“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝治理農(nóng)村黑臭水體試驗(yàn)研究

摘要：采用“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝對(duì)農(nóng)村黑臭水體治理進(jìn)行研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)治理試驗(yàn)，結(jié)果表明“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝對(duì)水體中總氮、氨氮、總磷和BOD5等具有明顯去除效果，最佳工藝條件為20%綠狐尾藻覆蓋率，采用該工藝治理黑臭水體45～75d后，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南（試行）》要求，治理效果理想。

關(guān)鍵詞：人工曝氣；綠狐尾藻；黑臭水體；農(nóng)村；治理

農(nóng)村黑臭水體主要由農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)徑流長(zhǎng)期排放形成，具有高濃度有機(jī)污染物、氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和低溶解氧等特點(diǎn)[1]。目前，農(nóng)村黑臭水體的治理方法主要有物理法、化學(xué)法和生態(tài)法[2]。物理法和化學(xué)法存在治理效果不穩(wěn)定、成本高、產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題，而生態(tài)法則是利用水生植物和微生物的自然凈化能力治理黑臭水體，具有成本低、無(wú)二次污染、長(zhǎng)期有效、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，為常用治理方法[3]。

人工曝氣技術(shù)可通過(guò)向水體中引入氧氣，增加水體溶解氧含量，從而促進(jìn)好氧微生物生長(zhǎng)和有機(jī)污染物分解，減輕水體黑臭現(xiàn)象[4]。綠狐尾藻是一種水生植物，具有快速生長(zhǎng)特性和強(qiáng)大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收能力，其莖葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可為水體中微生物提供理想棲息地，能促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解，為生態(tài)法治理農(nóng)村黑臭水體的理想植物[5]。本文采用“人工曝氣+綠狐尾藻”組合工藝，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究該工藝對(duì)農(nóng)村黑臭水體的治理效果。

1 試驗(yàn)地黑臭水體概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地為貴州省黔西南州某農(nóng)村地區(qū)一個(gè)典型黑臭水體坑塘，面積2000m2，水深0.9m。受周邊養(yǎng)豬場(chǎng)廢水排放影響，該坑塘水體呈明顯黑臭現(xiàn)象，黑臭水體的氨氮濃度為36.21mg/L，溶解氧濃度為0.35mg/L，透明度為15cm，符合《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南（試行）》表 1 中黑臭水體認(rèn)定。

2 研究方法

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)方法

在模擬實(shí)驗(yàn)階段，設(shè)置綠狐尾藻不同覆蓋率處理組，結(jié)合人工曝氣技術(shù)，研究各處理組對(duì)水質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)包括5個(gè)步驟，即①選擇長(zhǎng)×寬×高=3m×1m×0.9m的水槽為實(shí)驗(yàn)容器，注入模擬黑臭水體；②將預(yù)先培養(yǎng)的不同覆蓋率綠狐尾藻均勻分布于各水槽中，保證綠狐尾藻生長(zhǎng)條件一致；③曝氣裝置放置在水槽底部，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后實(shí)施人工曝氣，曝氣強(qiáng)度和頻率保持一致；④實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行初始測(cè)定，測(cè)定水槽中初始水質(zhì)的總氮、氨氮、總磷、BOD5參數(shù)；⑤實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，每隔15d對(duì)各處理組水槽中水質(zhì)總氮、氨氮、總磷、BOD5指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，對(duì)試驗(yàn)地黑臭水體坑塘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，研究“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝的實(shí)際治理效果。試驗(yàn)包括3個(gè)步驟，即①在黑臭水體坑塘內(nèi)布設(shè)1000m2試驗(yàn)區(qū)，安裝人工曝氣設(shè)備；②按綠狐尾藻20%覆蓋率設(shè)置一定面積人工浮島，投入綠狐尾藻；③設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)，間隔30d取樣，檢測(cè)水質(zhì)總氮、氨氮、溶解氧、透明度指標(biāo)。

2.3 測(cè)定方法

采用紫外分光光度法測(cè)定總氮、氨氮和總磷濃度；依據(jù)《水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定 稀釋與接種法》（HJ 505-2009）測(cè)定BOD5指標(biāo)；使用便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定溶解氧含量；使用濁度計(jì)測(cè)定水體透明度。

3 綠狐尾藻不同覆蓋率對(duì)黑臭水體的治理效果影響

設(shè)置綠狐尾藻覆蓋率分別為20%（投加量0.45kg）、40%（投加量0.90kg）、60%（投加量1.35kg）、80%（投加量1.80kg）的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組和覆蓋率為0%（投加量0kg）的1個(gè)空白對(duì)照組進(jìn)行治理實(shí)驗(yàn)，考察各組對(duì)黑臭水體的治理效果影響。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，每隔15d采樣監(jiān)測(cè)各組水體的總氮、氨氮、總磷、BOD5等水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如圖1所示。可見(jiàn)除綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對(duì)照組以外，其他不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的每隔15d時(shí)間的采樣監(jiān)測(cè)中，水質(zhì)總氮、氨氮、總磷、BOD5指標(biāo)隨處理時(shí)間的增加表現(xiàn)出大致相似的變化規(guī)律，但不同覆蓋率下的各指標(biāo)變化幅度和過(guò)程有一定差別。

3.1 綠狐尾藻不同覆蓋率對(duì)總氮的去除效果影響

由圖1a可知，0～45d時(shí)間內(nèi)，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總氮濃度變化幅度不同，其中覆蓋率為40%、60%、80%實(shí)驗(yàn)組的總氮去除速度基本一致，且高于覆蓋率為20%實(shí)驗(yàn)組的總氮去除速度，可見(jiàn)在40%～80%覆蓋率范圍內(nèi)，綠狐尾藻對(duì)總氮的去除效果顯著且穩(wěn)定，表明在此覆蓋率范圍內(nèi)，綠狐尾藻能夠形成足夠生物量并提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)總氮的高效去除；45d后，20%、40%、60%、80%綠狐尾藻覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總氮去除速度全部達(dá)到穩(wěn)定水平，總氮濃度保持在1.8mg/L左右，表明在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的治理后，綠狐尾藻及其所支持的微生物群落已達(dá)成生態(tài)平衡，能夠持續(xù)穩(wěn)定地去除總氮。經(jīng)對(duì)比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對(duì)照組水體總氮去除率為59.70%，4個(gè)不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總氮去除率達(dá)98.00%左右，采用綠狐尾藻可提高總氮去除率約38.30%。

采用綠狐尾藻處理黑臭水體能夠顯著提高總氮去除率，主要原因有3點(diǎn)。一是綠狐尾藻通過(guò)根系直接吸收黑臭水體中總氮，顯著降低水體中的總氮濃度；二是綠狐尾藻根系為微生物提供了附著和生長(zhǎng)環(huán)境，微生物能夠通過(guò)氮循環(huán)過(guò)程降解和轉(zhuǎn)化黑臭水體中的氮化合物；三是綠狐尾藻通過(guò)光合作用釋放氧氣，提升黑臭水體中的溶解氧水平，促進(jìn)好氧微生物的活動(dòng)，加速有機(jī)氮的降解和無(wú)機(jī)氮的轉(zhuǎn)化。

3.2 綠狐尾藻不同覆蓋率對(duì)氨氮的去除效果影響

由圖1b可知，0～30d時(shí)間內(nèi)，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體氨氮濃度變化幅度不同，其中覆蓋率為40%、60%、80%實(shí)驗(yàn)組的氨氮去除速度基本一致，且高于覆蓋率為20%實(shí)驗(yàn)組的氨氮去除速度，可見(jiàn)在40%～80%覆蓋率范圍內(nèi)，綠狐尾藻對(duì)氨氮的去除效果顯著且相對(duì)穩(wěn)定，表明在此覆蓋率范圍內(nèi)，綠狐尾藻的生物量和生長(zhǎng)環(huán)境適宜，能夠充分發(fā)揮其吸收和凈化能力；30d后，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體氨氮去除速度全部達(dá)到穩(wěn)定水平，氨氮濃度保持在0.05mg/L左右，表明綠狐尾藻和微生物群落已經(jīng)建立了穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，能夠持續(xù)高效地降解和吸收氨氮。經(jīng)對(duì)比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對(duì)照組水體氨氮去除率為55.80%，4個(gè)不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體氨氮去除率達(dá)99.90%左右，采用綠狐尾藻可提高氨氮去除率約44.10%。實(shí)驗(yàn)表明，采用綠狐尾藻處理黑臭水體能夠顯著提高氨氮去除率。

3.3 綠狐尾藻不同覆蓋率對(duì)總磷的去除效果影響

由圖1c可知，0～75d時(shí)間內(nèi)，綠狐尾藻對(duì)水體中總磷的去除有顯著效果，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體中總磷含量均隨著時(shí)間推移表現(xiàn)為先減少后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，表明綠狐尾藻對(duì)水體中總磷的去除效果為先增大后趨于穩(wěn)定，總磷去除速度與綠狐尾藻覆蓋率呈正相關(guān)；75d后，40%、60%、80%綠狐尾藻覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總磷去除水平基本相當(dāng)，均為總磷濃度約0.23mg/L，總磷去除率約93%，而20%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總磷去除率為69.8%，總磷去除速度和去除率明顯低于40%、60%、80%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組。經(jīng)對(duì)比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對(duì)照組水體總磷去除率為32.85%，4個(gè)不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體總磷去除率較對(duì)照組提高36.95%～60.15%。

3.4 綠狐尾藻不同覆蓋率對(duì)BOD5的去除效果影響

由圖1d可知，0～60d時(shí)間內(nèi)，綠狐尾藻對(duì)水體中BOD5的去除有顯著效果，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體BOD5去除率在 87.58%～92.05%之間，其中20%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組水體BOD5去除率和去除速度均略低于40%、60%、80%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組；60d后，20%覆蓋率與40%、60%、80%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體BOD5去除率和去除速度均差別不大。經(jīng)對(duì)比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對(duì)照組依靠自?xún)糇饔茫渌wBOD5去除率為33.05%，明顯低于4個(gè)不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組。

4 最佳工藝條件與現(xiàn)場(chǎng)工程治理試驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 最佳工藝條件確定

總氮在第45d后、氨氮在第30d后、BOD5在第60d后，4個(gè)綠狐尾藻不同覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體治理效果基本相當(dāng)；總磷在第75d后，40%、60%、80%覆蓋率實(shí)驗(yàn)組的水體治理效果基本相當(dāng)。

綜合治理施工及治理成本等影響，確定在45～75d期間內(nèi)，“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝治理黑臭水體實(shí)驗(yàn)中的最佳工藝條件為20%綠狐尾藻覆蓋率，若水體中總磷含量較高，可適當(dāng)提高綠狐尾藻覆蓋率至25%。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工程治理試驗(yàn)

黑臭水體坑塘現(xiàn)場(chǎng)治理試驗(yàn)于2023年3月10日-9月20日進(jìn)行。其中，3月10日-7月30日只采用綠狐尾藻進(jìn)行生態(tài)治理；8月1日-9月20日增加變頻增氧機(jī)，進(jìn)行人工曝氣增氧，采用“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝進(jìn)行生態(tài)治理。

第一階段治理后（3月10日-7月30日），在綠狐尾藻人工浮島凈化作用下，黑臭水體的總氮濃度從113.32mg/L降至20.74mg/L，總氮去除率81.7%；氨氮濃度從36.21mg/L降至19.22mg/L，氨氮去除率46.9%；溶解氧濃度從0.35mg/L增至0.73mg/L，提高0.28mg/L；透明度從15cm增至23cm，提高8cm。只采用綠狐尾藻生態(tài)凈化階段為綠狐尾藻繁殖最快的時(shí)期，對(duì)黑臭水體中總氮和氨氮去除效果理想，在此期間總氮和氨氮降幅最大。

第二階段治理后（8月1日-9月20日），由于人工曝氣增氧技術(shù)增加了氨氧化菌和反硝化菌的數(shù)量與組成，大幅提高了氨揮發(fā)速度，因此在人工曝氣和綠狐尾藻人工浮島凈化下，黑臭水體的總氮濃度從20.74mg/L降至8.22mg/L，總氮去除率增加11.0%；氨氮濃度從19.22mg/L降至0.25mg/L，氨氮去除率增加52.4%；溶解氧濃度從0.73mg/L增至3.65mg/L，提高2.92mg/L；透明度從23cm增至51cm，提高27cm。

試驗(yàn)地黑臭水體經(jīng)“人工曝氣+綠狐尾藻”工藝治理后，氨氮、溶解氧、水體透明度3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)已達(dá)到《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南（試行）》要求，治理效果理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本次黑臭水體治理研究中，實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果顯示，在45～75d治理期間內(nèi)，“人工曝氣+綠狐尾藻”有效去除了水體中的總氮、氨氮、總磷和BOD5，20%綠狐尾藻覆蓋率為最佳工藝條件；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，“人工曝氣+綠狐尾藻”能使水體的總氮濃度降至8.22mg/L，氨氮濃度降至0.25mg/L，溶解氧濃度增至3.65 mg/L，透明度增至51cm，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南（試行）》要求。研究表明，“人工曝氣+綠狐尾藻”組合工藝可用于農(nóng)村黑臭水體治理，效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 李先瑞，楊國(guó)建，張洋.人工曝氣生態(tài)凈化治理農(nóng)村黑臭水體效果探究[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2023（5）： 38-42.

[2]李先瑞，楊國(guó)建，洪波，等.狐尾藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理效果分析[J].中國(guó)資源綜合利用， 2022，40（11）：189-191.

[3]李漢常，張文萍，文清柏，等.增氧對(duì)粉綠狐尾藻氮素吸收及其底泥微環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，42（1）：155-165.

[4]高懷駿，陸慶楠，莊鐵鋼，等.氮磷濃度變化下粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)規(guī)律研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2021，37（3）：66-72.

[5]譚歆.增氧處理對(duì)綠狐尾藻磷素吸收的影響（碩士論文）[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

作者簡(jiǎn)介

向津（1987—），男，布依族，貴州冊(cè)亨人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-22