生物载体安装间距对河湖污染物削减率影响的试验研究

李泰来，苏苑君，易春龙

（中工武大设计研究有限公司，武汉430070）

0 引言

河湖作为人类社会赖以生存的载体，在地球的能量和物质的传输过程中发挥着十分重要的作用，健康的河流系统是正常发挥其生态功能与社会服务功能的基础。然而，随着经济社会的不断发展，河湖污染情况愈加严重［1，2］。由污染物长期大量富集导致的水体富营养化现象是全球正在面临的一项重大水环境问题［3，4］。我国水环境问题十分严峻，太湖、滇池和巢湖等大型天然湖泊以及武汉东湖、杭州西湖和南京玄武湖等城市景观湖泊长期以来都遭受着富营养化带来的系列生态环境问题［5-8］。

随着《城市黑臭水体整治工作指南》和《水污染防治行动计划》等水环境法规的颁布，我国水环境治理行业政策从点污染源治理向面源治理转变［9］，生物-生态修复技术即为一种有效的面源治理措施，其作用机理是依靠生物对污染物的降解同化作用，对低浓度污染物进行富集削减，从而达到改善水质和重建水体生态系统目的［10］。生物载体属于生物-生态修复技术，置于污染河湖中表面会形成一层生物膜，由高密度的好氧菌、厌氧菌、兼性好氧（厌氧）菌、藻类以及原生动物组成的微观A/O复合系统［11］，可有效削减水体中的总氮、总磷以及COD，同时可以不受光照、透明度等影响［12］，持续发挥作用，从而大大提高对河湖污染物削减效率，近年来在河湖黑臭、富营养化整治工程中得到广泛应用［13-16］。

当前在国外尤其是日本，在利用生物载体净化水体技术方面起步早、发展快，已达到了工程化程度［17］。国内对生物载体的研究和应用还处于起步阶段，且大多集中在对高浓度污水处理方面［18，19］，如医疗废水、化工废水、生活污水等，而生物载体在污染物浓度相对较低的河湖中的应用研究较少，鲜少见对其在河湖中安装间距的研究，结合前期河湖用生物载体市场调研情况来看，供应商给出的生物载体安装间距宽泛且缺乏依据［20］。生物载体的类型和安装方式在一定程度上决定了微生物的富集量，进而影响到水质处理效果和工程成本，因而选择合适生物载体和布设间距是该技术成功应用于水环境治理工程的关键。本文通过市场上常见的绳状人工水草、生物帘、碳纤维水草等3 种生物载体对污染物削减效果的试验研究，对3 种生物载体的安装间距给出了建议，并结合生物载体市场价格，筛选出性价比最优的生物载体，为河湖水环境治理工程提供数据支撑，对河湖用生物载体选型具有现实意义。

1 试验设置及测试方法

1.1 实验设置

为了尽量模拟生物载体在河湖中的应用场景，试验前采集了疏浚淤泥，试验用150 L PVC水桶进行试验，每只PVC桶底铺15 cm 厚度的疏浚淤泥，然后加相同的模拟污水（为了模拟河湖黑臭及富营养化环境，由模拟生物污水浓缩液稀释得到，设计COD 为100 mg/L）至120 L，试验生物载体长度均为50 cm，能完全浸没入污水中。试验于2019年8月1日开始在公司顶楼进行，试验周期15 d，每天加40 mL 模拟生活污水浓缩液，并补充自来水到120 L，水质分析指标包括总氮、总磷、铵态氮、COD。试验水温为27～32 ℃，pH为6.5～7.5，溶氧为5～7 mg/L。

模拟生活污水浓缩液配方如表1所示。

表1 模拟生活污水浓缩液配方（1 L）Tab.1 The formula of simulated domestic sewage concentrate（1 L）

表2 痕量元素浓缩液配方表 mg/LTab.2 The formula of trace element concentrate

项目前期通过生物载体供应商的得到建议安装间距，分别为绳状人工水草15 cm，生物帘30 cm，碳纤维水草20 cm。120 L 刻度线处桶口直径为60 cm，在此基础上，对3 种生物载体分别增加一个低间距工况条件和一个高间距工况条件，空白对照为相同的试验条件下，不布置任何生物载体。具体布置情况如图1所示。

图1 试验生物载体布置Fig.1 The biological carriers arrangement

（1）绳状人工水草不同安装间距。分别设置间距为30 cm（4条）、15 cm（9条）、10 cm（16条）3个处理组，如图2所示。

图2 绳状人工水草处理组（单位：mm）Fig.2 The treatment of rope artificial water plants

（2）生物帘不同安装间距。分别设置间距为60 cm（1 片）、30 cm（2片）、15 cm（3片）3个处理组，如图3所示。

图3 生物帘处理组（单位：mm）Fig.3 The treatment of biological curtains

（3）碳纤维水草不同安装间距。分别设置间距为30 cm（2条）、20 cm（4条）、15 cm（6条）3个处理组，如图4所示。

图4 碳纤维水草处理组（单位：mm）Fig.4 The treatment of carbon fiber water plants

1.2 测试方法

试验主要检测项目、分析方法及所用仪器见表3，各项水质指标采用《水和废水监测分析方法》［21］（第4 版）标准测试方法进行测定。

2 结果分析

2.1 生物载体安装间距对比研究

表4～表7 中，用实测污染物浓度换算得到阶段污染物削减率，削减率越大说明生物载体对污染物的去除效果越好，其基本公式是：

式中：第n天到第（n+2）天污染物削减率为Tn～（n+2），第n天污染物浓度Cn。

2.1.1 不同安装间距生物载体对总氮削减率的影响

从表4 可以看出，各生物载体处理组对总氮的削减率明显高于空白组，各生物载体处理组随时间段的推移，对总氮削减率呈现出先增大后减小的趋势，其中在T10～12时间段对总氮的削减率达最大。观察各生物载体全过程平均削减率，可知随着绳状人工水草安装间距的减少，其对总氮的削减率越来越大；随着生物帘安装间距的减小，其对总氮的削减率越来越小；随着碳纤维安装间距的减小，其对总氮的削减率不断增大。

表4 不同安装间距生物载体处理组对总氮的削减率Tab.4 Reduction rate of total nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.2 不同安装间距生物载体对总磷削减率的影响

从表5 可以看出，各生物载体处理组对总磷的削减率明显高于空白组，但生物载体处理组对总磷的削减率不及对总氮的明显，随着时间段的推移，各生物载体处理组对总磷的削减率呈现出先增大后减小的趋势，在T4～6、T7～9、T10～12这3 个阶段对总磷的削减率较高且较稳定，其次是T13～15阶段，说明T4～12阶段微生物进入相对稳定生长阶段，而在T13～15阶段微生物进入衰亡期。观察各生物载体全过程平均削减率，可知随着绳状人工水草安装间距的减少，其对总磷的削减率先增大后减小，15 cm 间距处理组对总磷的削减率最大，其次是10 cm 间距处理组，再次是30 cm 间距处理组；随着生物帘安装间距的减小，其对总磷的削减率越来越大；随着碳纤维安装间距的减小，其对总磷的削减率不断增大。

表5 不同安装间距生物载体处理组对总磷的削减率Tab.5 Reduction rate of total phosphorus on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.3 不同安装间距生物载体对铵态氮削减率的影响

从表6 可以看出，各生物载体处理组对铵态氮的削减率明显高于空白组，随着试验阶段的推移，各生物载体处理组对铵态氮的削减率呈现出先增大后减小的趋势，在T10～12阶段对铵态氮的削减率最大，在T13～15阶段略有降低，说明微生物从T13～15阶段开始进入衰亡期。观察全过程平均削减率，可知随着绳状人工水草安装间距的减少，其对铵态氮的削减率不断增大；随着生物帘安装间距的减小，其对铵态氮的削减率先减小后增大，60 cm间距处理组对铵态氮的削减率最大，其次是15 cm 间距处理组，再次是30 cm 间距处理组；随着碳纤维安装间距的减小，其对铵态氮的削减率先增大后减小，20 cm 间距处理对铵态氮的削减率最大，其次是30 cm 间距处理组，再次是15 cm 间距处理组。

表6 不同安装间距生物载体处理组对铵态氮的削减率Tab.6 Reduction rate of ammonium nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.4 不同安装间距生物载体对COD削减率的影响

从表7 可以看出，各生物载体处理组对COD 的削减率明显高于空白组，随着试验阶段的推移，各生物载体处理组对COD的削减率呈现出先增大后减小的趋势，在T7～9、T10～12阶段、T13～15阶段对COD的削减率相对其他阶段大且稳定，其中在T10～12阶段对COD 的削减率最大。观察各生物载体全过程平均削减率，可知随着绳状人工水草安装间距的减少，其对COD 的削减率不断减小；随着生物帘安装间距的减小，其对COD 的削减率不断减小；随着碳纤维安装间距的减小，其对COD 的削减率不断增大。

表7 不同安装间距生物载体处理组对COD的削减率Tab.7 Reduction rate of COD on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.5 生物载体安装间距建议

从表8可以看出，绳状人工水草安装间距越小，其对污染物的综合削减效果越好，10 和15 cm 处理组对污染物的削减效果差异不明显，建议安装间距为10～15 cm；生物帘安装间距越大，其对污染物的综合削减效果越来越好，30 和15 cm 处理组对污染物的削减效果差异不明显，60 cm 处理组对污染物的削减效果明显好于其他两个处理组，建议安装间距为60 cm 左右；随着碳纤维水草安装间距的减小，其对污染物的削减效果越来越好，建议安装间距为15～20 cm。

表8 同类生物载体间对污染物的削减率排名Tab.8 Ranking of pollutant reduction rates among similar biological carriers

2.2 生物载体对营养盐去除性价比分析

试验中营养盐主要为总氮、总磷。根据市场调研，所用绳状人工水草3.4 元/根，生物帘8.75 元/片，碳纤维水草15 元/根。在此基础上计算生物载体性价比的方式为：

从表9 可以看出，60 cm 间距生物帘的性价比最高，其次是30 cm 间距绳状人工水草，再次是30 cm 间距生物帘处理组。从生物载体类别来看，生物帘性价比最高，其中以60 cm 间距处理组性价比最高；其次是绳状人工水草，其中以30 cm 间距处理组性价比最高；碳纤维水草的性价比最低，其中以30 cm 间距处理组性价比最高。

表9 生物载体性价比计算表Tab.9 Biological carrier cost-effectiveness calculation table

3 小结与讨论

随着试验阶段的推移，各生物载体处理组对污染物的削减率呈现出先增大后减小的趋势，在中间阶段对污染物的削减率最大，其次是最后阶段，再次是初始阶段，这与微生物的生长期-稳定期-衰亡期的代谢规律相符合［22］。随着生物载体安装间距的减小，绳状人工水草和碳纤维水草均呈现出对污染物削减率越来越大的趋势，绳状人工水草为10 cm 间距处理组时，其对污染物的综合削减率最大，此时对总氮、总磷、铵态氮、COD的平均削减率分别为0.44、0.32、0.38、0.44；碳纤维水草为15 cm间距处理组时，其对污染物的综合削减率最大，此时对总氮、总磷、铵态氮、COD 的平均削减率分别为0.44、0.35、0.35、0.52；生物帘则表现出相反的趋势，安装间距越大，对污染物的削减率越大，在60 cm 间距处对污染物的削减率最大，此时对总氮、总磷、铵态氮、COD 的平均削减率分别为0.42、0.35、0.42、0.52。分析原因，在单位水域空间里，随着生物载体密度的增大，其表面形成的生物膜中微生物的密度也相应增大，使得微生物的新陈代谢作用增强，水中有机污染物被削减的速率由此加快［23，24］；而试验用的生物帘本身纤维已经很密，在有限的水域面积内，还需要考虑生物载体挂膜的适宜条件，过密的结构影响了溶氧和溶质的传质性能，反而不利于微生物挂膜，进而影响微生物对污染物的削减效果［25］。通过试验研究，建议绳状人工水草的安装间距为10～15 cm，生物帘的安装间距为60 cm左右，碳纤维水草的安装间距为15～20 cm。

考虑试验周期内各生物载体处理组对营养盐的平均削减率和生物载体总价，计算得到各生物载体处理组性价比，可知生物帘性价比最高，其次是绳状人工水草，再次是碳纤维水草的性价比，其中60 cm 间距生物帘的性价比最高，30 cm 间距绳状人工水草次之。

本试验绳状人工水草和生物帘材质为涤纶，碳纤维水草材质为聚丙烯腈基碳纤维，市场上生物载体种类、材质及安装间距有一定差别，但是同类生物载体安装方式和安装间距相近，故本试验研究成果对工程有一定的借鉴和参考意义。针对具体水环境治理工程，生物载体不同，还需要进行相应的试验研究，确定目标水体最适生物载体安装间距，以达到降低工程投资和为工程增值的目的。□