì)的自然分層狀態(tài)；另外，溫度降低引起微生物活性降低也可能是原因之一。

2.3 水庫底部排水對水庫水質(zhì)分層狀態(tài)及TN控制的影響

為進(jìn)一步確認(rèn)水庫底部排水對水庫水質(zhì)分層狀態(tài)及TN控制的影響，對經(jīng)過底部排水后的水庫Ⅰ進(jìn)行分層采樣，分層采樣及檢測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 水庫底部排水后分層采樣數(shù)據(jù)變化圖Fig.7 Variation of Indexes by Stratified Sampling Collection after Drainage from the Bottom of Reservoir

為證實(shí)水庫水質(zhì)自然分層狀態(tài)破壞的主要原因是水庫庫底排水，作為對比，對水庫Ⅱ(與水庫Ⅰ有相同的水質(zhì)及外部環(huán)境，受臺(tái)風(fēng)影響但未進(jìn)行底部排水)進(jìn)行了分層采樣數(shù)據(jù)分析，如圖8所示。

圖8 水庫Ⅱ檢測數(shù)據(jù)隨水深的變化Fig.8 Variation of Data with Water Depth in Reservoir Ⅱ

2.4 水庫庫底排水對底泥的擾動(dòng)及水庫TN控制的影響

為了迅速恢復(fù)水庫中的缺氧環(huán)境，提升TN去除效果，研究底泥擾動(dòng)對水庫TN控制的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 泥水混合水樣檢測數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

采用外置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)對水庫中的TN進(jìn)行原位控制，并對內(nèi)外部影響因素進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

(1)在水庫水質(zhì)自然分層狀態(tài)下，外置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)在水溫適宜時(shí)運(yùn)行20 d后，水庫中TN去除率可達(dá)50%以上，TN從地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)提升到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，治理時(shí)間短、見效快、穩(wěn)定性好。

(2)系統(tǒng)TN去除效果下降的主要原因?yàn)榈乇韽搅鲗λ畮霻N的輸入，同時(shí)水庫庫底人為排水導(dǎo)致水質(zhì)分層狀態(tài)消失，造成脫氮環(huán)境破環(huán)；低溫時(shí)微生物活性降低也是原因之一；底泥的擾動(dòng)也不利于TN控制。

(3)我國華東等四季分明的地區(qū)，水庫屬于單季完全或不完全混合型，在春夏交接季直至秋末冬初，水庫保持分層狀態(tài)，此后分層狀態(tài)逐漸減弱甚至消失，呈現(xiàn)完全或不完全混合，水庫水質(zhì)趨于均勻。水質(zhì)完全混合期不利于TN的控制。

(4)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，為保證TN去除效果，應(yīng)避免從水庫底部排水或在水體水質(zhì)分層未消失之前，使TN控制達(dá)到預(yù)期效果。