生物倍增與生態浮島技術修復黑臭水效果的對比分析

俞 晟，陳一虎，張延頗

（蘇州市職業大學 教育與人文學院，江蘇 蘇州 215104)

城鎮污、廢水隨意排放導致臨近河湖富營養化，進而造成水體發黑和發臭，直接影響沿岸居民的生活品質[1-3]。因此，水體黑臭問題已成為當前水環境的熱點問題之一[2,4-5]。對比“水十條”及相關專項行動規定的黑臭水治理完成目標，結合我國現階段黑臭水成因和水質參數，需要研制一套完整且行之有效的治理技術及裝備，實現階段性預定目標任務[1,4]。當前，人工生態浮島常被列入河道修復首選技術，但受水文氣候等不可控因素影響而導致治理成效不理想，故該技術局限于湖泊和河道試驗階段[6-7]。因此，在修復治理成本低的前提下，急需開發穩定、持久、有效治理黑臭水體的工藝技術和裝備，從而解決我國現階段關系民生的水環境污染問題。

當前，國內外快速生化(生物倍增)技術研究得到普遍關注，其成效顯著[8-10]。但因其設備結構關聯度高和工藝參數控制復雜等局限性，使之僅在水污染處理有限范圍內得以適應性試驗使用，尚未得到工程化推廣[9]，而其用于地表黑臭水修復治理更是少見。結合我國現階段地表黑臭水實際情況[2，7]，在實驗室條件下，對人工擬合黑臭水氨氮、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和透明度(SD)4個水質指標(《城市黑臭水體整治工作指南(2015年8月)》)及生化需氧量(BOD)和色度修復凈化規律和過程研究，對比分析生物倍增與生態浮島技術修復黑臭水效果，為生物倍增技術在黑臭水實際應用提供工程化數據支撐。

1 材料與方法

1.1 受試擬合黑臭水

對珠三角(18條河段)、長三角(19條河段)和渤海灣(17條河段)等水系較發達區域內城鎮黑臭水中氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度等水質參數調研，經統計和匯總分析得到實驗室模擬黑臭水水質，如表1所示。以統計均值為基準點，試驗在接種已有黑臭水和水體沉積物(采樣點120°38'，31°20')基礎上添加可溶淀粉(有機物，BOD)、NH4Cl(氨氮)和底泥(色度和顆粒物)等物質，并以Na2CO3調節pH值。實驗室控溫，以滿足受試水樣水質與調研水質均值無顯著差異(P<0.05)。

表1 黑臭水水質調研統計分析

1.2 試驗裝備

1.2.1 人工生態浮島

生態浮島主要由浮力層(提供浮力)、隔水層(防止滲水)、生物柵(微生物場所)、重墜(防止生物柵漂浮)和曝氣裝置(提供試驗DO)組成。試驗前，生物柵在水溫T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中掛膜培養30 d，并放入浮島進行黑臭水凈化試驗。試驗槽長100.0 cm(分進水區 25.0 cm、反應區50.0 cm、出水區25.0 cm)，寬30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，試驗槽內體積為225.0 L(扣除生物柵等組件后有效容積221.3 L)。生物柵(直徑8.0 cm，按最大填充率80%布設)上端固定于長50.0 cm，寬30.0 cm浮力層上，下端設重墜，使其鉛垂于試驗黑臭水中?？刂破貧饬?，使生物柵進水DO=(6.0±0.8) mg/L，且按文獻[5-7]黑臭水治理工藝，控制浮島水力停留時間HRT=8.0 h。

工作時，浮島放置于受試水樣，使生物柵、重墜和曝氣裝置完全浸沒于受試黑臭水水樣。啟動曝氣系統，氣泡擾動試驗配水以提高水樣溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L，來滿足水體好氧生化所需耗氧量。因水位差作用，受污水樣流經生物柵后由出水溢流系統排出，記錄浮島進出水水質。

1.2.2 生物倍增單元

生物倍增單元主要由分離廊道(固液分離場所)、出水堰(清水出水)、沉淀泥斗(顆粒物沉積場所)、分選島(引導氣水混合流，兼顧污泥回流)和曝氣裝置(提供試驗DO)組成。試驗前，生物倍增單元在水溫T=(25.0±0.5) ℃和DO=(1.8±0.2) mg/L的黑臭水中污泥富集培養30 d，此單元與浮島同時進行黑臭水凈化試驗。生物倍增單元長100.0 cm，寬30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，試驗槽內體積為225.0 L(扣除分離廊道等組件后有效容積220.7 L)。分離廊道(長65.0 cm，高5.0 cm)按最大布設角55°安置于生物倍增單元內，下端距分選島0.5 cm?？刂破貧?，使單元進水DO=(6.1±0.6) mg/L。按文獻[8]黑臭水治理工藝和考慮浮島HRT，控制生物倍增單元水利停留時間HRT=8.0 h。

工作時，生物倍增單元放置于受試水樣，使分離廊道、出水堰、沉淀泥斗、分選島和曝氣裝置完全浸沒于受試黑臭水樣。啟動曝氣系統，氣泡上升擾動試驗配水并產生氣體，以提升試驗配水進入分離廊道，同時提高水樣溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L，以滿足水體好氧生化所需耗氧量。黑臭水因自重作用流入分離廊道，再經沉淀泥斗后由出水堰系統排出，記錄單元進出水水質。

1.3 檢測標準與數據分析

氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度檢測分別按水楊酸——次氯酸鹽分光光度法、電化學法、電極法、鉛字法及稀釋接種法、稀釋倍數法執行，并記錄檢測數值。數據以Microsoft Excel 365進行記錄、計算和分析，以單邊分析法(ANOVA，IBM SPSS Statistics v25.0 for Windows)對記錄和計算數據進行顯著性檢驗(置信區間P<0.05)。所記錄、計算和分析得到數據均采用Origin 2020 Pro進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水BOD和氨氮治理效果分析比較

有機物和氮素氧化分解時快速消耗水中DO，造成水中DO下降，進而造成有機物等在水中缺氧/厭氧分解，使含硫物質形成H2S等臭味物質[11]。水中有機污染物濃度較高時，水體厭氧產氣造成水體底泥和沉積物再懸浮(甚者漂浮于水面)，遮擋、反射和散射入水光線，降低水體透明度[1,11]。因此需要分析進出水BOD和氨氮的濃度變化，以便緩解、控制進而修復黑臭水體。生物倍增與生態浮島技術對黑臭水BOD和氨氮治理效果如圖1所示。

圖1 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水BOD和氨氮治理效果

由圖1可知，生物倍增單元與生態浮島均可持久去除黑臭水中BOD和氨氮，當進水BOD為72.1~106.9 mg/L、氨氮為2.38~3.78 mg/L時，生物倍增單元出水BOD為3.5~5.6 mg/L、氨氮為0.90~1.22 mg/L，而生態浮島出水BOD為14.7~31.8 mg/L、氨氮為1.36~2.42 mg/L。

生物倍增單元是通過底部曝氣產生提升力使水體垂直混合擾動的，并借助氣泡上浮進行中氧擴散，使水體由厭/兼氧狀態轉為有氧狀態，此“土著”厭/兼氧微生物在高溶解氧DO=(6.1±0.6) mg/L條件下馴化為好氧微生物，進而轉變為好氧生化反應[3,12]，使得BOD和氨氮與活性污泥在全混合下進行好氧生化反應。進入廊道的混合液在同向流好氧生化反應/沉淀時，因內摩擦及廊道側壁的限制作用而改變了水力學條件，此區間內水流產生相互關聯的微漩渦[5,7]，促成混合液中絮狀/小顆粒污泥產生向心自凝聚。同時因側板限制使得處于旋流狀態下的低密度絮狀/小顆粒污泥相互碰撞形成高密度的大顆粒污泥，且此顆粒污泥表面松散多孔[8-9]，有利于污染物的吸附，加速了BOD和氨氮的吸附交換和生化氧化降解[4,6]。在沉淀泥斗內，混合水樣在壓縮密集的顆粒污泥間隙內流動，因泥斗倒“V”型有利于減緩水流在顆粒間隙中的上升流速[8,10]，增加了停留接觸面積(有利于水中污染物接觸吸附降解和篩分)，加之高濃度顆粒污泥(提高了反應物濃度)促成好氧生化反應速率提升[9-10]，進而更高效去除廊道出水中剩余BOD和氨氮，最終使生物倍增單元對BOD和氨氮總體的去除率分別達95%和76%，出水BOD和氨氮濃度分別降到(4.6±0.4) mg/L和(1.09±0.05) mg/L。整個過程中，僅有“陳化”顆粒污泥通過分選隙回流(為新生顆粒污泥提供凝結核心，形成內循環以減少剩余污泥產出)，并無其他生物或生化過程發生“突越”，因此整個試驗時段內出水水質平穩(BOD最大差值為2.1 mg/L、氨氮最大差值為0.32 mg/L)。對于生態浮島，試驗配水通過前置曝氣提升水樣溶解氧DO=(6.0±0.8) mg/L值后流經浮島生物柵，雖呈現好氧生化反應過程，即BOD=(20.6±3.0) mg/L、氨氮=(1.85±0.15) mg/L，但生物柵表面生物膜致密，因此僅能通過表層生物膜吸附降解作用達到BOD和氨氮去除[7,13]，故而去除效率有限(去除率 BOD為78%、氨氮為42%)[7]。此外，因生物柵固著的微生物內層厭/兼氧產氣而外層為好氧生物膜致密，直接導致因內層微生物產生的氣體無法及時傳輸而形成“氣爆”，導致生物柵上微生物生態系統破壞(生物或生化過程發生“突越”)，致使微生物生化——生態循環中斷，直接導致出水水質變差[13-14]，即每間隔(60±6) d的周期出水BOD均值達28.6 mg/L、最高達31.8 mg/L和氨氮均值達2.09 mg/L、最高達2.42 mg/L，出水水質穩定性差(BOD最大差值為17.1 mg/L、氨氮最大差值為1.06 mg/L)。綜上所述，在整個試驗時段內，相較于生態浮島水質波動性大，生物倍增單元可更為穩定高效去除水中BOD和氨氮(BOD生出/浮出=4.5,氨氮生出/浮出=1.7)，其出水水質也更為穩定(P<0.05)。

2.2 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水DO和ORP治理效果分析比較

當水體處于缺氧/厭氧狀態時(DO<2.0 mg/L)，水體有機污染物降解不完全，甚至將某些物質還原成新的污染物(如含硫物質形成H2S)，從而造成水體腐敗發臭[11]。水中ORP直接表征水體還原性狀態，即氧化還原電位較低(ORP<50 mV)時，則容易產生水體黑臭現象[7,10]。因此，觀察出水DO和ORP數值，結合BOD和氨氮情況，以分析生物倍增單元與生態浮島處理效率。生物倍增與生態浮島技術對黑臭水DO和ORP治理效果如圖2所示。

圖2 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水DO和ORP治理效果

由圖2可知，生物倍增單元與生態浮島均可持久提升黑臭水出水中DO和ORP，當進水DO在1.4~2.0 mg/L、ORP在－243~－65 mV時，生物倍增單元出水DO在3.5~5.8 mg/L、ORP在109~175 mV，生態浮島出水DO在4.5~6.8 mg/L、ORP在－115~155 mV。

在生物倍增單元中，試驗配水在外曝氣增加DO后進入分離廊道，再由沉淀泥斗和出水堰出水，整個流動過程中只有外曝氣充氧和出水堰復氧兩個途徑，其余過程均無法直接增加水中DO濃度[8-9]。由于BOD和氨氮高效去除，消耗水中DO[5,12,14],因此出水堰前(泥位上邊緣)出水DO濃度較低(均值為(3.9±0.8) mg/L，最低濃度為3.1 mg/L)，而經出水堰跌水方式出水后DO達到(4.7±0.3) mg/L，可見該組件有效提升了出水DO(跌水擾動和形成氣泡使DO增加21%)。對于生態浮島，進水經曝氣DO=(6.0±0.8) mg/L后，試驗配水全程均與大氣接觸，即水中DO不足時大氣中氧氣可及時進行復氧[6,14]，故其出水DO=(5.7±0.3) mg/L?？梢?，無論生物倍增單元的外曝氣和出水堰跌水組合，還是生態浮島前置曝氣和全程復氧組合，均可提升黑臭水出水DO濃度，但在出水DO濃度滿足有氧水體前提下，生物倍增單元在BOD和氨氮處理方面更具優勢。再分析ORP指標[5,15]，在兩者DO濃度差異不顯著情況下(P>0.05)，因生物倍增單元更低的出水污染物濃度，直接導致更高的出水ORP數值(ORP=(142±8) mV)約為生態浮島出水ORP數值(ORP=(19±31) mV)的7.5倍。故生物倍增單元可更有效地完成黑臭水DO和ORP的修復任務。

2.3 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水透明度和色度治理效果分析比較

水體透明度和色度可直接影響普通民眾對水體黑臭現象的主觀心理評價[1,16]。水體干凈清潔可以促使沉水植物更好地光合作用，促使水中污染物和氨氮快速高效耗氧生化分解[16-17]。因此需對比生物倍增單元與生態浮島在實驗室條件下凈化黑臭水能力，以判斷其對黑臭水透明度和色度的改善情況。生物倍增與生態浮島技術對黑臭水透明度和色度治理效果如圖3所示。

圖3 生物倍增與生態浮島技術對黑臭水透明度和色度治理效果

由圖3可知，生物倍增單元與生態浮島均可持久改善黑臭水出水透明度和色度，當進水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時，生物倍增單元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度為1~7倍，生態浮島出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

透明度較高時色度相對較低，反之亦然[4,6]，這一結果在圖3中得以印證(配水透明度主要受色度影響)。正如BOD和氨氮所述，生物倍增單元的分離廊道具備絮狀/小顆粒污泥向心自凝聚作用，可促使配水中絲狀固態污染物通過卷掃而捕獲水中短絮狀/小顆粒污染物[8,17]，在向心自旋過程中聚集成大顆粒污泥，并增加顆粒污泥密度而便于沉淀分離于沉淀泥斗中。沉淀泥斗因高污泥濃度而產生的重力擠壓導致顆粒污泥間隙進一步縮小，而試驗配水流經該間隙時，借由顆粒污泥多孔表面的吸附性和間隙的篩分性進一步去除水中各類溶解態含色污染物和顆粒態污染物[18]，促使水體透明度增加和色度降低。出水透明度為(90.0±1.3) cm，出水色度為(3±1)倍，且整個試驗時段內因無生物膜物剝離和脫落現象，水質透明度和色度修復效率平穩(最大差值透明度為7.2 cm、色度為6倍)。反觀生態浮島，雖整個試驗時段內亦可修復出水透明度SD為(53.8±8.1) cm和色度為(10±4)倍，但每間隔(60±6) d周期的“氣爆”問題使得固著的微生物大面積脫落進入水中[10,16]，直接表現為浮島出水透明度下降(SD均值為37.9 cm，最低值為34.1 cm)和色度增加(均值為18倍，最高為29倍)?？傊?，在試驗時段內，生物倍增單元可更為穩定高效修復水中透明度和色度(透明度生出/浮出=1.7，色度生出/浮出=0.3)，修復出水水質更為穩定(P<0.05)。

3 結論

1)相較生態浮島，生物倍增單元對黑臭水BOD和氨氮去除效率更為顯著。進水BOD在72.1~106.9 mg/L和氨氮在2.38~3.78 mg/L時，生物倍增單元出水BOD在3.5~5.6 mg/L和氨氮在0.90~1.22 mg/L，生態浮島出水BOD在14.7~31.8 mg/L和氨氮在1.36~2.42 mg/L。

2)生物倍增單元和生態浮島均可提升黑臭水DO濃度，但就黑臭水ORP而言，生物倍增單元出水ORP數值得到更為有效改善。進水DO在1.4~2.0 mg/L和ORP在－243~－65 mV時，生物倍增單元出水DO在4.5~6.8 mg/L和ORP在－115~155 mV，生態浮島出水DO在3.5~5.8 mg/L和ORP在109~175 mV。

3)相較生態浮島，生物倍增單元對黑臭水透明度和色度修復效果更為顯著。在進水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時，生物倍增單元出水透明度在86.0~93.2 cm和色度在1~7倍，生態浮島出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

4)生態浮島出水水質每間隔(60±6) d均出現周期性惡化，生物倍增單元在整個運行時段內出水水質更為穩定，可有效完成黑臭水修復任務。