碳素纖維草對小型封閉水體水質(zhì)凈化作用

成 豪

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

隨著我國國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程不斷推進，水環(huán)境問題逐漸凸顯，造成城市水體黑臭問題的主要原因有水體缺氧、富營養(yǎng)化、底質(zhì)污染、水循環(huán)不暢、人類過度排污等[1]。針對城市中較為常見的小型封閉水體，微生物強化凈化技術(shù)有較強的適用性[2]。微生物強化凈化技術(shù)包括投菌技術(shù)、生物促生技術(shù)、生物膜技術(shù)等。生物膜技術(shù)因其占地小、效率高、耗時短等優(yōu)勢被廣泛采用[3]。近年來隨著黑臭水體治理[4]被納入國家《水污染防治行動計劃》，生態(tài)草技術(shù)作為一種新興的生物膜技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。生態(tài)草因其形態(tài)與水草相仿而得名，其材質(zhì)具有耐性高、柔性好、對環(huán)境友好、比表面積大等特點。本文就碳素纖維生態(tài)草在小型封閉水體中的應(yīng)用進行試驗和并分析其凈化效果。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水采自重慶市主城區(qū)某小型封閉湖泊，水樣水質(zhì)：ρ(DO)=10．58 mg/L，pH=9．18，ρ(CODMn)=14．90 mg/L， ρ(TN)=0．85 mg/L，ρ(TP)=0．06 mg/L，水溫 30．6℃。

1.2 試驗方法

試驗場所設(shè)在通風的陽光房內(nèi)，試驗時間為7—8月，共計40 d。試驗裝置主體為有機玻璃材質(zhì)容器，容積約4．5 L，采用錫紙將容器側(cè)壁圍實，使其更符合天然水體特征。碳素纖維生態(tài)草比表面積約2000m2/g，單根尺寸為65cm×40cm，由大量直徑約7 μm的碳素纖維絲組成，浸沒于容器內(nèi)水樣中，設(shè)置密度約每升水樣4 g碳素纖維，每隔5 d定期測定容器內(nèi)中間水層水質(zhì)，并鏡檢生態(tài)草表面掛膜情況。

1.3 測定指標及方法

DO、ORP、T：帶DO和 ORP探頭的哈希 HQ40d便攜檢測儀;CODMn：酸性法;TN：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法;TP：鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜情況

試驗開始前生態(tài)草在顯微鏡下呈光滑黑色條帶狀;約5 d后生態(tài)草局部出現(xiàn)黏液狀生物膜，微生物開始附著生長;約10 d后生態(tài)草表面出現(xiàn)大量且種類較多的附著生長微生物。

從生態(tài)草表面形成的生物膜中檢出多種藻類及浮游動物，如硅藻、累枝蟲、鐘蟲、輪蟲和線蟲等。試驗中后期輪蟲的出現(xiàn)是水體處在寡污帶的標志[5]，表明水質(zhì)逐漸向好。此外在所取樣品中還發(fā)現(xiàn)了一些孑孓。

2.2 DO質(zhì)量濃度變化情況

DO質(zhì)量濃度總體呈現(xiàn)出先降低而后緩慢增加直至穩(wěn)定的變化過程(圖1)。初期DO質(zhì)量濃度降低是由于試驗場所較之室外光照強度、溫度等環(huán)境因素發(fā)生改變，水樣中藻類等微生物對新環(huán)境存在適應(yīng)期。DO質(zhì)量濃度在5 d左右降到最低值，處于劣Ⅴ類(＜2 mg/L)水平。后隨著生態(tài)草表面生物膜形成，藻類的光合作用和微生物的呼吸作用逐漸達到動態(tài)平衡，DO質(zhì)量濃度在30 d左右趨于穩(wěn)定，達到地表水Ⅳ類標準。

圖1 DO質(zhì)量濃度變化情況

2.3 CODMn質(zhì)量濃度變化情況

如圖2所示，CODMn質(zhì)量濃度在0～15 d期間出現(xiàn)驟降，其原因是發(fā)生了“初期吸附去除”現(xiàn)象。碳素纖維生態(tài)草具有很大的比表面積，對水中的有機物具有很強的吸附性。有資料顯示，疏水性的碳纖維絲遇水散開后比表面積可達2 000 m2/g[5]。此后，CODMn質(zhì)量濃度先升后降，波峰出現(xiàn)在25 d左右，與生物膜世代更替、部分老化脫落有關(guān)。有研究表明，藻類死亡后的生物殘體分解會產(chǎn)生腐殖酸類和臭味物質(zhì)，適宜條件下可能引發(fā)水體黑臭及藻源性湖泛[6]。除采取及時清除死亡藻類等措施外[7]，通過微型后生動物等的吞噬作用可大大降低水體中死亡藻類殘體數(shù)量[8]，因此應(yīng)采取有效措施維持水生態(tài)系統(tǒng)的完整與健康。試驗進行至40 d，CODMn去除率達71%，水質(zhì)從Ⅴ類改善為Ⅲ類。

2.4 TN質(zhì)量濃度變化情況

圖2 CODMn質(zhì)量濃度變化情況

如圖3所示，試驗過程中TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先升后降再上升的波動態(tài)勢。5 d左右出現(xiàn)峰值是由于生態(tài)草表面正在形成中的生物膜尚未達到造成“好氧+缺氧”微環(huán)境的厚度，反硝化作用受阻;到10d左右生物膜厚度增加，能夠同時在外層發(fā)生硝化反應(yīng)，在內(nèi)層發(fā)生反硝化反應(yīng)，TN質(zhì)量濃度降低。15 d以后，隨著可利用的碳源減少，硝化和反硝化作用放緩，TN質(zhì)量濃度有所回升。整個過程中TN質(zhì)量濃度大部分時間維持在Ⅲ類標準范圍內(nèi)，40 d時TN去除率為5．9%。

圖3 TN質(zhì)量濃度變化情況

2.5 TP質(zhì)量濃度變化情況

如圖4所示，試驗期間水樣TP質(zhì)量濃度略有增加，其原因是多方面的。由于孑孓等生物存在生物擾動現(xiàn)象[9]，被吸附或沉積的物質(zhì)易重新回到水中;此外，生物除磷要求碳、氮、磷含量最適比值為46∶8∶1[10]，試驗水樣水質(zhì)并不滿足該比例要求;同時，較高的DO質(zhì)量濃度一定程度上促進了氨氮硝化[11]，反硝化對碳源的消耗增大，聚磷菌可獲取用于釋磷的碳源減少，除磷效果下降。有研究表明，為取得較好的生物除磷效果，厭氧區(qū)和好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度應(yīng)分別為小于0．2 mg/L和1．5～2 mg/L[12]。整個試驗過程中TP質(zhì)量濃度雖有所增加，但水質(zhì)均未劣于Ⅳ類標準。

3 結(jié) 論

a.試驗所用碳素纖維生態(tài)草利于微生物附著生長，掛膜時間較短，生物膜形態(tài)較好。

圖4 TP質(zhì)量濃度變化情況

b.試驗期內(nèi)，CODMn的去除率達71%;TN去除率為5．9%，TN質(zhì)量濃度基本維持在Ⅲ類水標準范圍內(nèi);TP無明顯去除效果，但均未劣于Ⅳ類標準。碳素纖維生態(tài)草對存在富營養(yǎng)化趨勢的小型天然封閉水體具有一定的凈化作用，可有效延緩水體的富營養(yǎng)化進程。

c.較之人工增氧、清水補給、旁路治理等黑臭水體治理技術(shù)，碳素纖維生態(tài)草具有環(huán)境友好、見效快、建設(shè)成本低及運營管理費用低等獨特優(yōu)勢，相關(guān)研究及應(yīng)用將有助于我國地表水環(huán)境整治及修復(fù)工作的有效推進。