城市黑臭水體治理中水生植物及微生物對(duì)水體凈化作用的試驗(yàn)

趙 博，杜憲正

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司山東分院，濟(jì)南 250101）

黑臭水體治理關(guān)乎人民生活的獲得感與幸福感，目前，治理黑臭水體、改善河道水質(zhì)的方法有很多，除了對(duì)污染河道的外源污染進(jìn)行控源截污之外，針對(duì)河道內(nèi)源污染，有包括物理方法、生態(tài)-生物法、生物膜技術(shù)以及水生植物凈化法等多種方式對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行原位修復(fù)。其中，生物膜技術(shù)是模擬土壤自凈過(guò)程發(fā)展而來(lái)的一種人工生物處理方法，已被廣泛應(yīng)用于污水處理和水廠原水預(yù)處理中。近年來(lái)，生物膜技術(shù)用于修復(fù)污染河道成為研究熱點(diǎn)，在我國(guó)城市重污染河道修復(fù)方面已有相關(guān)研究和應(yīng)用。

1 目的

針對(duì)發(fā)生黑臭的河道水體，除了透明度這一項(xiàng)直觀的數(shù)據(jù)外，結(jié)合歷年河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)，一是河道中的氧化還原電位失衡，這是河道水質(zhì)異常最直接的化學(xué)表現(xiàn)；二是河道中的溶解氧含量均不高，而溶解氧是衡量河流水質(zhì)重要的綜合性指標(biāo)，對(duì)河流水體自凈過(guò)程起著非常重要的作用；三是河道水質(zhì)氨氮的含量，這一項(xiàng)指標(biāo)與溶解氧含量直接掛鉤。水體中的氨氮在水中硝化細(xì)菌的作用下氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，完全氧化1 mg氨氮大約需要消耗4.6 mg溶解氧[1]。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，目前在發(fā)生黑臭的河道水體中，溶解氧水平與氨氮含量的關(guān)系已經(jīng)失調(diào)。溶解氧是天然河流水體污染與否非常重要的一個(gè)因素，當(dāng)水體中溶解氧低于4 mg/L時(shí)，就會(huì)引起魚(yú)類(lèi)窒息死亡，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，飲用水源地水源水富含溶解氧，表明水質(zhì)沒(méi)有受到污染，反之說(shuō)明水體受有機(jī)物及還原物質(zhì)的污染。因此，天然河流水體中溶解氧的高低是水體污染程度的重要指標(biāo)，也是衡量水質(zhì)的綜合指標(biāo)。

河流水體的溶解氧主要來(lái)源于大氣復(fù)氧作用和水生植物的光合作用，其中大氣復(fù)氧起著主要作用[2]。水體的溶解氧主要消耗于底泥氧化、硝化反應(yīng)、有機(jī)物降解、生化及生物合成等過(guò)程、水生生物和植物生長(zhǎng)等。當(dāng)耗氧過(guò)程的總耗氧量大于復(fù)氧總量時(shí)，水體的溶解氧水平會(huì)逐漸下降，直至消耗殆盡。而河水中溶解氧的缺乏是河道黑臭的根本原因，水體耗氧過(guò)程主要有以下幾方面。

1.1 有機(jī)物的氧化分解耗氧

有機(jī)物耗氧有兩個(gè)階段，第一階段碳化階段：好氧微生物參與分解有機(jī)物，碳化合物氧化生成二氧化碳和水，從而消耗天然水體中的溶解氧。第二階段為硝化階段：氮化合物氧化階段反應(yīng)過(guò)程：NH4+→NO2-→NO3-，在厭氧微生物的作用下，有機(jī)氮氧化的最終產(chǎn)物是甲烷、硫化氫、氨，使水體發(fā)臭。

天然河流中的有機(jī)無(wú)毒物質(zhì)，主要有碳氮化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等，這類(lèi)物質(zhì)的性質(zhì)極不穩(wěn)定，在有氧或缺氧的條件下，都能在微生物的作用下借助微生物的新陳代謝功能而被分解氧化成水、二氧化碳等穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物。

1.2 河流底泥耗氧

河流底泥耗氧是指河流水體底部的污泥內(nèi)有機(jī)物質(zhì)的耗氧，一般情況下，底泥耗氧量并不大，只占河流總耗氧量的1%左右。

1.3 水生植物夜間呼吸耗氧

天然河流水生植物，白天主要進(jìn)行光合作用供氧，到了夜間光合作用減弱，水生植物主要進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。

當(dāng)河道水體中的溶解氧不足時(shí)，水中的好氧分解停止，引起有機(jī)物的厭氧發(fā)酵，水體水質(zhì)出現(xiàn)惡臭，毒害其他水生生物，水生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。因此，提高水體的溶解氧是黑臭水體修復(fù)中的一個(gè)根本原則。

2 原理

地面水接受污染物后，能恢復(fù)為原有的潔凈水質(zhì)，這一過(guò)程稱為水體的自凈作用。自凈作用主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：首先，污染物分子從污水的主體相傳遞到菌體表面；然后與菌體表面的黏多糖黏合，或與菌體表面的活性位點(diǎn)結(jié)合；最后，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)。因此，凡是能影響傳質(zhì)、吸附穩(wěn)定和生化反應(yīng)的因素，都是影響水體自凈的因素，如溫度、流速、底物濃度等[3]。

含氮化合物在水體中轉(zhuǎn)化可分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為含氮有機(jī)物如蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸和尿素轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氨氮，稱為氨化過(guò)程[4]。

第二階段是氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽與硝酸鹽，稱為硝化過(guò)程：

氨的氧化：

亞硝酸的氧化：

總方程式為：

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

要想迅速提高河道水體中的溶解氧含量，通過(guò)曝氣機(jī)將大量氧氣充入水體進(jìn)行曝氣復(fù)氧的方法對(duì)污染嚴(yán)重的水體具有明顯的作用，其具體表現(xiàn)在消除水體黑臭、降解有毒有害物質(zhì)、增加水中的溶解氧、恢復(fù)生態(tài)平衡等方面。曝氣復(fù)氧作為一種投資少、見(jiàn)效快的河流治理措施，已在國(guó)內(nèi)外污水治理工程中被大量應(yīng)用，并取得滿意效果。

本次水質(zhì)試驗(yàn)的目的是在人工曝氣的基礎(chǔ)上探究河道中氨氮污染的特性，即在河道中溶解氧充足的條件下采用不同的試驗(yàn)參數(shù)觀察河道水質(zhì)的氨氮消解過(guò)程與效果。

研究期間共進(jìn)行了4項(xiàng)試驗(yàn)。一是河道表層水曝氣充氧試驗(yàn)：取河道表層水，分別進(jìn)行連續(xù)曝氣和間歇曝氣試驗(yàn)，24 h后檢測(cè)水中氨氮含量。二是河道底泥與河水混合曝氣試驗(yàn)：取河道表層水一桶（25 L），并取半桶底泥（底泥表觀黑色發(fā)臭，嚴(yán)重缺氧所致）；將泥水混合后取樣檢測(cè)氨氮含量，然后進(jìn)行曝氣試驗(yàn)24 h，曝氣完畢檢測(cè)上清液中氨氮含量，觀察氨氮的變化；實(shí)驗(yàn)完畢后，底泥繼續(xù)進(jìn)行曝氣激活。三是用已馴化的活性污泥及植物根際生物膜驗(yàn)證氨氮降解效果，在試驗(yàn)中，對(duì)河水樣品進(jìn)行了三種處理：①號(hào)試驗(yàn)槽加入經(jīng)過(guò)兩天兩夜曝氣之后的河道底泥，②號(hào)試驗(yàn)槽加入已馴化的活性污泥和水葫蘆，③號(hào)試驗(yàn)槽只加入水葫蘆（表面附著生物膜），連續(xù)曝氣，24 h后檢測(cè)水中氨氮含量。四是已馴化的活性污泥和水葫蘆試驗(yàn)組進(jìn)行時(shí)間梯度試驗(yàn)，以找出氨氮降解規(guī)律：對(duì)②號(hào)試驗(yàn)槽重復(fù)試驗(yàn)，每隔半小時(shí)取一次樣，檢測(cè)上清液中氨氮含量。具體試驗(yàn)結(jié)果如下。

一是曝氣24 h后，河水水質(zhì)明顯變清，出現(xiàn)少量絮狀沉淀，氨氮降解率為2.2%。分析：河道表層水較清，水中缺乏微生物附著的載體物質(zhì)，經(jīng)過(guò)曝氣反應(yīng)后，水中SS（固體懸浮物）和藻類(lèi)等固體物質(zhì)被微生物附著，形成絮狀沉淀，水質(zhì)變清，但由于水中微生物含量太少，因此對(duì)氨氮的降解效果不明顯。

二是曝氣24 h后，上清液中氨氮由開(kāi)始的10.18 mg/L下降到9.10 mg/L，降解率為10.6%，相比于對(duì)河水直接曝氣來(lái)說(shuō)，氨氮降解率升高。分析：河道底泥呈墨黑色，發(fā)臭，絮凝效果差，長(zhǎng)期處于河道深處且厭氧狀態(tài)下，污泥活性差、微生物含量少，在人工曝氣增氧下，底泥中微生物利用氧對(duì)水中氨氮進(jìn)行降解，但由于微生物含量較少，對(duì)水中氨氮等污染物的降解作用也有限，相較于對(duì)沒(méi)有底泥的河水曝氣，氨氮的降解率達(dá)到10.6%。這說(shuō)明沒(méi)有底泥的水中微生物無(wú)法大量繁殖，單純的曝氣增氧對(duì)水中氨氮的降解作用一般，而底泥可以為水中微生物的生長(zhǎng)提供載體，配合曝氣增氧措施可以激活底泥中的微生物，達(dá)到提高氨氮降解效率的效果。

三是原水中氨氮含量為11.43 mg/L，經(jīng)過(guò)24 h的曝氣增氧試驗(yàn)，結(jié)果顯示，加入已經(jīng)曝氣激活兩天兩夜的河道底泥的①號(hào)試驗(yàn)槽氨氮含量為9.3 mg/L，氨氮降解率為18.6%；加入水葫蘆和活性污泥的②號(hào)試驗(yàn)槽氨氮含量為2.4 mg/L，氨氮降解率為79%；只加入水葫蘆的③號(hào)試驗(yàn)槽氨氮6.4 mg/L，氨氮降解率為44%。分析：理論上來(lái)說(shuō)，曝氣時(shí)間越長(zhǎng)，河道底泥中溶氧增加，有利于底泥中微生物的生長(zhǎng)，底泥具有的活性也就越強(qiáng)，最終對(duì)河道內(nèi)氨氮降解效果越好。①號(hào)試驗(yàn)槽中河道底泥經(jīng)過(guò)兩天兩夜曝氣之后，部分污泥活性有所提高，曝氣增氧條件下氨氮降解率（18.6%）比之前直接取自河底的底泥（10.6%）要高；②號(hào)試驗(yàn)槽中加入了已馴化的活性污泥和水葫蘆植物，兩者皆可作為微生物生存的載體，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，因此該組氨氮降解率高達(dá)79%，說(shuō)明在完善的活性污泥系統(tǒng)中，河水中氨氮是可以降解達(dá)標(biāo)的；③號(hào)試驗(yàn)槽試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明水葫蘆表面的生物膜系統(tǒng)對(duì)水中氨氮降解有一定作用。

四是在開(kāi)始曝氣30 min時(shí)，氨氮含量從11.43 mg/L降低到7.63 mg/L，降解率達(dá)到33.25%。之后的時(shí)間氨氮降解速度開(kāi)始逐漸下降，在210 min時(shí)水中氨氮就已降到2 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》V類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，并在接下來(lái)的時(shí)間內(nèi)保持在2 mg/L以下。分析：已馴化的活性污泥中，存在比較完善的微生物群體，在微生物群體新陳代謝功能的作用下，可以將水中氨氮等污染物降解。此外，水葫蘆等植物根部也生長(zhǎng)著很多微生物，組成了生物膜，在曝氣增氧的作用下，這兩部分微生物共同作用，將水中氨氮降解為穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物質(zhì)。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，短短210 min內(nèi)，水中氨氮就從開(kāi)始的11.43 mg/L減少到1.72mg/L，降解率達(dá)到84.95%，說(shuō)明在完善的活性污泥系統(tǒng)中，人工曝氣增氧措施對(duì)水中氨氮降解率很高，而且降解速度很快。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，人工曝氣增氧對(duì)河水中的SS等固體物質(zhì)有一定的促進(jìn)絮凝沉淀作用，有利于提高水體透明度。人工曝氣增氧可以激活河道底泥，使底泥擺脫厭氧環(huán)境，有利于微生物的附著生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)水中有機(jī)污染物質(zhì)和氨氮的降解。加水葫蘆試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，水體中的沉水植物和挺水植物可以成為微生物生長(zhǎng)的載體，促進(jìn)生物膜的形成，從而達(dá)到降解水中氨氮的效果。

綜上所述，在城市黑臭水體整治中，水生植物及水中微生物在人工曝氣增氧的措施下可以加快城市黑臭水體中氨氮的降解，改善底泥環(huán)境，促進(jìn)水質(zhì)提升。這對(duì)于河道水質(zhì)中增加溶解氧，同時(shí)消解水中氨氮含量具有積極意義。黑臭水體整治需要堅(jiān)持長(zhǎng)治久清的原則，絕不是一朝一夕能夠輕易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，黑臭水體整治是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，長(zhǎng)治久清的實(shí)現(xiàn)需要各個(gè)環(huán)節(jié)的努力，包括內(nèi)源污染及點(diǎn)源、面源污染的共同治理，這樣才能實(shí)現(xiàn)這一為民利民的偉大功績(jī)。