生物載體安裝間距對河湖污染物削減率影響的試驗研究

李泰來，蘇苑君，易春龍

（中工武大設計研究有限公司，武漢430070）

0 引言

河湖作為人類社會賴以生存的載體，在地球的能量和物質的傳輸過程中發揮著十分重要的作用，健康的河流系統是正常發揮其生態功能與社會服務功能的基礎。然而，隨著經濟社會的不斷發展，河湖污染情況愈加嚴重［1，2］。由污染物長期大量富集導致的水體富營養化現象是全球正在面臨的一項重大水環境問題［3，4］。我國水環境問題十分嚴峻，太湖、滇池和巢湖等大型天然湖泊以及武漢東湖、杭州西湖和南京玄武湖等城市景觀湖泊長期以來都遭受著富營養化帶來的系列生態環境問題［5-8］。

隨著《城市黑臭水體整治工作指南》和《水污染防治行動計劃》等水環境法規的頒布，我國水環境治理行業政策從點污染源治理向面源治理轉變［9］，生物-生態修復技術即為一種有效的面源治理措施，其作用機理是依靠生物對污染物的降解同化作用，對低濃度污染物進行富集削減，從而達到改善水質和重建水體生態系統目的［10］。生物載體屬于生物-生態修復技術，置于污染河湖中表面會形成一層生物膜，由高密度的好氧菌、厭氧菌、兼性好氧（厭氧）菌、藻類以及原生動物組成的微觀A/O復合系統［11］，可有效削減水體中的總氮、總磷以及COD，同時可以不受光照、透明度等影響［12］，持續發揮作用，從而大大提高對河湖污染物削減效率，近年來在河湖黑臭、富營養化整治工程中得到廣泛應用［13-16］。

當前在國外尤其是日本，在利用生物載體凈化水體技術方面起步早、發展快，已達到了工程化程度［17］。國內對生物載體的研究和應用還處于起步階段，且大多集中在對高濃度污水處理方面［18，19］，如醫療廢水、化工廢水、生活污水等，而生物載體在污染物濃度相對較低的河湖中的應用研究較少，鮮少見對其在河湖中安裝間距的研究，結合前期河湖用生物載體市場調研情況來看，供應商給出的生物載體安裝間距寬泛且缺乏依據［20］。生物載體的類型和安裝方式在一定程度上決定了微生物的富集量，進而影響到水質處理效果和工程成本，因而選擇合適生物載體和布設間距是該技術成功應用于水環境治理工程的關鍵。本文通過市場上常見的繩狀人工水草、生物簾、碳纖維水草等3 種生物載體對污染物削減效果的試驗研究，對3 種生物載體的安裝間距給出了建議，并結合生物載體市場價格，篩選出性價比最優的生物載體，為河湖水環境治理工程提供數據支撐，對河湖用生物載體選型具有現實意義。

1 試驗設置及測試方法

1.1 實驗設置

為了盡量模擬生物載體在河湖中的應用場景，試驗前采集了疏浚淤泥，試驗用150 L PVC水桶進行試驗，每只PVC桶底鋪15 cm 厚度的疏浚淤泥，然后加相同的模擬污水（為了模擬河湖黑臭及富營養化環境，由模擬生物污水濃縮液稀釋得到，設計COD 為100 mg/L）至120 L，試驗生物載體長度均為50 cm，能完全浸沒入污水中。試驗于2019年8月1日開始在公司頂樓進行，試驗周期15 d，每天加40 mL 模擬生活污水濃縮液，并補充自來水到120 L，水質分析指標包括總氮、總磷、銨態氮、COD。試驗水溫為27～32 ℃，pH為6.5～7.5，溶氧為5～7 mg/L。

模擬生活污水濃縮液配方如表1所示。

表1 模擬生活污水濃縮液配方（1 L）Tab.1 The formula of simulated domestic sewage concentrate（1 L）

表2 痕量元素濃縮液配方表 mg/LTab.2 The formula of trace element concentrate

項目前期通過生物載體供應商的得到建議安裝間距，分別為繩狀人工水草15 cm，生物簾30 cm，碳纖維水草20 cm。120 L 刻度線處桶口直徑為60 cm，在此基礎上，對3 種生物載體分別增加一個低間距工況條件和一個高間距工況條件，空白對照為相同的試驗條件下，不布置任何生物載體。具體布置情況如圖1所示。

圖1 試驗生物載體布置Fig.1 The biological carriers arrangement

（1）繩狀人工水草不同安裝間距。分別設置間距為30 cm（4條）、15 cm（9條）、10 cm（16條）3個處理組，如圖2所示。

圖2 繩狀人工水草處理組（單位：mm）Fig.2 The treatment of rope artificial water plants

（2）生物簾不同安裝間距。分別設置間距為60 cm（1 片）、30 cm（2片）、15 cm（3片）3個處理組，如圖3所示。

圖3 生物簾處理組（單位：mm）Fig.3 The treatment of biological curtains

（3）碳纖維水草不同安裝間距。分別設置間距為30 cm（2條）、20 cm（4條）、15 cm（6條）3個處理組，如圖4所示。

圖4 碳纖維水草處理組（單位：mm）Fig.4 The treatment of carbon fiber water plants

1.2 測試方法

試驗主要檢測項目、分析方法及所用儀器見表3，各項水質指標采用《水和廢水監測分析方法》［21］（第4 版）標準測試方法進行測定。

2 結果分析

2.1 生物載體安裝間距對比研究

表4～表7 中，用實測污染物濃度換算得到階段污染物削減率，削減率越大說明生物載體對污染物的去除效果越好，其基本公式是：

式中：第n天到第（n+2）天污染物削減率為Tn～（n+2），第n天污染物濃度Cn。

2.1.1 不同安裝間距生物載體對總氮削減率的影響

從表4 可以看出，各生物載體處理組對總氮的削減率明顯高于空白組，各生物載體處理組隨時間段的推移，對總氮削減率呈現出先增大后減小的趨勢，其中在T10～12時間段對總氮的削減率達最大。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對總氮的削減率越來越大；隨著生物簾安裝間距的減小，其對總氮的削減率越來越小；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對總氮的削減率不斷增大。

表4 不同安裝間距生物載體處理組對總氮的削減率Tab.4 Reduction rate of total nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.2 不同安裝間距生物載體對總磷削減率的影響

從表5 可以看出，各生物載體處理組對總磷的削減率明顯高于空白組，但生物載體處理組對總磷的削減率不及對總氮的明顯，隨著時間段的推移，各生物載體處理組對總磷的削減率呈現出先增大后減小的趨勢，在T4～6、T7～9、T10～12這3 個階段對總磷的削減率較高且較穩定，其次是T13～15階段，說明T4～12階段微生物進入相對穩定生長階段，而在T13～15階段微生物進入衰亡期。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對總磷的削減率先增大后減小，15 cm 間距處理組對總磷的削減率最大，其次是10 cm 間距處理組，再次是30 cm 間距處理組；隨著生物簾安裝間距的減小，其對總磷的削減率越來越大；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對總磷的削減率不斷增大。

表5 不同安裝間距生物載體處理組對總磷的削減率Tab.5 Reduction rate of total phosphorus on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.3 不同安裝間距生物載體對銨態氮削減率的影響

從表6 可以看出，各生物載體處理組對銨態氮的削減率明顯高于空白組，隨著試驗階段的推移，各生物載體處理組對銨態氮的削減率呈現出先增大后減小的趨勢，在T10～12階段對銨態氮的削減率最大，在T13～15階段略有降低，說明微生物從T13～15階段開始進入衰亡期。觀察全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對銨態氮的削減率不斷增大；隨著生物簾安裝間距的減小，其對銨態氮的削減率先減小后增大，60 cm間距處理組對銨態氮的削減率最大，其次是15 cm 間距處理組，再次是30 cm 間距處理組；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對銨態氮的削減率先增大后減小，20 cm 間距處理對銨態氮的削減率最大，其次是30 cm 間距處理組，再次是15 cm 間距處理組。

表6 不同安裝間距生物載體處理組對銨態氮的削減率Tab.6 Reduction rate of ammonium nitrogen on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.4 不同安裝間距生物載體對COD削減率的影響

從表7 可以看出，各生物載體處理組對COD 的削減率明顯高于空白組，隨著試驗階段的推移，各生物載體處理組對COD的削減率呈現出先增大后減小的趨勢，在T7～9、T10～12階段、T13～15階段對COD的削減率相對其他階段大且穩定，其中在T10～12階段對COD 的削減率最大。觀察各生物載體全過程平均削減率，可知隨著繩狀人工水草安裝間距的減少，其對COD 的削減率不斷減小；隨著生物簾安裝間距的減小，其對COD 的削減率不斷減小；隨著碳纖維安裝間距的減小，其對COD 的削減率不斷增大。

表7 不同安裝間距生物載體處理組對COD的削減率Tab.7 Reduction rate of COD on biological carrier treatments with different installation spacing

2.1.5 生物載體安裝間距建議

從表8可以看出，繩狀人工水草安裝間距越小，其對污染物的綜合削減效果越好，10 和15 cm 處理組對污染物的削減效果差異不明顯，建議安裝間距為10～15 cm；生物簾安裝間距越大，其對污染物的綜合削減效果越來越好，30 和15 cm 處理組對污染物的削減效果差異不明顯，60 cm 處理組對污染物的削減效果明顯好于其他兩個處理組，建議安裝間距為60 cm 左右；隨著碳纖維水草安裝間距的減小，其對污染物的削減效果越來越好，建議安裝間距為15～20 cm。

表8 同類生物載體間對污染物的削減率排名Tab.8 Ranking of pollutant reduction rates among similar biological carriers

2.2 生物載體對營養鹽去除性價比分析

試驗中營養鹽主要為總氮、總磷。根據市場調研，所用繩狀人工水草3.4 元/根，生物簾8.75 元/片，碳纖維水草15 元/根。在此基礎上計算生物載體性價比的方式為：

從表9 可以看出，60 cm 間距生物簾的性價比最高，其次是30 cm 間距繩狀人工水草，再次是30 cm 間距生物簾處理組。從生物載體類別來看，生物簾性價比最高，其中以60 cm 間距處理組性價比最高；其次是繩狀人工水草，其中以30 cm 間距處理組性價比最高；碳纖維水草的性價比最低，其中以30 cm 間距處理組性價比最高。

表9 生物載體性價比計算表Tab.9 Biological carrier cost-effectiveness calculation table

3 小結與討論

隨著試驗階段的推移，各生物載體處理組對污染物的削減率呈現出先增大后減小的趨勢，在中間階段對污染物的削減率最大，其次是最后階段，再次是初始階段，這與微生物的生長期-穩定期-衰亡期的代謝規律相符合［22］。隨著生物載體安裝間距的減小，繩狀人工水草和碳纖維水草均呈現出對污染物削減率越來越大的趨勢，繩狀人工水草為10 cm 間距處理組時，其對污染物的綜合削減率最大，此時對總氮、總磷、銨態氮、COD的平均削減率分別為0.44、0.32、0.38、0.44；碳纖維水草為15 cm間距處理組時，其對污染物的綜合削減率最大，此時對總氮、總磷、銨態氮、COD 的平均削減率分別為0.44、0.35、0.35、0.52；生物簾則表現出相反的趨勢，安裝間距越大，對污染物的削減率越大，在60 cm 間距處對污染物的削減率最大，此時對總氮、總磷、銨態氮、COD 的平均削減率分別為0.42、0.35、0.42、0.52。分析原因，在單位水域空間里，隨著生物載體密度的增大，其表面形成的生物膜中微生物的密度也相應增大，使得微生物的新陳代謝作用增強，水中有機污染物被削減的速率由此加快［23，24］；而試驗用的生物簾本身纖維已經很密，在有限的水域面積內，還需要考慮生物載體掛膜的適宜條件，過密的結構影響了溶氧和溶質的傳質性能，反而不利于微生物掛膜，進而影響微生物對污染物的削減效果［25］。通過試驗研究，建議繩狀人工水草的安裝間距為10～15 cm，生物簾的安裝間距為60 cm左右，碳纖維水草的安裝間距為15～20 cm。

考慮試驗周期內各生物載體處理組對營養鹽的平均削減率和生物載體總價，計算得到各生物載體處理組性價比，可知生物簾性價比最高，其次是繩狀人工水草，再次是碳纖維水草的性價比，其中60 cm 間距生物簾的性價比最高，30 cm 間距繩狀人工水草次之。

本試驗繩狀人工水草和生物簾材質為滌綸，碳纖維水草材質為聚丙烯腈基碳纖維，市場上生物載體種類、材質及安裝間距有一定差別，但是同類生物載體安裝方式和安裝間距相近，故本試驗研究成果對工程有一定的借鑒和參考意義。針對具體水環境治理工程，生物載體不同，還需要進行相應的試驗研究，確定目標水體最適生物載體安裝間距，以達到降低工程投資和為工程增值的目的。□