改良型人工浮島處理小微黑臭水體的實(shí)驗(yàn)研究

張琪 石子豪 王超 龍曉宇 李莉

（漢江師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 湖北十堰 442000）

在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，許多大量未經(jīng)處理或未完全處理的工業(yè)廢水和生活污水直接或間接排入河道，導(dǎo)致河道污染、水質(zhì)下降，水體自?xún)裟芰p弱，從而造成缺氧和富營(yíng)養(yǎng)化，最后形成黑臭水體。經(jīng)過(guò)近10 年的治理，我國(guó)大部分的黑臭水體得到了有效的治理，水質(zhì)情況得到極大的改善。

國(guó)內(nèi)黑臭水體治理工作還有很多只停留在河道干支流水系規(guī)劃的基礎(chǔ)上，未在規(guī)劃法定圖上的小微水體則面臨嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，沒(méi)有受到足夠的重視［1］。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，十堰市目前還存在一些面積較小、流動(dòng)性差的小微水體，并逐漸形成了小微黑臭水體。小微黑臭水體的治理工作，因受到空間、環(huán)境、資金等諸多限制，故治理工作往往難以一次到位，常常出現(xiàn)“反復(fù)治、治反復(fù)”的情況，需要采取“一小微一策”、封堵排口、長(zhǎng)期維護(hù)等措施［2］。目前國(guó)內(nèi)外小微黑臭水體治理的具體方法包括曝氣增氧、復(fù)合微生物及化學(xué)制劑、生物技術(shù)、新興技術(shù)等，各有適用特點(diǎn)和范圍。十堰市作為南水北調(diào)中線(xiàn)核心水源區(qū)，小微黑臭水體不僅對(duì)周邊居民的生活環(huán)境與生命健康造成嚴(yán)重影響，同時(shí)也制約著河道干流水環(huán)境的改善，直接影響南水北調(diào)中線(xiàn)核心水源區(qū)調(diào)水水質(zhì)，為保證“一江清水永續(xù)北送”，當(dāng)務(wù)之急是要解決十堰市小微黑臭水體問(wèn)題。

本文主要研究的是在傳統(tǒng)人工浮島構(gòu)建中加入緩釋生物促生劑，構(gòu)建改良型人工浮島來(lái)探究其對(duì)黑臭水體的修復(fù)效果。

1 小微黑臭水體的治理進(jìn)展

1.1 小微黑臭水體的特點(diǎn)

小微黑臭水體是一種嚴(yán)重的水污染現(xiàn)象。當(dāng)水環(huán)境遭受超過(guò)其自?xún)裟芰Φ挠袡C(jī)污染時(shí)，水體中耗氧速率大于復(fù)氧速率，造成水體缺氧，致使有機(jī)物降解不完全、速度減緩，且有機(jī)物在厭氧降解過(guò)程中生成硫化氫、氨、硫醇等發(fā)臭物質(zhì)，同時(shí)形成黑色物質(zhì)，使水體發(fā)生黑臭的現(xiàn)象。

1.2 小微黑臭水體的治理技術(shù)

（1）物理修復(fù)技術(shù)：常見(jiàn)的技術(shù)有富氧曝氣、清淤和引水沖污等。富氧曝氣法運(yùn)行簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，被廣泛應(yīng)用到治理缺氧污染水體中；清淤和引水沖污去除水體中N、P、COD 等污染物質(zhì)效果快［3］，近年來(lái)在工程上使用較為廣泛。

（2）化學(xué)修復(fù)技術(shù)：主要分為藥劑法和電化學(xué)法等。藥劑法是在污水中加入混凝劑、沉淀劑、脫色劑等水處理藥劑，有效降低水體的濁度和COD，但成本也高，有可能造成二次污染。電化學(xué)法是利用微生物電解、二維電極、三維電極等方法處理污水。

（3）生物修復(fù)技術(shù)：運(yùn)用最多的是植物修復(fù)和微生物修復(fù)。主要是利用植物或微生物的分解吸收作用進(jìn)行凈化污水。

（4）綜合治理技術(shù)：主要為水中原位修復(fù)技術(shù)。目前原位修復(fù)技術(shù)大部分僅僅停留在針對(duì)淺層水體，而對(duì)去除水下不同深度污染物的技術(shù)則較少。人工浮島技術(shù)是典型的水體原位修復(fù)技術(shù)，是以“浮島+植物”為主體進(jìn)行生態(tài)凈化的方法，已廣泛地運(yùn)用于治理富營(yíng)養(yǎng)化水體。

1.3 本文選用技術(shù)

（1）生態(tài)浮島（Ecological floating island，EFI）技術(shù)：以高分子材料為載體和基質(zhì)，水生植物種植在載體表面的水面無(wú)土種植植物技術(shù)。浮島栽種植物可分為5 類(lèi)，即沼生型植物、挺水型植物、浮葉型植物、沉水型植物、漂浮型植物。該技術(shù)是一種原位水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可以削減水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，改善水體富營(yíng)養(yǎng)化，還可以帶來(lái)與耕種同等甚至更高的收益。

（2）促生劑原位修復(fù)：利用天然化合物（主要由有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸以及碳源等構(gòu)成）活化水體中的土著微生物，加速污染物降解的一種生物修復(fù)技術(shù)。生物促生劑中營(yíng)養(yǎng)成分與表面活性物質(zhì)刺激水體環(huán)境中原有微生物發(fā)育繁殖，加快光合反應(yīng)發(fā)生進(jìn)程，增強(qiáng)水體中溶解氧含量，不斷促進(jìn)好氧環(huán)境下水體中微生物與底泥等污染物發(fā)生反應(yīng)，有效促進(jìn)水體系統(tǒng)內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)與形態(tài)多元化，進(jìn)而完成水體自?xún)簟?/p>

2 材料與方法

2.1 材料

（1）制備緩釋促生劑：20 mg/L 的堿性活性炭、1 mL/L的元素混合液、2 mL/L 的蘆薈提取液［4］、20 mg/L 的橘皮提取液［5］、生物骨架材料聚乳酸（PLA）。微量元素混合液由氯化鈉250 mg/L、無(wú)水硫酸鎂100 mg/L、硫酸亞鐵25 mg/L、硫酸鋅7.5 mg/L、無(wú)水氯化鈣2.5 mg/L、鉬酸銨2.5 mg/L、硫酸鈷50 mg/L、硫酸鋁鉀2.5 mg/L 組成。放置10 ℃的條件下儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?］。

（2）構(gòu)建人工浮島：高密度聚乙烯（HDPE）材質(zhì)人工浮島、水芹菜和空心菜。

（3）主要試劑：重鉻酸鉀溶液、硫酸亞鐵銨溶液、硫酸-硫酸銀溶液、5%的過(guò)硫酸鉀溶液、鉬酸鹽溶液、銨標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液、硫酸錳溶液、堿性碘化鉀溶液、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液。

（4）儀器：電熱鼓風(fēng)干燥箱、可見(jiàn)分光光度計(jì)、高壓滅菌鍋、PHS-3C 型pH 計(jì)、YH-A2003 型電子天平。

2.2 緩釋促生劑制備的方法

采用溶劑揮發(fā)法制備緩釋促生藥丸［7］。①用三氯甲烷溶液將遴選出的PLA 生物骨架材料溶化，制成包埋液體［8］。②再向包埋液體中加入自制的生物促生劑，隨即用玻璃棒攪拌混合成泥狀物質(zhì)［9］，并用雙手搓捏泥漿物質(zhì)成型，制成直徑為1.5 cm 左右大小的球狀藥丸。③放入加熱恒溫鼓風(fēng)箱中，在50 ℃下進(jìn)行烘干，一直到藥丸中的三氯甲烷完全揮發(fā)，從而獲得緩釋促生藥丸。緩釋促生藥丸見(jiàn)圖1。

圖1 緩釋促生藥丸

2.3 人工浮島構(gòu)建方法

采用拼接法構(gòu)建人工浮島。將方形HDPE 人工浮島單體的4 個(gè)角分別用螺絲固定，再將多個(gè)單體拼接在一起，把水芹菜、空心菜種植在中間的固定槽內(nèi)，最后把拼裝好的人工浮島放置在待處理的水樣上［10-11］。

2.4 改良型人工浮島的構(gòu)建方法

將制備好的4 顆緩釋促生藥丸分別放在4 個(gè)小網(wǎng)兜里，再將4 個(gè)小網(wǎng)兜分別固定在方形HDPE 人工浮島的4 個(gè)小槽里，每塊人工浮島中心分布5 棵空心菜和5 棵水芹菜。實(shí)驗(yàn)中每12 L 水放置1 塊改良人工浮島。方形HDPE 材質(zhì)人工浮島見(jiàn)圖2。

圖2 方形HDPE 材質(zhì)人工浮島

2.5 原始水樣指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)的水樣采自十堰市某小溪。原水各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 原水各項(xiàng)指標(biāo)

3 結(jié)果與討論

3.1 對(duì)水樣DO 的影響

水樣中DO 濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3。水體中的溶解氧逐漸增加，前期變化較慢，中期凈化效率明顯提高，后期又趨于平緩，由最初的1.24 mg/L 最終達(dá)到了5.61 mg/L。這是因?yàn)榫忈尨偕鷦┖椭参锏拇嬖?，?qiáng)化了水樣中好氧微生物的代謝作用，水中的耗氧物質(zhì)不斷減少，溶解氧不斷得到補(bǔ)充，數(shù)據(jù)說(shuō)明水質(zhì)在逐漸變好。

圖3 水樣中DO 濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

3.2 對(duì)水樣COD 的影響

水樣中COD 濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖4。改良后的人工浮島對(duì)COD 的凈化效果顯著，水體中的COD 濃度由最初的94.38 mg/L 逐漸減少，最終數(shù)值是28.56 mg/L，凈化效率為70%?？赡苁谴偕鷦┖椭参锏募尤?，改善了微生物的生存環(huán)境，促進(jìn)了土著微生物的繁殖，提高其降解有機(jī)物的能力。

圖4 水樣中COD 濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

3.3 對(duì)水樣總磷的影響

水樣中總磷隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5。改良后的人工浮島對(duì)總磷凈化效果很好，水中總磷濃度由最初的2.36 mg/L不斷降低，之后保持在0.38 mg/L 左右，凈化效果達(dá)到了84%?？赡苁谴偕鷦┑募尤耄纳屏说啄辔⑸锃h(huán)境，加強(qiáng)了聚磷菌代謝作用，水樣中的磷含量降低。

圖5 水樣中總磷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

3.4 對(duì)水樣氨氮的影響

水樣氨氮濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖6。改良后的人工浮島對(duì)氨氮凈化效果沒(méi)有對(duì)COD 和總磷的凈化效果好，但整體不錯(cuò)，由最初的3.64 mg/L 降到了最終的1.77 mg/L，凈化效果達(dá)到了51%。隨著溶解氧含量的升高，土著好氧微生物代謝作用增強(qiáng)，水樣中的氨氮含量降低。

圖6 水樣中氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

4 結(jié)論

（1）緩釋促生劑與傳統(tǒng)人工浮島的結(jié)合對(duì)黑臭水體的凈化效果顯著。

（2）改良后的人工浮島對(duì)氨氮的凈化效果沒(méi)有對(duì)總磷和COD 的凈化效果好，但整體凈化效果不錯(cuò)。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在個(gè)別人工浮島中的植株死亡的現(xiàn)象，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響。

（4）整個(gè)過(guò)程中水體有蒸發(fā)跡象，沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)用水。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)變量單一，未探究水溫等條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，有待改進(jìn)。

（5）由于時(shí)間和條件限制，沒(méi)有測(cè)定水樣中的微生物種類(lèi)和數(shù)量。通過(guò)水樣處理前后微生物的種類(lèi)和數(shù)量的對(duì)比，可知水樣中土著微生物的繁殖情況，可以分析改良型人工浮島的凈化能力。