“人工曝氣+ 綠狐尾藻”工藝治理農村黑臭水體試驗研究

關鍵詞：人工曝氣；綠狐尾藻；黑臭水體；農村；治理

農村黑臭水體主要由農村生活污水和農業徑流長期排放形成，具有高濃度有機污染物、氮磷營養物質和低溶解氧等特點[1]。目前，農村黑臭水體的治理方法主要有物理法、化學法和生態法[2]。物理法和化學法存在治理效果不穩定、成本高、產生二次污染等問題，而生態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、無二次污染、長期有效、維護成本低等特點，為常用治理方法[3]。

人工曝氣技術可通過向水體中引入氧氣，增加水體溶解氧含量，從而促進好氧微生物生長和有機污染物分解，減輕水體黑臭現象[4]。綠狐尾藻是一種水生植物，具有快速生長特性和強大營養物質吸收能力，其莖葉結構復雜，可為水體中微生物提供理想棲息地，能促進微生物對有機污染物的降解，為生態法治理農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，通過模擬實驗和現場試驗，研究該工藝對農村黑臭水體的治理效果。

1試驗地黑臭水體概況

現場試驗地為貴州省黔西南州某農村地區一個典型黑臭水體坑塘，面積2000m²，水深0.9m。受周邊養豬場廢水排放影響，該坑塘水體呈明顯黑臭現象，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《農村黑臭水體治理工作指南（試行）》表 1中黑臭水體認定。

2研究方法

2.1模擬實驗方法

在模擬實驗階段，設置綠狐尾藻不同覆蓋率處理組，結合人工曝氣技術，研究各處理組對水質的影響。實驗包括5個步驟，即①選擇長× 寬× 高=3m×1m×0.9m 的水槽為實驗容器，注入模擬黑臭水體；②將預先培養的不同覆蓋率綠狐尾藻均勻分布于各水槽中，保證綠狐尾藻生長條件一致；③曝氣裝置放置在水槽底部，當實驗開始后實施人工曝氣，曝氣強度和頻率保持一致；④實驗開始前進行初始測定，測定水槽中初始水質的總氮、氨氮、總磷、BOD₅參數；⑤實驗過程中進行定期監測，每隔15d對各處理組水槽中水質總氮、氨氮、總磷、BOD₅指標進行測定。

2.2現場試驗方法

在現場試驗階段，對試驗地黑臭水體坑塘進行現場測定，研究“人工曝氣+ 綠狐尾藻”工藝的實際治理效果。試驗包括3個步驟，即①在黑臭水體坑塘內布設1000m²試驗區，安裝人工曝氣設備；②按綠狐尾藻20% 覆蓋率設置一定面積人工浮島，投入綠狐尾藻；③設置2個采樣點，間隔30d 取樣，檢測水質總氮、氨氮、溶解氧、透明度指標。

2.3測定方法

采用紫外分光光度法測定總氮、氨氮和總磷濃度；依據《水質五日生化需氧量（BOD₅）的測定 稀釋與接種法》（HJ 505-2009）測定BOD₅指標；使用便攜式溶解氧測定儀測定溶解氧含量；使用濁度計測定水體透明度。

3綠狐尾藻不同覆蓋率對黑臭水體的治理效果影響

設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 個實驗組和覆蓋率為0%（投加量0kg）的1 個空白對照組進行治理實驗，考察各組對黑臭水體的治理效果影響。

實驗開始后，每隔15d 采樣監測各組水體的總氮、氨氮、總磷、BOD₅等水質指標，結果如圖1 所示。可見除綠狐尾藻覆蓋率為0%的空白對照組以外，其他不同覆蓋率實驗組在實驗開始后的每隔15d 時間的采樣監測中，水質總氮、氨氮、總磷、BOD₅指標隨處理時間的增加表現出大致相似的變化規律，但不同覆蓋率下的各指標變化幅度和過程有一定差別。

3.1綠狐尾藻不同覆蓋率對總氮的去除效果影響

由圖1a可知，0～45d時間內，4個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體總氮濃度變化幅度不同， 其中覆蓋率為40%、60%、80%實驗組的總氮去除速度基本一致，且高于覆蓋率為20% 實驗組的總氮去除速度，可見在40%～80% 覆蓋率范圍內，綠狐尾藻對總氮的去除效果顯著且穩定，表明在此覆蓋率范圍內，綠狐尾藻能夠形成足夠生物量并提供適宜的生長環境，促進總氮的高效去除；45d后，20%、40%、60%、80% 綠狐尾藻覆蓋率實驗組的水體總氮去除速度全部達到穩定水平，總氮濃度保持在1.8mg/L左右，表明在經過一定時間的治理后，綠狐尾藻及其所支持的微生物群落已達成生態平衡，能夠持續穩定地去除總氮。經對比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0% 的空白對照組水體總氮去除率為59.70%，4 個不同覆蓋率實驗組的水體總氮去除率達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。一是綠狐尾藻通過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環境，微生物能夠通過氮循環過程降解和轉化黑臭水體中的氮化合物；三是綠狐尾藻通過光合作用釋放氧氣，提升黑臭水體中的溶解氧水平，促進好氧微生物的活動，加速有機氮的降解和無機氮的轉化。

3.2綠狐尾藻不同覆蓋率對氨氮的去除效果影響

由圖1b 可知，0～30d 時間內，4個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體氨氮濃度變化幅度不同，其中覆蓋率為40%、60%、80%實驗組的氨氮去除速度基本一致，且高于覆蓋率為20% 實驗組的氨氮去除速度，可見在40%～80% 覆蓋率范圍內，綠狐尾藻對氨氮的去除效果顯著且相對穩定，表明在此覆蓋率范圍內，綠狐尾藻的生物量和生長環境適宜，能夠充分發揮其吸收和凈化能力；30d 后，4個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體氨氮去除速度全部達到穩定水平，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建立了穩定的生態系統，能夠持續高效地降解和吸收氨氮。經對比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0% 的空白對照組水體氨氮去除率為55.80%，4個不同覆蓋率實驗組的水體氨氮去除率達99.90% 左右，采用綠狐尾藻可提高氨氮去除率約44.10%。實驗表明，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總磷的去除效果影響

由圖1c可知，0～75d時間內，綠狐尾藻對水體中總磷的去除有顯著效果，4個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體中總磷含量均隨著時間推移表現為先減少后逐漸穩定的趨勢，表明綠狐尾藻對水體中總磷的去除效果為先增大后趨于穩定，總磷去除速度與綠狐尾藻覆蓋率呈正相關；75d 后，40%、60%、80%綠狐尾藻覆蓋率實驗組的水體總磷去除水平基本相當，均為總磷濃度約0.23mg/L，總磷去除率約93%，而20% 覆蓋率實驗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% 覆蓋率實驗組。經對比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0% 的空白對照組水體總磷去除率為32.85%，4個不同覆蓋率實驗組的水體總磷去除率較對照組提高36.95%～60.15%。

3.4綠狐尾藻不同覆蓋率對BOD₅的去除效果影響

由圖1d 可知，0～60d時間內，綠狐尾藻對水體中BOD5 的去除有顯著效果，4 個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體BOD₅去除率在 87.58%～92.05% 之間， 其中20% 覆蓋率實驗組水體BOD₅去除率和去除速度均略低于40%、60%、80% 覆蓋率實驗組；60d 后，20% 覆蓋率與40%、60%、80% 覆蓋率實驗組的水體BOD₅去除率和去除速度均差別不大。經對比可知，綠狐尾藻覆蓋率為0% 的空白對照組依靠自凈作用，其水體BOD₅去除率為33.05%，明顯低于4個不同覆蓋率實驗組。

4最佳工藝條件與現場工程治理試驗結果討論

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個綠狐尾藻不同覆蓋率實驗組的水體治理效果基本相當；總磷在第75d 后，40%、60%、80% 覆蓋率實驗組的水體治理效果基本相當。

綜合治理施工及治理成本等影響，確定在45～75d期間內，“人工曝氣+ 綠狐尾藻”工藝治理黑臭水體實驗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，可適當提高綠狐尾藻覆蓋率至25%。

4.2現場工程治理試驗

黑臭水體坑塘現場治理試驗于2023年3月10日-9月20日進行。其中，3月10日-7月30日只采用綠狐尾藻進行生態治理；8月1日-9月20日增加變頻增氧機，進行人工曝氣增氧，采用“人工曝氣+ 綠狐尾藻”工藝進行生態治理。

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凈化階段為綠狐尾藻繁殖最快的時期，對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增加了氨氧化菌和反硝化菌的數量與組成，大幅提高了氨揮發速度，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。

試驗地黑臭水體經“人工曝氣+ 綠狐尾藻”工藝治理后，氨氮、溶解氧、水體透明度3項水質指標已達到《農村黑臭水體治理工作指南（試行）》要求，治理效果理想。

5結束語

綜上所述，本次黑臭水體治理研究中，實驗室模擬結果顯示，在45～75d 治理期間內，“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；現場試驗結果證實，“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，各項指標均達到《農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”組合工藝可用于農村黑臭水體治理，效果顯著。

作者簡介

向津（1987—），男，布依族，貴州冊亨人，工程師，學士，研究方向為生態環境保護和工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-22