基于磁絮凝+碳纤维水草耦合纳米曝气技术的黑臭水体修复研究

张 彪

(北京环域生态环保技术有限公司，北京 100012)

1 引言

黑臭水体反弹一直是我国水环境治理进程中的难题，严重影响生态环境与城市发展。由于黑臭水体形成原因相对复杂，单一的治理技术很难实现黑臭水体的彻底消除，因此黑臭水体治理程中经常出现黑臭水体反弹的现象，这主要是因为没有对黑臭水体成因进行分析，仅采用单一的技术与工程治理黑臭水体，最终导致水体治理过程中黑臭水体反弹。所以黑臭水体治理不仅要着眼于当下的处理效果，也要根据黑臭水体形成机理、水体污染物浓度、水动力条件以及现场环境选择合适的治理技术，制订科学的治理方案，从而实现长效目标[1～4]。因此如何采用优选的技术组合实现快速消除水体黑臭改善水生态环境，防止黑臭水体治理后的反弹成为水环境治理工程中的一大难题和水生态修复研究的重要方向，其中原位生态修复技术因为其无二次污染、长效治理的优点而成为国内外黑臭水体治理研究的热点。

碳纤维生态基具有比表面积大、吸附性强、微生物亲和性高等特点，被广泛应用于黑臭水体治理、河道以及景观水体治理等方面[5]。索帮成等[6]对碳纤维生态基在湖泊水环境水体原位修复中的应用前景进行了阐述；林佩斌等[7]从不同方向阐述了碳纤维水草在水处理应用中的优势，同时对碳纤维研究方向进行了分析；陈静波[8]研究表明碳纤维水草对COD、总磷和氨氮具有显著去除效果；谭小川等[9]认为碳纤维水草可以使水质快速好转，其高孔隙特征与吸附性能可快速去除黑臭；梁益聪等[10]、余恒等[11]研究发现碳纤维水草能够有效去除黑臭水体的COD、氨氮、总磷和浊度；张博[12]等研究发现碳素纤维挂膜效率高，可以有效去除初期雨水中的COD、氨氮、TP、TN和高锰酸盐指数；齐玉鹏[13]等研究发现微纳米曝气结合碳纤维浮床相对于普通曝气结合碳纤维浮床具有更好的污染物去除效果。

本研究是在底泥改良切断内源污染的基础上采用混凝异位处理+碳纤维水草耦合纳米曝气原位处理技术提出的一种黑臭水体修复工艺，希望为黑臭水体治理提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料

本实验中所采用的碳纤维水草是采购自杭州梓景环保科技有限公司的束状碳纤维水草，如图1所示。

图1 碳纤维水草

2.2 实验用水

为考察磁絮凝+碳纤维水草耦合纳米曝气技术对黑臭水体的治理效果。本实验所用实验水体取自某封闭黑臭水体，该黑臭水体的水体流动性差，受污染严重，水质较差，水体发黑发臭，是典型的黑臭水体。实验水体水质如表1所示。

表1 实验水体水质

2.3 实验装置与步骤

本实验模拟反应器采用4组完全相同的模拟反应器进行实验，分别为对照组、实验组1、实验组2和实验组3，每组反应器分别由两个高70 cm，容积为70 L的PVC水桶组成。其中第1个水桶采用磁絮凝技术模拟黑臭水体的旁路治理，向桶中加入约65 L的黑臭水体，然后向其中加入PAC、PAM和一定量的磁粉，黑臭水体经过磁絮凝处理后，排入第2个水桶；第2个水桶模拟自然水体，为充分模拟自然水体，各组水桶中分别铺设厚约5 cm的底泥，待磁絮凝处理水体排入后，总体积约65 L。4组模拟装置设计如下。

(1)对照组：黑臭水体模拟桶只铺设经过底泥改良剂改良后的底泥，不设置碳纤维水草和曝气装置。

(2)实验组1：黑臭水体模拟桶除铺设经过底泥改良剂改良后的底泥外，放入3根碳纤维水草，不设置曝气装置。

(3)实验组2：黑臭水体模拟桶除铺设经过底泥改良剂改良后的底泥外，放入3根碳纤维水草，同时设置纳米曝气装置。

(4)实验组3：臭水体模拟桶除铺设经过底泥改良剂改良后的底泥外，设置纳米曝气装置，但不设置碳纤维水草

本实验采用的纳米曝气装置功率为0.55 kW纳米曝气机。实验装置如图2所示。

图2 实验装置示意

2.4 实验方法

试验检测项目包括透明度、氨氮、COD、总磷，检测方法如表2所示。

表2 分析项目及方法

3 结果与讨论

3.1 磁絮凝对黑臭水体处理效果

磁絮凝技术是结合了传统絮凝技术和磁分离技术的优点，在传统絮凝工艺中加入磁性粒子，可以将污染物快速从水中分离，从而缩短处理时间，磁絮凝技术已经被证明是一种有效的强化絮凝技术，可以快速、有效去除水体中的污染物[14，15]。本实验采用的磁种粒径为45～75 μm，投加量为300 mg/L，混凝剂采用PAC(30 mg/L)，助凝剂为PAM(1.5 mg/L)，处理时间30 min，从表3中可以看出：实验水体经磁絮凝处理后，对SS、COD、氨氮和TP的去除率分别为71.8%、52.4%、20.5%和66.2%。实验结果表明磁絮凝可以快速、有效去除黑臭水体中的COD、SS以及TP等污染物，同时对氨氮也有一定去除效果，表明磁絮凝技术处理黑臭水体具有一定的效果，作为黑臭水体应急治理满足技术要求，但是单独使用无法彻底消除黑臭水体，应配合其他技术共同使用。

表3 磁絮凝对黑臭水处理效果 mg/L

3.2 碳纤维水草挂膜效果

3.2.1 碳纤维水草挂膜表观变化

碳纤维人工水草因其具有比表面积大、吸附性强、微生物亲和性高等特点，可以有效吸附水体中的有机物，同时为水体中的微生物提供强力的附着位点，为实现碳纤维人工水草快速挂膜奠定基础。在试验过程中，碳纤维人工水草布设完成的2 d，即可观察碳纤维人工水草表面具有黄褐色絮状物生成，表明微生物已经开始在碳纤维生态基表面附着生长。实验开始后第3 d，水体透明度具有一定的增长，其中第三组水体透明度优于第二组。实验进行至第5 d，第三组生态基上的黄褐色絮状物明显增多，水体由原来的黑色变为黄绿色，表明水体中的黑臭物质被逐渐氧化分解。而第1组经过磁悬浮后，除水体中悬浮物具有一定降低外，水体仍然黑臭。实验进行至第10 d，第三组碳纤维生态基完全被黄褐色生物膜覆盖。

实验过程中通过对生物膜进行镜检，发现碳纤维生态基上附着有大量的菌胶团，菌胶团可以提高微生物膜对水体中污染物的去除效果。同时在镜检过程中还发现在菌胶团附近存在轮虫，具有水质改善指示效果，表明在合适条件下碳纤维人工水草对水体具有较好处理效果。除原生动物外，还发现了少量的水蚤等后生动物，表明碳纤维生态基表面形成了微型生态系统，有利于水质净化(图4)。

图4 生物膜显微照片

3.2.2 碳纤维水草挂膜生物量变化

生物膜量与黑臭水体污染物去除效果有直接关系，本实验对碳纤维生物膜生物量进行了测定。实验过程中分别在第5 d、第 10 d、第15 d和第20 d，取一定量的碳纤维生态基和微生物膜的混合物，将碳纤维微生态基和生物膜进行分离，在105 ℃条件下分别烘干至恒重，其中碳纤维生态基重M1，微生物膜重M2。微生物膜生物量计算公式如下：

碳纤维生态基微生物膜的生物量的测定结果见表4。

表4 生物膜量变化

从表4中可以看出：随着时间的延长，两组微生物膜的生物量表现出先升—后降的趋势，表明微生物膜经历了生长、成熟、脱落的过程，基本上在第15 d左右达到成熟，结合镜检发现的菌胶团、原生动物和水蚤等后生动物，表明碳纤维生态基微生物膜成熟后形成了可循环的微生态系统，避免了微生物膜脱落后水质恶化，有效提高了水质净化效果。

3.3 纳米曝气耦合碳纤维水草对污染物去除效果

3.3.1 水体透明度变化

从图5可以看出，实验组和对照组透明度变化差距显著，其中对照组透明度变化不明显，实验组1、实验组2和实验组3最终水体透明度分别达到42 cm、48 cm和43 cm，碳纤维水草耦合纳米曝气对水体透明度改善效果最优。通过实验组1、2、3对比，发现实验组2和实验组3水体透明度改善速率明显优于实验组1，分析原因主要是因为实验水体经过磁絮凝处理后，水体中的悬浮物大部分已经被去除，影响水体透明度的主要因素是水体中的硫化亚铁及硫化锰等发黑物质，实验组2和实验组3通过纳米曝气处理，可以有效提高水体中的溶解氧，同时纳米曝气可以产生一定量的羟基自由基，可以快速将硫化铁、硫化锰氧化，提高水体透明度；实验组1只设置了碳纤维生态基，前期碳纤维对水体中的悬浮物吸附达到饱和后，水体中的黑臭物质主要是通过微生物生长代谢去除，改善速率与生物膜的生长有关系，但最终也能达到消除黑臭的效果。

图5 透明度变化曲线

3.3.2 COD的去除效果

从图6可以看出，实验组1、2、3对COD的去除效果明显高于对照组，其中对照组COD去除率为25%，实验组1、2、3的COD去除率分别为60%、88%和63%，其中实验组2的COD去除率明显高于实验组1和实验组3，主要是由于除生物膜对有机物降解外，纳米曝气可以有效提高水体溶解氧强化生物膜对有机物的去除效果，并伴随产生少量的羟基自由基，可以去除水体中的硫化铁以及硫化锰等还原性物质，去除水体中的COD，因此碳纤维人工水草耦合纳米曝气技术组合对COD的去除效果优于单独使用碳纤维人工水草或纳米曝气。在实验过程中实验组1和实验组2水体COD在一段时间内呈下降—上升—再下降的趋势，通过分析发现COD曲线变化趋势与生物膜生物量变化相似，符合生物膜生长—成熟—脱落的规律对污染物去除效果的影响，进一步对比发现实验组2变化趋势明显低于实验组1，分析原因可能是纳米曝气具有较好的气浮效果，试验组2生物膜脱落后被纳米气泡附着，漂浮于水体表面造成。

图6 COD变化曲线

3.3.3 氨氮的去除效果

氨氮是评价水体黑臭程度的重要指标。从图7可以看出：对照组经底泥改良后氨氮浓度降低12%，实验组1、2、3对氨氮均由较好的去除效果，对氨氮的去除率分别为42%、97%和65%，由此可知纳米曝气耦合碳纤维水草技术组合对黑臭水体氨氮去除具有良好的处理效果。水体中的溶解氧是生物除氨氮的重要先决条件，提高溶解氧浓度可提高载体生物膜工艺对氨氮的去除效果[16]，通过对比实验组1和实验组3可以发现，单独使用纳米曝气相对于单独使用碳纤维水草对黑臭水体除氨氮具有更好的处理效果，也证明了这一观点。氨氮的变化曲线在第21 d出现了一定的波动性，这与生物膜的生长—成熟—脱落的规律相对应。

3.3.4 总磷的去除效果

从图8中可以看出：对照组和实验组1、2、3对TP均有去除效果，总磷去除率分别为27.3%，50.95%、68.61%和47.94%，实验组2即采用碳纤维水草耦合纳米曝气技术对黑臭水体中的TP去除效果显著优于实验组1和实验组3即分别单独使用碳纤维水草和纳米曝气技术；其中对照组对TP的去除主要是由于沉降作用和水体中微生物的生长、代谢对水体中的TP起到了去除作用。实验组1和实验组2的TP变化曲线在第19、第21 d出现了一定的波动性，这符合生物膜的生长—成熟—脱落的规律。

图7 氨氮变化曲线

图8 TP变化曲线

4 结论

(1)黑臭水体底泥经过改良后可以有效抑制底泥污染物向水体释放，切断内源污染，避免黑臭水体治理完成后的二次污染，防止黑臭反复。

(2)磁絮凝技术对黑臭水体的SS、COD、氨氮和TP的去除率分别为71.8%、52.4%、20.5%和66.2%，磁絮凝技术可以快速、高效去除黑臭水体中的污染物，用于黑臭水体的应急治理或黑臭水体治理过程中其他治理的前处理措施。

(3)碳纤维水草耦合纳米曝气技术修复黑臭水体效果最佳，水体透明度由15 cm上升至48 cm，对COD、氨氮、TP的去除率分别达到88%、97%和68.6%，同时碳纤维水草耦合纳米曝气可以改善水体微生态环境，形成良性循环，持续改善黑臭水体，净化水质。

(4)磁絮凝旁路治理+碳纤维水草耦合纳米曝气技术能够实现黑臭水体快速治理以及从微生态环境层面改善黑臭水体，持续净化水质，配合底泥改良避免底泥内源污染物释放造成的二次污染，实现黑臭水体的综合治理，长治久清。