生物转笼耦合水生植物修复城市湖库黑臭水体

陈婷婷，黄健盛*，丁健刚，刘　敏，廖伟伶，童启邦，姚　源，吕圣红

（1.重庆市环境科学研究院，重庆　401147；2.重庆市南岸区环境监测站，重庆　400060；3.重庆市生态环境监测中心，重庆　401147）

城市湖库是指位于大中城市城区或近郊的中小型湖泊[1]，是重要的水资源和旅游休闲资源，在降低城市热岛效应和防洪排涝、为动植物提供栖息地并维持物种多样性等方面起着重要作用[2]。但由于城市湖库易污染、水环境容量小、水体自净能力差的特点，很容易成为生活污水、雨水及垃圾的受纳体，从而导致水体溶解氧的大量消耗，造成水体缺氧而呈黑臭状态，使整个生态系统出现危机[3]。刘建福等[4]指出，黑臭水体周边空气微生物污染对周边居民存在潜在的健康风险。目前，国内外对黑臭水体的治理遵循“控源-净化-修复”的思路。主要的技术有截污纳管技术、清淤疏浚技术、环境调水技术、人工曝气复氧技术、岸边植被技术和生物修复技术等[5-8]。但是截污纳管、清淤疏浚、曝气复氧以及岸边植被缓冲等技术在某种程度上属于黑臭治理工程的辅助手段，不能够彻底改善水质，而生物修复技术则是最具发展前景的主体修复技术[9]。

韦真周等[10]人对生物转盘处理广西某小镇生活污水的工程实例进行介绍，详细介绍了工程实例的整个工艺流程。工程运行结果表明，生物转盘工艺对化学需氧量（COD）、固体悬浊物（SS）、氨氮（NH4+-N）、TP具有良好的去除效果，出水水质完全满足《城镇生活污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级B标准，为小城镇污水的处理提供了可靠的工程示范。张承芳[11]等人研究了一种自回流生物转盘与水生植物滤床工艺处理宜兴市大浦镇湖滨新村的农村生活污水，运行结果表明：在COD容积负荷≤0.93 kg COD/（m3·d），氨氮容积负荷≤0.61 kg COD/（m3·d）时，生物转盘与水生植物滤床工艺具有较高的硝化水平及良好的碳化效果。TP容积负荷为0.08 kg COD/（m3·d）时，TP的去除率达81%，可见生物转盘具有很好的除磷效果。由此，生物转笼耦合水生植物技术对于修复城市湖库黑臭水体是可行的。

本文在调查评价2个城市湖库黑臭程度的基础上，研究一种基于生物转笼技术和生态修复相耦合的水体修复系统对黑臭水体进行修复。

1　材料与方法

1.1　试验装置

本研究试验装置如图1所示，模拟湖库尺寸为1.50 m×1.50 m×0.45 m，有效水深0.40 m，生物转笼放在反应池的一角，其余部分区域种植水生植物。筒车装置（见图2）由12个生物转笼组成，电机带动筒车转动与污染水体接触。生物转笼由不锈钢筛网制成并装满Φ25 mm和Φ38 mm的两种聚丙烯多面空心球填料（见图3），转笼中的填料经污泥接种并成功挂膜后，再用于后续试验[12]。筒车装置对比传统的生物转盘具有比表面积大，占地面积小，安装拆卸方便，易于维护的优点。

图1　实验装置图Fig.1　Diagram of experiment device

图2　生物转笼装置简图Fig.2　Diagram of bio-rotating cage device

图3　多面空心球填料Fig.3　Multi-faceted hollow ball packing

1.2　测试指标与分析方法

测试指标包括COD，NH4+-N，TN，TP，透明度，溶解氧（DO），氧化还原电位（ORP），各指标分析方法参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[13]，如表1所示。

表1　测定指标及分析方法Table 1　Determination index and analysis method

1.3　水体黑臭程度

根据《城市黑臭水体整治工作指南》[14]中城市黑臭水体污染程度分级标准，对2个选定湖库取水位置的黑臭级别进行判定。湖库A和湖库B水体颜色如图4所示，均呈灰黑色，其水体水质测定和黑臭级别判定结果见表2，湖库A取样区域呈重度黑臭，湖库B取样区域呈轻度黑臭。

表2　原水水质及黑臭级别判定Table 2　Determination of the quality and black-odorous level of raw water

2　结果与讨论

2.1　系统修复黑臭水体效果

将污水注入模拟湖库中，转笼转速3 r/min，每天取样分析，观察系统对黑臭水体修复效果及对氮磷的去除效果。

2.1.1　系统对重度黑臭水体修复效果

从湖库A采集的重度黑臭水体经过系统修复后结果见表3，结果表明水体黑臭状况明显好转。在转笼转动过程中，填料空隙内水体经历提升和跌落，转笼转动过程中促使水体紊流，在此过程中水体与空气接触，实现水体自复氧；水体经1 d修复后，溶解氧迅速由1.02 mg/L上升至7.02 mg/L，之后保持稳定，说明生物转笼技术具有良好的复氧能力。ORP是表征水体氧化还原特性的基本参数，也是水体综合性指标之一，能在一定程度上说明水体的污染程度。重度黑臭水体经系统2 d修复后，氧化还原电位由-8 mV（轻度黑臭）上升到83 mV，4 d后可达到120 mV。水体的氧化还原电位值越大，表明其氧化能力越强，系统能够快速提高黑臭水体的氧化还原电位，其有利于黑臭水体水质改善。经过系统修复1 d之后，水体透明度由9.20 cm提高到33 cm以上，说明水体中的悬浮物及胶体大大减少，可以认为水质已经透明，证明系统具有可以在较短时间内明显提高黑臭水体透明度的能力[12]。水体经系统修复后，水体中浓度不断下降，其由最初的10.84 mg/L降低到1.17 mg/L，可以达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类水质标准；系统对氨氮的去除效果良好与水体中溶解氧充足有关[15]，转笼转动令生物膜不断与水体和空气接触，有利于生物膜上的硝化菌充分吸收空气中的氧分，水体的紊流程度增强有利于液相氨氮向生物膜传递，从而增强硝化作用[16]。由表3可知，2 d内系统可使水体的COD浓度从95 mg/L修复至40 mg/L以内，浓度值可满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水质标准；水体经系统5 d修复后，TN，TP浓度分别由最初的14.68 mg/L和1.08 mg/L下降至10.27 mg/L和0.34 mg/L，说明该系统对重度黑臭水体具有一定的脱氮除磷能力，但生物膜脱氮除磷能力局限，水生植物的吸收过程也非常漫长，提高系统的脱氮除磷能力还需进行进一步的研究。

表3　系统对重度黑臭水体修复效果Table 3　Remediation efficiency of severe black and odorous water body treated by the system

2.1.2　系统对轻度黑臭水体修复效果

系统对湖库B采集的轻度黑臭水体的修复后结果见表4和图5。

表4　系统对轻度黑臭水体修复效果Table 4　Remediation efficiency of mild black and odorous water body treated by the system

图5　修复1天后效果比较Fig.5　Remediation comparison after one day

由表4可知轻度黑臭水体经过系统修复1 d后，水体溶解氧、透明度以及氧化还原电位迅速从5.0 mg/L，15.60 cm和38 mV提高到5.25 mg/L，33 cm和51 mV，轻度黑臭水体黑臭状况迅速得到改善（见图5）。经系统修复4 d后，轻度黑臭水体COD浓度由43.61 mg/L下降至12.46 mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水质标准；氨氮由12.52 mg/L下降到0.50 mg/L，可以达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水质标准，氨氮的去除原理与前述重度黑臭水体氨氮去除原理一致；水体TN从14.40 mg/L降到13.45 mg/L，去除率仅为6.60%，较前述重度黑臭水体相同修复时间的19.07%去除效果偏差，这是由于重度黑臭水体的COD浓度比轻度黑臭水体高，异养微生物因得不到碳源而被抑制；TP从1.48 mg/L降到0.40 mg/L后浓度趋于稳定，再次表明系统具有一定的除磷能力；但就TN、TP而言，水体仍为劣Ⅴ类。因此，针对轻度黑臭水体，仍需进一步研究强化系统的脱氮除磷能力。

由以上可知，系统对修复重度黑臭水体和轻度黑臭水体具有良好的适应性和修复净化能力，系统可快速实现水体复氧、提高水体透明度和OPR，改善水体黑臭状况；同时，经系统修复后，重度黑臭水体COD和氨氮浓度可满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类和Ⅳ类要求，轻度黑臭水体COD和氨氮浓度可满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类和Ⅰ类要求。但短时间内系统对黑臭水体的TN和TP修复效果不理想，需进一步研究强化系统脱氮除磷措施。

2.2　强化系统修复黑臭水体脱氮除磷研究

生物转笼耦合水生植物技术能够迅速改善实际水体的黑臭状况，对水体中氨氮具有良好去除效果，但系统脱氮除磷能力有限，对黑臭水体氮磷去除效果不够理想。分析原因：水体中有机物逐渐被消耗，水体中碳源相对不足，自养型细菌不受碳源变化的影响，异养型细菌活性因碳源不足而被抑制，表现为系统转笼内硝化细菌不受影响可继续去除水体中氨氮，反硝化细菌因碳源不足受影响，TN去除效果差，反硝化除磷也受抑制。为了强化系统的脱氮除磷效率，本研究采用间断向轻度黑臭水体投加碳源（葡萄糖）的方式，考查碳源对系统脱氮除磷效率的影响。

从图6可知，前6 d经系统修复后水体TN浓度基本维持在12.95～13.45 mg/L左右，系统对TN的去除效率很低。从第6 d起，分6次向水体中投加碳源，投加碳源初期水体COD浓度分别为：40.50mg/L，42.05 mg/L，158.90 mg/L，238.30 mg/L，214.90 mg/L和96.57 mg/L。直到系统运行第12 d时（即最后1次投加碳源后），水体TN浓度由14.60 mg/L下降到0.72 mg/L，去除率达到95.07%，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准。说明低碳源条件下，添加碳源可以在较短时间内促进反硝化作用进行，从而有效地提升了系统的脱氮效率。

图6　碳源对TN去除的影响Fig.6　The effect of carbon source on the removal of TN

由图7可知，前6 d经系统修复后水体TP浓度基本维持在0.35～0.43 mg/L左右，原水TP浓度较低，在植物吸收和微生物代谢作用下系统具有一定的除磷能力，但6 d修复后TP浓度仍处于劣五类。系统对TN的去除效率很低。向水体投加三次碳源后，水体TP浓度迅速下降至0.10 mg/L，满足了《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类水质标准，之后水体TP浓度趋于稳定。说明碳源充足有利于微生物进行同步除磷，系统的除磷能力得到提升。

图7　碳源对TP去除影响Fig.7　The effect of carbon source on the removal of TP

由此可见，利用微生物和植物技术联合修复黑臭水体，碳源充足条件下可加速去除水体中的TN，TP，加速净化水体。

3　结论

（1）生物转笼耦合水生植物技术修复城市湖库重度黑臭和轻度黑臭水体具有良好效果。修复重度黑臭水体在4 d时间内快速消除黑臭，轻度黑臭水体修复时间可缩短至3 d。经处理，两种水体氨氮浓度降至8 mg/L以下，溶解氧浓度提升至5 mg/L以上，透明度提升至33 cm以上，氧化还原电位提升至100 mV左右。两种水体经系统修5 d后，水体氨氮浓度达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类标准，氨氮基本转化为TN。系统兼具一定的TN，TP去除能力。

（2）碳源对微生物和植物耦合技术修复黑臭水体起促进TN，TP去除作用。间断投加碳源，在系统修复作用下可使水体TN，TP浓度由《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）劣Ⅴ类值改善至Ⅳ类以内。

4　存在的问题及不足

投加碳源的确有利于系统TN，TP去除，但是实际污染水体中碳源相对不足，影响生物转笼系统的脱氮除磷效率。岸边水生植物修复效果时间长，加上受到季节、温度的影响，系统脱氮除磷能力也会受到影响。对岸边水生植物应增加网格，防止植物伏倒现象产生，避免影响系统脱氮除磷。

在本试验研究的基础上，还需进一步研究的问题：（1）冬季低温条件下，如何提高水生植物脱氮除磷效率；（2）不同的水生植物对系统脱氮除磷效果的影响。

[1]彭晶倩，李琳，曹雯，等.城市湖泊水环境安全评价研究[J].环境保护科学，2010，36（5）：62-64.

[2]熊丽黎，裴智超，温祖标，等.城市湖泊水质污染状况研究——以南昌市西湖水质为例[J].复旦学报（自然科学版），2013，52（2）：215-219.

[3]谌伟，李小平，孙从军，等.低强度曝气技术修复河道黑臭水体的可行性研究[J].中国给水排水，2009，25（1）：57-59.

[4]刘建福，陈敬雄，辜时有.城市黑臭水体空气微生物污染及健康风险[J].环境科学，2016，37（4）：1264-1271.

[5]刘海洪，李先宁，宋海亮.浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术[J].东南大学学报（自然科学版），2015，45（3）：526-530.

[6] 许宽，刘波，王国祥，等.苦草（Vallisneria spiralis）对城市缓流河道黑臭底泥理化性质的影响[J].环境科学，2013，34（7）：2642-2649.

[7]邹朝望，孙媛媛.城市浅水湖泊水质水量联合调度研究[J].三峡生态环境监测，2017，2（3）：25-34.

[8]宋晓兰，张洁，陈渊，等.微生物修复技术在苏南某黑臭河道的应用[J].环境科学与技术，2014，37（S1）：166-168，253.

[9]奚健，李晓粤，陈越，等.污染水体底泥原位生物修复技术的探索及应用[C]//中国环境学会，中国水力技术信息中心.2012全国河道治理与生态修复技术交流研讨会论文集，南昌：[出版者不详]，2012：272-275.

[10]韦真周，范庆丰，容继，等.生物转盘处理小城镇生活污水工程实例[J].水处理技术，2016，42（2）：133-136.

[11]张承芳.自回流转盘与人工湿地组合技术处理农村生活污水[D].南京：东南大学，2006.

[12]黄健盛，童启邦，张杰，等.筒车与生物膜联合技术处理城市湖库黑臭水体研究[J].环境影响评价，2016，38（4）：70-72.

[13]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

[14]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国环境保护部.城市黑臭水体整治工作指南[EB/OL].（2015-08-28）.http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201509/t2015 0911_224828.html.

[15]晁聪.悬浮填料生物转筒处理生活污水的研究[D].邯郸：河北工程大学，2010.

[16]吕斌，覃将伟，曾庆福.等.水力驱动生物转笼工艺中试研究[J].节水灌溉，2008（7）：17-20.