徐國梁，鄧黛青，刁一明，劉 剛

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州 310018;2.中國計(jì)量學(xué)院，質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

1 富營養(yǎng)化淺層水體的處理技術(shù)現(xiàn)狀

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今重大水環(huán)境問題之一，近年來我國湖泊富營養(yǎng)化呈快速發(fā)展趨勢[1］.淺水湖泊、景觀水體、淺水濕地、氧化塘、淺水溪流、河涌和溝渠等淺層水體，存在著水容量小、納污容量小，水生生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點(diǎn)，十分容易發(fā)生富營養(yǎng)化[2］.由于臨近人們的工作或生活區(qū)域，其富營養(yǎng)化進(jìn)程對人們?nèi)粘Ｉ钣绊憞?yán)重.

目前，富營養(yǎng)化水污染處理技術(shù)主要有化學(xué)處理、物理處理和生物處理方法.化學(xué)法處理需要投加大量的化學(xué)藥劑，成本高、并易引起二次污染[3］;物理修復(fù)措施主要有底泥疏浚[4］、引水換水[5］等工程方法，修復(fù)過程中營養(yǎng)物質(zhì)的絕對量并沒有減少，不能從根本上解決問題;人工濕地、生物浮島等生物處理技術(shù)通過原位構(gòu)建水生植物體系[6］，利用植物根系的吸附、吸收作用，削減水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到凈水效果，具有無二次污染，且兼具景觀美化作用的特點(diǎn)，是目前富營養(yǎng)化水體主流修復(fù)措施，但降解反應(yīng)慢，凈化處理周期長的缺點(diǎn)是限制其應(yīng)用的主要原因.向水體人工投加馴化的微生物[7］，在去除BOD(生化需氧量)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫磷、脫氮作用，具有原位修復(fù)、處理效果好、見效快的優(yōu)點(diǎn)，但是該類方法中菌種費(fèi)用高，在自由懸浮生長條件下容易流失，可持續(xù)性差.

傳統(tǒng)的機(jī)械曝氣方法如固定的河道充氧站、水下設(shè)置曝氣充氧機(jī)[8］等，能夠有效控制和延緩水體富營養(yǎng)化.曝氣增氧系統(tǒng)主要有由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和各種形式曝氣頭組成的曝氣系統(tǒng)、表曝設(shè)備和潛水曝氣設(shè)備.上述曝氣設(shè)施存在設(shè)備能耗高、充氧效率低的問題，如噴水式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)等的動力效率一般在0.60 ～1.20 kg/(kW·h)之間[9］，噴水、攪水功能不健全，充氧效率不高.從而造成建設(shè)和實(shí)際運(yùn)行中基建投資大，運(yùn)行費(fèi)用高、維護(hù)管理復(fù)雜等問題.

2 太陽能生物浮島的設(shè)計(jì)開發(fā)

近年來太陽能等綠色能源應(yīng)用快速發(fā)展，大部分自然水體表面光照條件充分，非常適合于利用太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行能源供給.在富營養(yǎng)化水體中，藻類含量較高，其光合作用釋放出氧氣，供菌種降解有機(jī)物，是一種太陽能的自然生物利用方式.如果能充分利用水體原位生態(tài)修復(fù)功能和藻類的充氧功能，構(gòu)建以原位太陽能發(fā)電與原位生物修復(fù)相結(jié)合的一體化水體修復(fù)設(shè)備，將突破現(xiàn)有富營養(yǎng)化水體處理技術(shù)屏障，為淺層水體修復(fù)和日常維護(hù)提供新型有效的技術(shù)手段，具有廣泛的市場應(yīng)用前景.基于上述考慮，參照國內(nèi)外相關(guān)資料及工程實(shí)際應(yīng)用要求，作者研制開發(fā)了太陽能生物浮島成套設(shè)備.該設(shè)備由生物浮島降解系統(tǒng)、曝氣造流系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)三部分組成.

2.1 生物浮島降解系統(tǒng)——原位高效降解

微生物降解和生物浮島是兩種快速發(fā)展的原位景觀水處理技術(shù).如何提高微生物降解功能，加強(qiáng)水生植物吸收作用，促進(jìn)二者之間的協(xié)同作用，是實(shí)現(xiàn)水體原位高效生物降解的關(guān)鍵所在.

針對這個問題，本設(shè)備的生物浮島系統(tǒng)通過:

(1)投加填料，加大微生物附著面積，便于微生物富集成膜;

(2)添加可富集在填料表面的特效功能菌，加強(qiáng)多菌種協(xié)同作用，高效降解氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì);

(3)構(gòu)建植物與微生物的復(fù)合生物體系;

(4)改善微生物生長環(huán)境，一方面人工曝氣提高水體溶氧量，增強(qiáng)微生物代謝，另一方面利用人工造流，加快水體傳質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高效的原位生物降解.

生物浮島系統(tǒng)由浮床單元拼接、組合而成，浮床單元內(nèi)部種植水生植物，水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌，整體環(huán)繞于曝氣造流系統(tǒng)外圍，通過植物和微生物的共同作用，實(shí)現(xiàn)水體修復(fù)目的.

浮床單元Φ225 mm，每平米可負(fù)載為12 kg;采用HDPE材質(zhì)、綠色環(huán)保、耐腐蝕、可反復(fù)多次使用;浮床單元之間采用柔性連接方式，固定在曝氣系統(tǒng)周圍;選用美人蕉等作為浮島植物，其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和氮、磷利用能力;填料輕質(zhì)多孔，利于水中微生物固著生長;填料上接種能高效除氮的納豆菌.

2.2 曝氣造流系統(tǒng)——原位低能耗供氧

對水體進(jìn)行曝氣是改善微生物生長環(huán)境、提高降解效率的必不可缺的步驟之一.機(jī)械曝氣法由于設(shè)備能耗高、充氧效率低、運(yùn)行存在安全隱患而不適用于景觀水處理.

針對這個問題，本設(shè)備的曝氣造流系統(tǒng)具備如下條件:

(1)在充分利用水體自身藻類光合作用復(fù)氧和大氣復(fù)氧前提下，改變曝氣充氧模式，提高充氧效率，控制充氧時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低能耗供氧;

(2)改變單一曝氣充氧方式，利用直接曝氣制造循環(huán)流，在直接曝氣的基礎(chǔ)上，攪動水流，提高液面更新速率，提高充氧效率;

(3)根據(jù)水體中溶解氧自然變化規(guī)律，控制人工充氧時(shí)間.從而實(shí)現(xiàn)原位低能耗高效供氧.

曝氣造流系統(tǒng)由空氣泵、曝氣盤、懸浮載體和導(dǎo)流裝置四部分組成.空氣泵壓縮的空氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入曝氣盤，再以微小氣泡的形式釋放到深層水體中，并與其混合，增加水體溶氧;水氣混合后的液體因密度減小而在導(dǎo)流筒內(nèi)垂直上升到達(dá)淺層水體，同時(shí)，深層水體因?qū)Я魍矁?nèi)的壓力較小而被不斷吸入到導(dǎo)流筒內(nèi)，形成一個以壓力差為動力的循環(huán)流，實(shí)現(xiàn)水體最大效率供氧.

中心浮床作為整套設(shè)備的結(jié)構(gòu)中心，為太陽能供電系統(tǒng)提供浮力，同時(shí)支撐曝氣造流系統(tǒng)，Φ800 mm;空氣泵使用35 W直流空氣泵，通過管路連接曝氣盤進(jìn)行曝氣工作;曝氣盤采用防堵塞剛玉曝氣盤，Φ175 mm.

2.3 太陽能供電系統(tǒng)——原位能源供給

能源消耗是影響水體處理工程成本的重要因素.現(xiàn)有技術(shù)方法在水污染處理過程中，多數(shù)存在投資大、能耗高的問題，受到成本和運(yùn)行費(fèi)用約束，水污染治理工作不能持久.針對這個問題，本設(shè)備的太陽能供電系統(tǒng)利用光伏發(fā)電技術(shù)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，無需燃料，沒有任何污染，并且，大部分的富營養(yǎng)化水體表面水域開闊，陽光照射條件良好，通過懸浮載體將太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用于設(shè)備當(dāng)中，無需外界能源輸入，在能源自給的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水體修復(fù)的目標(biāo)，節(jié)能降耗，消除污染.

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、控制器、時(shí)間控制開關(guān)、蓄電池以及配套支架和相應(yīng)線路組成，為整套設(shè)備提供電力支持.電池板采用100 W高效單晶硅太陽能電池，在光照充足的情況下，太陽能電池板將產(chǎn)生20 V的電壓和1.5 A的電流，通過太陽能控制器穩(wěn)壓到12 V后為系統(tǒng)供電，并為蓄電池充電;太陽能控制器采用12 V/24 V自動識別控制器，用以實(shí)現(xiàn)對蓄電池和負(fù)載的過流保護(hù)和欠壓保護(hù);蓄電池為12 V/50 AH，在無光照條件下向負(fù)載(空氣泵)供電，保證其持續(xù)工作;通過時(shí)間控制開關(guān)，控制空氣泵工作時(shí)間.

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能生物浮島整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依照太陽花形狀，以曝氣造流系統(tǒng)的浮床為結(jié)構(gòu)主體，浮床采用雙曲面球體構(gòu)型，上承太陽能電池板，內(nèi)置蓄電池和空氣泵等所有配套設(shè)備，下方以絲桿連接懸掛導(dǎo)流裝置，周圍環(huán)繞生物浮島單元，曝氣盤通過管道連接固定在導(dǎo)流裝置內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1和圖2.

2.5 運(yùn)行控制方案

光照充足的白天，太陽能電池板通過控制器向蓄電池供電，夜間蓄電池放電帶動空氣泵工作;利用時(shí)間控制開關(guān)控制空氣泵的工作狀態(tài);空氣泵在凌晨00:00～06:00連續(xù)工作6 h(可調(diào)).陰雨天氣，太陽能控制器直接控制蓄電池充放電，保證蓄電池提供空氣泵18 h工作能力.

3 應(yīng)用于景觀水體的實(shí)驗(yàn)研究

以中國計(jì)量學(xué)院景觀水日月湖為研究對象進(jìn)行太陽能生物浮島對富營養(yǎng)化水體的處理效能試驗(yàn).日月湖為硬質(zhì)湖底景觀，東西兩岸各有一個進(jìn)水口，使用隔水布在日月湖西北方向(圖3中的點(diǎn)3)隔離出5 m×5 m實(shí)驗(yàn)區(qū)，見圖3，實(shí)驗(yàn)區(qū)域附近綜合考慮天氣條件、溫度、水量變化條件，設(shè)置2個監(jiān)測點(diǎn)和兩個對照點(diǎn).布點(diǎn)參照圖4.

3.1 日月湖水質(zhì)狀況分析

根據(jù)富營養(yǎng)化水體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10］對日月湖的TP(總磷)、TN(總氮)、CODMn(化學(xué)需氧量)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測布點(diǎn)見圖4，監(jiān)測方法參考國家水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法[11］;實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)取樣監(jiān)測方式，數(shù)據(jù)見表1.

表1 日月湖各項(xiàng)指標(biāo)背景值

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比富營養(yǎng)化水體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可知日月湖水體中TP、TN已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化水平

研究表明，在富營養(yǎng)化水體中，存在著水體溶解氧晝夜變化幅度大的特點(diǎn)，但從圖5中可見，日月湖晝間溶解氧變化并不完全符合富營養(yǎng)化水體溶氧規(guī)律變化，其晝間溶氧會達(dá)到高點(diǎn)，但是夜間溶氧并不會降低到預(yù)計(jì)低點(diǎn).由于日月湖各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化狀況，其水體夜間的耗氧量低，可能是由于日月湖作為景觀水，其硬質(zhì)湖底的特點(diǎn)造成底泥含量較低、懸浮微生物較少、水體微生物活動較弱的原因.因而本研究探討了相同條件下對日月湖湖水溶氧變化與微生物量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)使用五個水桶進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，通過投加不同污泥量進(jìn)行水體耗氧變化規(guī)律探究.1號桶內(nèi)作為對照不添加活性污泥，2～5號桶內(nèi)依次控制污泥濃度在 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L，同時(shí)進(jìn)行水體溶氧測定.為確保其溶氧不受溫度和藻類光合作用影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇在夜間，從19:00～06:00，進(jìn)行12 h監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7.

由圖6可知，水體中活性污泥量越高，同一時(shí)間內(nèi)水中的溶氧值越低，由此可以推斷，微生物含量低是已經(jīng)富營養(yǎng)化的日月湖夜間溶氧不持續(xù)下降的原因之一.由于硬質(zhì)湖底的景觀水體都存在水(富營養(yǎng)化水平指標(biāo)為 TP＜600 μg/L、TN＜1.2 mg/L)，CODMn已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)(富營養(yǎng)化水平指標(biāo)為7.1 mg/L)日月湖水體已經(jīng)呈現(xiàn)富營養(yǎng)化.

3.2 日月湖水體自然降解特性分析

溶解氧變化是水體自凈特征的表達(dá)方式之一，日月湖水體自然降解特性分析實(shí)驗(yàn)選在晴天，以小時(shí)為單位、對日月湖水體進(jìn)行連續(xù)24 h溶解氧監(jiān)測.并將其溶氧變化曲線與已有研究資料[10］進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5.體中微生物少的特點(diǎn)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接證明了可通過富集微生物的方式強(qiáng)化水體凈化功能.

3.3 太陽能生物浮島的充氧能力測試

在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)曝氣設(shè)備充氧能力檢測方法[12］檢測設(shè)備的充氧性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 太陽能生物浮島各項(xiàng)曝氣指標(biāo)測定值

從表2中可見，較傳統(tǒng)表面曝氣機(jī)等的曝氣充氧設(shè)備，太陽能生物浮島具有阻力損失小，充氧能力強(qiáng)的特點(diǎn).

3.4 太陽能生物浮島的充氧效果實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，太陽能生物浮島自動運(yùn)行(白天充電，夜間從24:00～06:00供氧6 h)，測定實(shí)驗(yàn)區(qū)域1、2點(diǎn)的溶解氧平均值A(chǔ)與對照區(qū)域3、4點(diǎn)的溶解氧平均值B的變化連續(xù)，溶解氧采用在線溶解氧儀及碘量法[11］測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8.

從圖7中可見:對照區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧持續(xù)下降，平均下降速率為0.53 mg/(L·h)，到日出前達(dá)到最低值5.8 mg/L.實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧亦持續(xù)下降，開始曝氣后，溶解氧濃度上升1.1 mg/L，此后亦持續(xù)下降，平均下降速率約為0.51 mg/(L·h)，到日出前達(dá)到最低值 7.4 mg/L.

從圖8中可見:由于測試期間氣侯變化較大(第1天陰，第2～3天晴、第4～7天陰)，水中DO值變化幅度較大，但實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧濃度比對照區(qū)域平均高0.73 mg/L.

從上述實(shí)驗(yàn)可推測:

(1)淺層水體中DO的絕對水平是由水中的菌藻共生體系決定的，并受制于日間的光照條件.

(2)夜間充氧量不足以維持生物降解所需氧量，但能使水體夜間溶解氧濃度保持在一個較高水平，防止微生物死亡.

3.5 太陽能生物浮島的凈化效果實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)連續(xù)7天對4個點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)分析，測試實(shí)驗(yàn)區(qū)域1、2點(diǎn)的葉綠素a平均值A(chǔ)與對照區(qū)域3、4點(diǎn)的葉綠素a平均值B的連續(xù)變化，葉綠素a采用分光光度法[11］測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9.

從圖9中可見，實(shí)驗(yàn)區(qū)域較對照區(qū)的葉綠素a數(shù)值明顯下降，1周后實(shí)驗(yàn)區(qū)域較對照區(qū)的葉綠素a的濃度下降了19.8 mg/L，可以初步推斷設(shè)備能快速有效抑制水體富營養(yǎng)化.

4 水體修復(fù)機(jī)理分析

結(jié)合設(shè)備的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，太陽能生物浮島的水體修復(fù)功能主要通過以下幾個方面實(shí)現(xiàn)，其綜合作用機(jī)制見圖10.

(1)設(shè)備直接曝氣充氧促進(jìn)好氧微生物代謝，加快水體有機(jī)污染物降解速率;

(2)設(shè)備曝氣形成環(huán)流，加快水體液面更新速率，提高大氣復(fù)氧效率;

(3)浮島植物根系吸收水體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)，攔截固體顆粒、沉降膠體物質(zhì)，提高凈化效果;

(4)浮島中的生物填料，通過富集微生物，提高水體中的微生物數(shù)量和降解能力;

(5)曝氣形成的環(huán)流，有利于凈化后水體與污染水體的交換，擴(kuò)大設(shè)備有效的凈化面積.

綜上所述，太陽能生物浮島通過構(gòu)建立體式的生物體系，使富營養(yǎng)化水體在植物、微生物的協(xié)同作用下，通過太陽能供能強(qiáng)化曝氣和水體循環(huán)，實(shí)現(xiàn)富營養(yǎng)化水體的快速修復(fù).

5 結(jié)語

基于水體原位修復(fù)的理念，通過組合太陽能、低能耗充氧和高效生物降解措施，構(gòu)建了一體化的立體式生物處理設(shè)備——太陽能生物浮島.該設(shè)備能直接安置于受處理水體上、結(jié)構(gòu)簡潔，安裝簡便、自動運(yùn)行、造價(jià)低、無需外界能源供給，運(yùn)行成本為零、無二次污染，且外形美觀，與水體景觀和諧共處，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯.

實(shí)驗(yàn)表明，在淺層水體中，菌藻共生體系是水中溶解氧和污染物降解能力的主要來源，設(shè)備構(gòu)建的立體生物體系能有效增加水中的生物量，提高水體的凈化能力.太陽能儲能所提供的夜間供氧能有效維持水體溶解氧水平，促進(jìn)好氧微生物代謝，強(qiáng)化水體凈化效果;成套設(shè)備能快速降低景觀水體的富營養(yǎng)化水平.

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