俞 晟，陳一虎，張延頗

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 教育與人文學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

城鎮(zhèn)污、廢水隨意排放導(dǎo)致臨近河湖富營養(yǎng)化，進(jìn)而造成水體發(fā)黑和發(fā)臭，直接影響沿岸居民的生活品質(zhì)[1-3]。因此，水體黑臭問題已成為當(dāng)前水環(huán)境的熱點(diǎn)問題之一[2,4-5]。對(duì)比“水十條”及相關(guān)專項(xiàng)行動(dòng)規(guī)定的黑臭水治理完成目標(biāo)，結(jié)合我國現(xiàn)階段黑臭水成因和水質(zhì)參數(shù)，需要研制一套完整且行之有效的治理技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)階段性預(yù)定目標(biāo)任務(wù)[1,4]。當(dāng)前，人工生態(tài)浮島常被列入河道修復(fù)首選技術(shù)，但受水文氣候等不可控因素影響而導(dǎo)致治理成效不理想，故該技術(shù)局限于湖泊和河道試驗(yàn)階段[6-7]。因此，在修復(fù)治理成本低的前提下，急需開發(fā)穩(wěn)定、持久、有效治理黑臭水體的工藝技術(shù)和裝備，從而解決我國現(xiàn)階段關(guān)系民生的水環(huán)境污染問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外快速生化(生物倍增)技術(shù)研究得到普遍關(guān)注，其成效顯著[8-10]。但因其設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度高和工藝參數(shù)控制復(fù)雜等局限性，使之僅在水污染處理有限范圍內(nèi)得以適應(yīng)性試驗(yàn)使用，尚未得到工程化推廣[9]，而其用于地表黑臭水修復(fù)治理更是少見。結(jié)合我國現(xiàn)階段地表黑臭水實(shí)際情況[2，7]，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)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(gè)水質(zhì)指標(biāo)(《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(fù)凈化規(guī)律和過程研究，對(duì)比分析生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)修復(fù)黑臭水效果，為生物倍增技術(shù)在黑臭水實(shí)際應(yīng)用提供工程化數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 受試擬合黑臭水

對(duì)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(fā)達(dá)區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)黑臭水中氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度等水質(zhì)參數(shù)調(diào)研，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和匯總分析得到實(shí)驗(yàn)室模擬黑臭水水質(zhì)，如表1所示。以統(tǒng)計(jì)均值為基準(zhǔn)點(diǎn)，試驗(yàn)在接種已有黑臭水和水體沉積物(采樣點(diǎn)120°38'，31°20')基礎(chǔ)上添加可溶淀粉(有機(jī)物，BOD)、NH4Cl(氨氮)和底泥(色度和顆粒物)等物質(zhì)，并以Na2CO3調(diào)節(jié)pH值。實(shí)驗(yàn)室控溫，以滿足受試水樣水質(zhì)與調(diào)研水質(zhì)均值無顯著差異(P<0.05)。

表1 黑臭水水質(zhì)調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析

1.2 試驗(yàn)裝備

1.2.1 人工生態(tài)浮島

生態(tài)浮島主要由浮力層(提供浮力)、隔水層(防止?jié)B水)、生物柵(微生物場(chǎng)所)、重墜(防止生物柵漂浮)和曝氣裝置(提供試驗(yàn)DO)組成。試驗(yàn)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(yǎng)30 d，并放入浮島進(jìn)行黑臭水凈化試驗(yàn)。試驗(yàn)槽長100.0 cm(分進(jìn)水區(qū) 25.0 cm、反應(yīng)區(qū)50.0 cm、出水區(qū)25.0 cm)，寬30.0 cm，深80.0 cm(含超高5.0 cm)，試驗(yàn)槽內(nèi)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(shè))上端固定于長50.0 cm，寬30.0 cm浮力層上，下端設(shè)重墜，使其鉛垂于試驗(yàn)黑臭水中?？刂破貧饬浚股飽胚M(jìn)水DO=(6.0±0.8) mg/L，且按文獻(xiàn)[5-7]黑臭水治理工藝，控制浮島水力停留時(shí)間HRT=8.0 h。

工作時(shí)，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(dòng)曝氣系統(tǒng)，氣泡擾動(dòng)試驗(yàn)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(jīng)生物柵后由出水溢流系統(tǒng)排出，記錄浮島進(jìn)出水水質(zhì)。

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(chǎng)所)、出水堰(清水出水)、沉淀泥斗(顆粒物沉積場(chǎng)所)、分選島(引導(dǎo)氣水混合流，兼顧污泥回流)和曝氣裝置(提供試驗(yàn)DO)組成。試驗(yàn)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(yǎng)30 d，此單元與浮島同時(shí)進(jìn)行黑臭水凈化試驗(yàn)。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(yàn)槽內(nèi)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(shè)角55°安置于生物倍增單元內(nèi)，下端距分選島0.5 cm?？刂破貧?，使單元進(jìn)水DO=(6.1±0.6) mg/L。按文獻(xiàn)[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(shí)間HRT=8.0 h。

工作時(shí)，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(dòng)曝氣系統(tǒng)，氣泡上升擾動(dòng)試驗(yàn)配水并產(chǎn)生氣體，以提升試驗(yàn)配水進(jìn)入分離廊道，同時(shí)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(jīng)沉淀泥斗后由出水堰系統(tǒng)排出，記錄單元進(jìn)出水水質(zhì)。

1.3 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)分析

氨氮、DO、ORP、SD、BOD和色度檢測(cè)分別按水楊酸——次氯酸鹽分光光度法、電化學(xué)法、電極法、鉛字法及稀釋接種法、稀釋倍數(shù)法執(zhí)行，并記錄檢測(cè)數(shù)值。數(shù)據(jù)以Microsoft Excel 365進(jìn)行記錄、計(jì)算和分析，以單邊分析法(ANOVA，IBM SPSS Statistics v25.0 for Windows)對(duì)記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(置信區(qū)間P<0.05)。所記錄、計(jì)算和分析得到數(shù)據(jù)均采用Origin 2020 Pro進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)黑臭水BOD和氨氮治理效果分析比較

有機(jī)物和氮素氧化分解時(shí)快速消耗水中DO，造成水中DO下降，進(jìn)而造成有機(jī)物等在水中缺氧/厭氧分解，使含硫物質(zhì)形成H2S等臭味物質(zhì)[11]。水中有機(jī)污染物濃度較高時(shí)，水體厭氧產(chǎn)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(jìn)出水BOD和氨氮的濃度變化，以便緩解、控制進(jìn)而修復(fù)黑臭水體。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)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(tài)浮島技術(shù)對(duì)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(tài)浮島均可持久去除黑臭水中BOD和氨氮，當(dāng)進(jìn)水BOD為72.1~106.9 mg/L、氨氮為2.38~3.78 mg/L時(shí)，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(tài)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(chǎn)生提升力使水體垂直混合擾動(dòng)的，并借助氣泡上浮進(jìn)行中氧擴(kuò)散，使水體由厭/兼氧狀態(tài)轉(zhuǎn)為有氧狀態(tài)，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(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跎磻?yīng)[3,12]，使得BOD和氨氮與活性污泥在全混合下進(jìn)行好氧生化反應(yīng)。進(jìn)入廊道的混合液在同向流好氧生化反應(yīng)/沉淀時(shí)，因內(nèi)摩擦及廊道側(cè)壁的限制作用而改變了水力學(xué)條件，此區(qū)間內(nèi)水流產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的微漩渦[5,7]，促成混合液中絮狀/小顆粒污泥產(chǎn)生向心自凝聚。同時(shí)因側(cè)板限制使得處于旋流狀態(tài)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(nèi)，混合水樣在壓縮密集的顆粒污泥間隙內(nèi)流動(dòng)，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(yīng)物濃度)促成好氧生化反應(yīng)速率提升[9-10]，進(jìn)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(duì)BOD和氨氮總體的去除率分別達(dá)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(gè)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(jié)核心，形成內(nèi)循環(huán)以減少剩余污泥產(chǎn)出)，并無其他生物或生化過程發(fā)生“突越”，因此整個(gè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)出水水質(zhì)平穩(wěn)(BOD最大差值為2.1 mg/L、氨氮最大差值為0.32 mg/L)。對(duì)于生態(tài)浮島，試驗(yàn)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(jīng)浮島生物柵，雖呈現(xiàn)好氧生化反應(yīng)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(dá)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(nèi)層厭/兼氧產(chǎn)氣而外層為好氧生物膜致密，直接導(dǎo)致因內(nèi)層微生物產(chǎn)生的氣體無法及時(shí)傳輸而形成“氣爆”，導(dǎo)致生物柵上微生物生態(tài)系統(tǒng)破壞(生物或生化過程發(fā)生“突越”)，致使微生物生化——生態(tài)循環(huán)中斷，直接導(dǎo)致出水水質(zhì)變差[13-14]，即每間隔(60±6) d的周期出水BOD均值達(dá)28.6 mg/L、最高達(dá)31.8 mg/L和氨氮均值達(dá)2.09 mg/L、最高達(dá)2.42 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)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(gè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，相較于生態(tài)浮島水質(zhì)波動(dòng)性大，生物倍增單元可更為穩(wěn)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(zhì)也更為穩(wěn)定(P<0.05)。

2.2 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)黑臭水DO和ORP治理效果分析比較

當(dāng)水體處于缺氧/厭氧狀態(tài)時(shí)(DO<2.0 mg/L)，水體有機(jī)污染物降解不完全，甚至將某些物質(zhì)還原成新的污染物(如含硫物質(zhì)形成H2S)，從而造成水體腐敗發(fā)臭[11]。水中ORP直接表征水體還原性狀態(tài)，即氧化還原電位較低(ORP<50 mV)時(shí)，則容易產(chǎn)生水體黑臭現(xiàn)象[7,10]。因此，觀察出水DO和ORP數(shù)值，結(jié)合BOD和氨氮情況，以分析生物倍增單元與生態(tài)浮島處理效率。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)黑臭水DO和ORP治理效果如圖2所示。

圖2 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)黑臭水DO和ORP治理效果

由圖2可知，生物倍增單元與生態(tài)浮島均可持久提升黑臭水出水中DO和ORP，當(dāng)進(jìn)水DO在1.4~2.0 mg/L、ORP在－243~－65 mV時(shí)，生物倍增單元出水DO在3.5~5.8 mg/L、ORP在109~175 mV，生態(tài)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(yàn)配水在外曝氣增加DO后進(jìn)入分離廊道，再由沉淀泥斗和出水堰出水，整個(gè)流動(dòng)過程中只有外曝氣充氧和出水堰復(fù)氧兩個(gè)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(jīng)出水堰跌水方式出水后DO達(dá)到(4.7±0.3) mg/L，可見該組件有效提升了出水DO(跌水?dāng)_動(dòng)和形成氣泡使DO增加21%)。對(duì)于生態(tài)浮島，進(jìn)水經(jīng)曝氣DO=(6.0±0.8) mg/L后，試驗(yàn)配水全程均與大氣接觸，即水中DO不足時(shí)大氣中氧氣可及時(shí)進(jìn)行復(fù)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(tài)浮島前置曝氣和全程復(fù)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(yōu)勢(shì)。再分析ORP指標(biāo)[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(dǎo)致更高的出水ORP數(shù)值(ORP=(142±8) mV)約為生態(tài)浮島出水ORP數(shù)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(fù)任務(wù)。

2.3 生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)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(duì)水體黑臭現(xiàn)象的主觀心理評(píng)價(jià)[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(duì)比生物倍增單元與生態(tài)浮島在實(shí)驗(yàn)室條件下凈化黑臭水能力，以判斷其對(duì)黑臭水透明度和色度的改善情況。生物倍增與生態(tài)浮島技術(shù)對(duì)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(tài)浮島技術(shù)對(duì)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(tài)浮島均可持久改善黑臭水出水透明度和色度，當(dāng)進(jìn)水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時(shí)，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(tài)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(shí)色度相對(duì)較低，反之亦然[4,6]，這一結(jié)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(tài)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(chǎn)生的重力擠壓導(dǎo)致顆粒污泥間隙進(jìn)一步縮小，而試驗(yàn)配水流經(jīng)該間隙時(shí)，借由顆粒污泥多孔表面的吸附性和間隙的篩分性進(jìn)一步去除水中各類溶解態(tài)含色污染物和顆粒態(tài)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(gè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)因無生物膜物剝離和脫落現(xiàn)象，水質(zhì)透明度和色度修復(fù)效率平穩(wěn)(最大差值透明度為7.2 cm、色度為6倍)。反觀生態(tài)浮島，雖整個(gè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)亦可修復(fù)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(jìn)入水中[10,16]，直接表現(xiàn)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(yàn)時(shí)段內(nèi)，生物倍增單元可更為穩(wěn)定高效修復(fù)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(fù)出水水質(zhì)更為穩(wěn)定(P<0.05)。

3 結(jié)論

1)相較生態(tài)浮島，生物倍增單元對(duì)黑臭水BOD和氨氮去除效率更為顯著。進(jìn)水BOD在72.1~106.9 mg/L和氨氮在2.38~3.78 mg/L時(shí)，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(tài)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(tài)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(shù)值得到更為有效改善。進(jìn)水DO在1.4~2.0 mg/L和ORP在－243~－65 mV時(shí)，生物倍增單元出水DO在4.5~6.8 mg/L和ORP在－115~155 mV，生態(tài)浮島出水DO在3.5~5.8 mg/L和ORP在109~175 mV。

3)相較生態(tài)浮島，生物倍增單元對(duì)黑臭水透明度和色度修復(fù)效果更為顯著。在進(jìn)水透明度在21.9~36.9 cm和色度在9~30倍時(shí)，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(tài)浮島出水透明度在34.1~71.6 cm和色度在4~29倍。

4)生態(tài)浮島出水水質(zhì)每間隔(60±6) d均出現(xiàn)周期性惡化，生物倍增單元在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)出水水質(zhì)更為穩(wěn)定，可有效完成黑臭水修復(fù)任務(wù)。