改良型人工浮岛处理小微黑臭水体的实验研究

张琪 石子豪 王超 龙晓宇 李莉

（汉江师范学院化学与环境工程学院 湖北十堰 442000）

在城镇化和工业化发展进程中，许多大量未经处理或未完全处理的工业废水和生活污水直接或间接排入河道，导致河道污染、水质下降，水体自净能力减弱，从而造成缺氧和富营养化，最后形成黑臭水体。经过近10 年的治理，我国大部分的黑臭水体得到了有效的治理，水质情况得到极大的改善。

国内黑臭水体治理工作还有很多只停留在河道干支流水系规划的基础上，未在规划法定图上的小微水体则面临严峻的环境挑战，没有受到足够的重视［1］。通过调研发现，十堰市目前还存在一些面积较小、流动性差的小微水体，并逐渐形成了小微黑臭水体。小微黑臭水体的治理工作，因受到空间、环境、资金等诸多限制，故治理工作往往难以一次到位，常常出现“反复治、治反复”的情况，需要采取“一小微一策”、封堵排口、长期维护等措施［2］。目前国内外小微黑臭水体治理的具体方法包括曝气增氧、复合微生物及化学制剂、生物技术、新兴技术等，各有适用特点和范围。十堰市作为南水北调中线核心水源区，小微黑臭水体不仅对周边居民的生活环境与生命健康造成严重影响，同时也制约着河道干流水环境的改善，直接影响南水北调中线核心水源区调水水质，为保证“一江清水永续北送”，当务之急是要解决十堰市小微黑臭水体问题。

本文主要研究的是在传统人工浮岛构建中加入缓释生物促生剂，构建改良型人工浮岛来探究其对黑臭水体的修复效果。

1 小微黑臭水体的治理进展

1.1 小微黑臭水体的特点

小微黑臭水体是一种严重的水污染现象。当水环境遭受超过其自净能力的有机污染时，水体中耗氧速率大于复氧速率，造成水体缺氧，致使有机物降解不完全、速度减缓，且有机物在厌氧降解过程中生成硫化氢、氨、硫醇等发臭物质，同时形成黑色物质，使水体发生黑臭的现象。

1.2 小微黑臭水体的治理技术

（1）物理修复技术：常见的技术有富氧曝气、清淤和引水冲污等。富氧曝气法运行简单，设备投资少，被广泛应用到治理缺氧污染水体中；清淤和引水冲污去除水体中N、P、COD 等污染物质效果快［3］，近年来在工程上使用较为广泛。

（2）化学修复技术：主要分为药剂法和电化学法等。药剂法是在污水中加入混凝剂、沉淀剂、脱色剂等水处理药剂，有效降低水体的浊度和COD，但成本也高，有可能造成二次污染。电化学法是利用微生物电解、二维电极、三维电极等方法处理污水。

（3）生物修复技术：运用最多的是植物修复和微生物修复。主要是利用植物或微生物的分解吸收作用进行净化污水。

（4）综合治理技术：主要为水中原位修复技术。目前原位修复技术大部分仅仅停留在针对浅层水体，而对去除水下不同深度污染物的技术则较少。人工浮岛技术是典型的水体原位修复技术，是以“浮岛+植物”为主体进行生态净化的方法，已广泛地运用于治理富营养化水体。

1.3 本文选用技术

（1）生态浮岛（Ecological floating island，EFI）技术：以高分子材料为载体和基质，水生植物种植在载体表面的水面无土种植植物技术。浮岛栽种植物可分为5 类，即沼生型植物、挺水型植物、浮叶型植物、沉水型植物、漂浮型植物。该技术是一种原位水生态修复技术，可以削减水体中氮磷营养盐浓度，改善水体富营养化，还可以带来与耕种同等甚至更高的收益。

（2）促生剂原位修复：利用天然化合物（主要由有机质、有机酸以及碳源等构成）活化水体中的土著微生物，加速污染物降解的一种生物修复技术。生物促生剂中营养成分与表面活性物质刺激水体环境中原有微生物发育繁殖，加快光合反应发生进程，增强水体中溶解氧含量，不断促进好氧环境下水体中微生物与底泥等污染物发生反应，有效促进水体系统内微生物结构与形态多元化，进而完成水体自净。

2 材料与方法

2.1 材料

（1）制备缓释促生剂：20 mg/L 的碱性活性炭、1 mL/L的元素混合液、2 mL/L 的芦荟提取液［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钠250 mg/L、无水硫酸镁100 mg/L、硫酸亚铁25 mg/L、硫酸锌7.5 mg/L、无水氯化钙2.5 mg/L、钼酸铵2.5 mg/L、硫酸钴50 mg/L、硫酸铝钾2.5 mg/L 组成。放置10 ℃的条件下储存备用［6］。

（2）构建人工浮岛：高密度聚乙烯（HDPE）材质人工浮岛、水芹菜和空心菜。

（3）主要试剂：重铬酸钾溶液、硫酸亚铁铵溶液、硫酸-硫酸银溶液、5%的过硫酸钾溶液、钼酸盐溶液、铵标准储备溶液、硫酸锰溶液、碱性碘化钾溶液、硫代硫酸钠标准溶液。

（4）仪器：电热鼓风干燥箱、可见分光光度计、高压灭菌锅、PHS-3C 型pH 计、YH-A2003 型电子天平。

2.2 缓释促生剂制备的方法

采用溶剂挥发法制备缓释促生药丸［7］。①用三氯甲烷溶液将遴选出的PLA 生物骨架材料溶化，制成包埋液体［8］。②再向包埋液体中加入自制的生物促生剂，随即用玻璃棒搅拌混合成泥状物质［9］，并用双手搓捏泥浆物质成型，制成直径为1.5 cm 左右大小的球状药丸。③放入加热恒温鼓风箱中，在50 ℃下进行烘干，一直到药丸中的三氯甲烷完全挥发，从而获得缓释促生药丸。缓释促生药丸见图1。

图1 缓释促生药丸

2.3 人工浮岛构建方法

采用拼接法构建人工浮岛。将方形HDPE 人工浮岛单体的4 个角分别用螺丝固定，再将多个单体拼接在一起，把水芹菜、空心菜种植在中间的固定槽内，最后把拼装好的人工浮岛放置在待处理的水样上［10-11］。

2.4 改良型人工浮岛的构建方法

将制备好的4 颗缓释促生药丸分别放在4 个小网兜里，再将4 个小网兜分别固定在方形HDPE 人工浮岛的4 个小槽里，每块人工浮岛中心分布5 棵空心菜和5 棵水芹菜。实验中每12 L 水放置1 块改良人工浮岛。方形HDPE 材质人工浮岛见图2。

图2 方形HDPE 材质人工浮岛

2.5 原始水样指标

本实验的水样采自十堰市某小溪。原水各项指标见表1。

表1 原水各项指标

3 结果与讨论

3.1 对水样DO 的影响

水样中DO 浓度随时间变化见图3。水体中的溶解氧逐渐增加，前期变化较慢，中期净化效率明显提高，后期又趋于平缓，由最初的1.24 mg/L 最终达到了5.61 mg/L。这是因为缓释促生剂和植物的存在，强化了水样中好氧微生物的代谢作用，水中的耗氧物质不断减少，溶解氧不断得到补充，数据说明水质在逐渐变好。

图3 水样中DO 浓度随时间变化曲线图

3.2 对水样COD 的影响

水样中COD 浓度随时间变化见图4。改良后的人工浮岛对COD 的净化效果显著，水体中的COD 浓度由最初的94.38 mg/L 逐渐减少，最终数值是28.56 mg/L，净化效率为70%。可能是促生剂和植物的加入，改善了微生物的生存环境，促进了土著微生物的繁殖，提高其降解有机物的能力。

图4 水样中COD 浓度随时间变化曲线图

3.3 对水样总磷的影响

水样中总磷随时间变化见图5。改良后的人工浮岛对总磷净化效果很好，水中总磷浓度由最初的2.36 mg/L不断降低，之后保持在0.38 mg/L 左右，净化效果达到了84%。可能是促生剂的加入，改善了底泥微生物环境，加强了聚磷菌代谢作用，水样中的磷含量降低。

图5 水样中总磷随时间变化曲线图

3.4 对水样氨氮的影响

水样氨氮浓度随时间变化见图6。改良后的人工浮岛对氨氮净化效果没有对COD 和总磷的净化效果好，但整体不错，由最初的3.64 mg/L 降到了最终的1.77 mg/L，净化效果达到了51%。随着溶解氧含量的升高，土著好氧微生物代谢作用增强，水样中的氨氮含量降低。

图6 水样中氨氮浓度随时间变化曲线图

4 结论

（1）缓释促生剂与传统人工浮岛的结合对黑臭水体的净化效果显著。

（2）改良后的人工浮岛对氨氮的净化效果没有对总磷和COD 的净化效果好，但整体净化效果不错。

（3）实验过程中存在个别人工浮岛中的植株死亡的现象，可能对实验结果有影响。

（4）整个过程中水体有蒸发迹象，没有及时补充实验用水。由于实验条件有限，实验变量单一，未探究水温等条件对实验的影响，有待改进。

（5）由于时间和条件限制，没有测定水样中的微生物种类和数量。通过水样处理前后微生物的种类和数量的对比，可知水样中土著微生物的繁殖情况，可以分析改良型人工浮岛的净化能力。