基于磁絮凝+碳纖維水草耦合納米曝氣技術的黑臭水體修復研究

張 彪

(北京環域生態環保技術有限公司，北京 100012)

1 引言

黑臭水體反彈一直是我國水環境治理進程中的難題，嚴重影響生態環境與城市發展。由于黑臭水體形成原因相對復雜，單一的治理技術很難實現黑臭水體的徹底消除，因此黑臭水體治理程中經常出現黑臭水體反彈的現象，這主要是因為沒有對黑臭水體成因進行分析，僅采用單一的技術與工程治理黑臭水體，最終導致水體治理過程中黑臭水體反彈。所以黑臭水體治理不僅要著眼于當下的處理效果，也要根據黑臭水體形成機理、水體污染物濃度、水動力條件以及現場環境選擇合適的治理技術，制訂科學的治理方案，從而實現長效目標[1～4]。因此如何采用優選的技術組合實現快速消除水體黑臭改善水生態環境，防止黑臭水體治理后的反彈成為水環境治理工程中的一大難題和水生態修復研究的重要方向，其中原位生態修復技術因為其無二次污染、長效治理的優點而成為國內外黑臭水體治理研究的熱點。

碳纖維生態基具有比表面積大、吸附性強、微生物親和性高等特點，被廣泛應用于黑臭水體治理、河道以及景觀水體治理等方面[5]。索幫成等[6]對碳纖維生態基在湖泊水環境水體原位修復中的應用前景進行了闡述；林佩斌等[7]從不同方向闡述了碳纖維水草在水處理應用中的優勢，同時對碳纖維研究方向進行了分析；陳靜波[8]研究表明碳纖維水草對COD、總磷和氨氮具有顯著去除效果；譚小川等[9]認為碳纖維水草可以使水質快速好轉，其高孔隙特征與吸附性能可快速去除黑臭；梁益聰等[10]、余恒等[11]研究發現碳纖維水草能夠有效去除黑臭水體的COD、氨氮、總磷和濁度；張博[12]等研究發現碳素纖維掛膜效率高，可以有效去除初期雨水中的COD、氨氮、TP、TN和高錳酸鹽指數；齊玉鵬[13]等研究發現微納米曝氣結合碳纖維浮床相對于普通曝氣結合碳纖維浮床具有更好的污染物去除效果。

本研究是在底泥改良切斷內源污染的基礎上采用混凝異位處理+碳纖維水草耦合納米曝氣原位處理技術提出的一種黑臭水體修復工藝，希望為黑臭水體治理提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

本實驗中所采用的碳纖維水草是采購自杭州梓景環保科技有限公司的束狀碳纖維水草，如圖1所示。

圖1 碳纖維水草

2.2 實驗用水

為考察磁絮凝+碳纖維水草耦合納米曝氣技術對黑臭水體的治理效果。本實驗所用實驗水體取自某封閉黑臭水體，該黑臭水體的水體流動性差，受污染嚴重，水質較差，水體發黑發臭，是典型的黑臭水體。實驗水體水質如表1所示。

表1 實驗水體水質

2.3 實驗裝置與步驟

本實驗模擬反應器采用4組完全相同的模擬反應器進行實驗，分別為對照組、實驗組1、實驗組2和實驗組3，每組反應器分別由兩個高70 cm，容積為70 L的PVC水桶組成。其中第1個水桶采用磁絮凝技術模擬黑臭水體的旁路治理，向桶中加入約65 L的黑臭水體，然后向其中加入PAC、PAM和一定量的磁粉，黑臭水體經過磁絮凝處理后，排入第2個水桶；第2個水桶模擬自然水體，為充分模擬自然水體，各組水桶中分別鋪設厚約5 cm的底泥，待磁絮凝處理水體排入后，總體積約65 L。4組模擬裝置設計如下。

(1)對照組：黑臭水體模擬桶只鋪設經過底泥改良劑改良后的底泥，不設置碳纖維水草和曝氣裝置。

(2)實驗組1：黑臭水體模擬桶除鋪設經過底泥改良劑改良后的底泥外，放入3根碳纖維水草，不設置曝氣裝置。

(3)實驗組2：黑臭水體模擬桶除鋪設經過底泥改良劑改良后的底泥外，放入3根碳纖維水草，同時設置納米曝氣裝置。

(4)實驗組3：臭水體模擬桶除鋪設經過底泥改良劑改良后的底泥外，設置納米曝氣裝置，但不設置碳纖維水草

本實驗采用的納米曝氣裝置功率為0.55 kW納米曝氣機。實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意

2.4 實驗方法

試驗檢測項目包括透明度、氨氮、COD、總磷，檢測方法如表2所示。

表2 分析項目及方法

3 結果與討論

3.1 磁絮凝對黑臭水體處理效果

磁絮凝技術是結合了傳統絮凝技術和磁分離技術的優點，在傳統絮凝工藝中加入磁性粒子，可以將污染物快速從水中分離，從而縮短處理時間，磁絮凝技術已經被證明是一種有效的強化絮凝技術，可以快速、有效去除水體中的污染物[14，15]。本實驗采用的磁種粒徑為45～75 μm，投加量為300 mg/L，混凝劑采用PAC(30 mg/L)，助凝劑為PAM(1.5 mg/L)，處理時間30 min，從表3中可以看出：實驗水體經磁絮凝處理后，對SS、COD、氨氮和TP的去除率分別為71.8%、52.4%、20.5%和66.2%。實驗結果表明磁絮凝可以快速、有效去除黑臭水體中的COD、SS以及TP等污染物，同時對氨氮也有一定去除效果，表明磁絮凝技術處理黑臭水體具有一定的效果，作為黑臭水體應急治理滿足技術要求，但是單獨使用無法徹底消除黑臭水體，應配合其他技術共同使用。

表3 磁絮凝對黑臭水處理效果 mg/L

3.2 碳纖維水草掛膜效果

3.2.1 碳纖維水草掛膜表觀變化

碳纖維人工水草因其具有比表面積大、吸附性強、微生物親和性高等特點，可以有效吸附水體中的有機物，同時為水體中的微生物提供強力的附著位點，為實現碳纖維人工水草快速掛膜奠定基礎。在試驗過程中，碳纖維人工水草布設完成的2 d，即可觀察碳纖維人工水草表面具有黃褐色絮狀物生成，表明微生物已經開始在碳纖維生態基表面附著生長。實驗開始后第3 d，水體透明度具有一定的增長，其中第三組水體透明度優于第二組。實驗進行至第5 d，第三組生態基上的黃褐色絮狀物明顯增多，水體由原來的黑色變為黃綠色，表明水體中的黑臭物質被逐漸氧化分解。而第1組經過磁懸浮后，除水體中懸浮物具有一定降低外，水體仍然黑臭。實驗進行至第10 d，第三組碳纖維生態基完全被黃褐色生物膜覆蓋。

實驗過程中通過對生物膜進行鏡檢，發現碳纖維生態基上附著有大量的菌膠團，菌膠團可以提高微生物膜對水體中污染物的去除效果。同時在鏡檢過程中還發現在菌膠團附近存在輪蟲，具有水質改善指示效果，表明在合適條件下碳纖維人工水草對水體具有較好處理效果。除原生動物外，還發現了少量的水蚤等后生動物，表明碳纖維生態基表面形成了微型生態系統，有利于水質凈化(圖4)。

圖4 生物膜顯微照片

3.2.2 碳纖維水草掛膜生物量變化

生物膜量與黑臭水體污染物去除效果有直接關系，本實驗對碳纖維生物膜生物量進行了測定。實驗過程中分別在第5 d、第 10 d、第15 d和第20 d，取一定量的碳纖維生態基和微生物膜的混合物，將碳纖維微生態基和生物膜進行分離，在105 ℃條件下分別烘干至恒重，其中碳纖維生態基重M1，微生物膜重M2。微生物膜生物量計算公式如下：

碳纖維生態基微生物膜的生物量的測定結果見表4。

表4 生物膜量變化

從表4中可以看出：隨著時間的延長，兩組微生物膜的生物量表現出先升—后降的趨勢，表明微生物膜經歷了生長、成熟、脫落的過程，基本上在第15 d左右達到成熟，結合鏡檢發現的菌膠團、原生動物和水蚤等后生動物，表明碳纖維生態基微生物膜成熟后形成了可循環的微生態系統，避免了微生物膜脫落后水質惡化，有效提高了水質凈化效果。

3.3 納米曝氣耦合碳纖維水草對污染物去除效果

3.3.1 水體透明度變化

從圖5可以看出，實驗組和對照組透明度變化差距顯著，其中對照組透明度變化不明顯，實驗組1、實驗組2和實驗組3最終水體透明度分別達到42 cm、48 cm和43 cm，碳纖維水草耦合納米曝氣對水體透明度改善效果最優。通過實驗組1、2、3對比，發現實驗組2和實驗組3水體透明度改善速率明顯優于實驗組1，分析原因主要是因為實驗水體經過磁絮凝處理后，水體中的懸浮物大部分已經被去除，影響水體透明度的主要因素是水體中的硫化亞鐵及硫化錳等發黑物質，實驗組2和實驗組3通過納米曝氣處理，可以有效提高水體中的溶解氧，同時納米曝氣可以產生一定量的羥基自由基，可以快速將硫化鐵、硫化錳氧化，提高水體透明度；實驗組1只設置了碳纖維生態基，前期碳纖維對水體中的懸浮物吸附達到飽和后，水體中的黑臭物質主要是通過微生物生長代謝去除，改善速率與生物膜的生長有關系，但最終也能達到消除黑臭的效果。

圖5 透明度變化曲線

3.3.2 COD的去除效果

從圖6可以看出，實驗組1、2、3對COD的去除效果明顯高于對照組，其中對照組COD去除率為25%，實驗組1、2、3的COD去除率分別為60%、88%和63%，其中實驗組2的COD去除率明顯高于實驗組1和實驗組3，主要是由于除生物膜對有機物降解外，納米曝氣可以有效提高水體溶解氧強化生物膜對有機物的去除效果，并伴隨產生少量的羥基自由基，可以去除水體中的硫化鐵以及硫化錳等還原性物質，去除水體中的COD，因此碳纖維人工水草耦合納米曝氣技術組合對COD的去除效果優于單獨使用碳纖維人工水草或納米曝氣。在實驗過程中實驗組1和實驗組2水體COD在一段時間內呈下降—上升—再下降的趨勢，通過分析發現COD曲線變化趨勢與生物膜生物量變化相似，符合生物膜生長—成熟—脫落的規律對污染物去除效果的影響，進一步對比發現實驗組2變化趨勢明顯低于實驗組1，分析原因可能是納米曝氣具有較好的氣浮效果，試驗組2生物膜脫落后被納米氣泡附著，漂浮于水體表面造成。

圖6 COD變化曲線

3.3.3 氨氮的去除效果

氨氮是評價水體黑臭程度的重要指標。從圖7可以看出：對照組經底泥改良后氨氮濃度降低12%，實驗組1、2、3對氨氮均由較好的去除效果，對氨氮的去除率分別為42%、97%和65%，由此可知納米曝氣耦合碳纖維水草技術組合對黑臭水體氨氮去除具有良好的處理效果。水體中的溶解氧是生物除氨氮的重要先決條件，提高溶解氧濃度可提高載體生物膜工藝對氨氮的去除效果[16]，通過對比實驗組1和實驗組3可以發現，單獨使用納米曝氣相對于單獨使用碳纖維水草對黑臭水體除氨氮具有更好的處理效果，也證明了這一觀點。氨氮的變化曲線在第21 d出現了一定的波動性，這與生物膜的生長—成熟—脫落的規律相對應。

3.3.4 總磷的去除效果

從圖8中可以看出：對照組和實驗組1、2、3對TP均有去除效果，總磷去除率分別為27.3%，50.95%、68.61%和47.94%，實驗組2即采用碳纖維水草耦合納米曝氣技術對黑臭水體中的TP去除效果顯著優于實驗組1和實驗組3即分別單獨使用碳纖維水草和納米曝氣技術；其中對照組對TP的去除主要是由于沉降作用和水體中微生物的生長、代謝對水體中的TP起到了去除作用。實驗組1和實驗組2的TP變化曲線在第19、第21 d出現了一定的波動性，這符合生物膜的生長—成熟—脫落的規律。

圖7 氨氮變化曲線

圖8 TP變化曲線

4 結論

(1)黑臭水體底泥經過改良后可以有效抑制底泥污染物向水體釋放，切斷內源污染，避免黑臭水體治理完成后的二次污染，防止黑臭反復。

(2)磁絮凝技術對黑臭水體的SS、COD、氨氮和TP的去除率分別為71.8%、52.4%、20.5%和66.2%，磁絮凝技術可以快速、高效去除黑臭水體中的污染物，用于黑臭水體的應急治理或黑臭水體治理過程中其他治理的前處理措施。

(3)碳纖維水草耦合納米曝氣技術修復黑臭水體效果最佳，水體透明度由15 cm上升至48 cm，對COD、氨氮、TP的去除率分別達到88%、97%和68.6%，同時碳纖維水草耦合納米曝氣可以改善水體微生態環境，形成良性循環，持續改善黑臭水體，凈化水質。

(4)磁絮凝旁路治理+碳纖維水草耦合納米曝氣技術能夠實現黑臭水體快速治理以及從微生態環境層面改善黑臭水體，持續凈化水質，配合底泥改良避免底泥內源污染物釋放造成的二次污染，實現黑臭水體的綜合治理，長治久清。