生物填料在重污染河道治理中的应用研究

1、周勇,操家顺,杨婷婷(河海大学环境科学与工程学院江苏南京210098摘要:将生物填料这一常规污水处理工艺技术应用于城市重污染河道治理,研究了随时间的推移,填料垂直方向上生物膜的膜量、膜组成、膜活性变化规律以及生物填料对水质的改善效果。试验结果表明,该生物填料生物膜活性以比基质耗氧速率表示为0.145 0.209mgO2/g·h。在挂膜进行到第40d时,悬挂密度为24根/m2的情况下对水质改善达到最佳效果,对TN、TP、COD Cr、Chla、浊度的去除率分别为53%,35%,50%,5%,44%。关键词:生物填料;河道治理;挂膜The apply research of bio-st

2、uffing in high polluted riverway disposalZhou yong, Cao Jiashun, Yang tingting(College of Environmental Science and Engineering, Hohai Univ. ,Nanjing 210098,ChinaAbstract: A conventional technic of waste water disposalbio-stuffing had brought into high polluted riverway treatment. The changes of the

3、 avoirdupois, composition and activity of the biofilm in direction of uprightness by time procession and its effect on water quality melioration had researched. The results show that activity of the biofilm is in the range of 0.145 0.209mgO2/g·h measured in SOUR. The best effect on the improvem

4、ent of water quality comes when the experiment reach 40 day,at the density of 24 bio-stuffing per square meter and its removal rate to TN、TP、COD Cr、Chla and turbidity is about 53%,35%,50%,5% and 44%.Key words: Bio-stuffing; Riverway fathering; Biofilm culturing国外对河流强化净化技术的研究与应用始于二十世纪五、六十年代的日本、美国及欧洲一

5、些发达国家。日本研究开发的河流强化净化技术大多是对河流的间接净化,即将净化设施建在河流的一侧,然后利用河道落差将水引到净化设施内进行净化后再放流。此外,净化设施也多采用地下式,以节约用地1-4。欧美等国家在河流强化净化方面多倾向于河道的直接曝气、河道清淤、恢复河流两岸湿地和恢复蛇形河道等的自然净化方式5-9。我国对河流强化净化技术的研究还处于起步阶段,实际应用的技术只有引水稀释、清淤等机械物理的方法,河道曝气也只是在北京、重庆和上海等地的小河道治理中使用过;而利用生物(包括水生植物和微生物等对污染河流进行强化净化的研究还只处于试验阶段10-13。城市重污染河道普遍存在低透明度,低溶解氧和高有机

6、悬浮物等问题,使得高等水生动植物恢复技术的应用受到了严重限制。而生物填料具有不受透明度,光照等影响因子限制的1第一作者:周勇,男,1981年生,硕士研究生,研究方向为水生态修复技术研究。*国家“十五”重大科技专项“863”资助项目(No.2003AA601070特点。布设合理的填料在保持河道通航和排洪等原有功能以及不影响城市景观的基础上,可以显著降低水体浊度,并且削减水体COD、N、P等污染负荷,提高水体溶解氧含量,从而为后续的高等水生动、植物的生态修复创造有利的前提条件。1.试验材料与方法1.1试验水样本试验开展于苏州市南园河现场河道。试验初始水质监测结果如下:pH7.07.8、TN7.64

7、mg/L、TP0.82mg/L、COD Cr52.11mg/L、Chla19.36g/L、浊度11.45NTU,实验期间水温:1117。1.2试验材料用透水率1的防水布及100 mm的UPVC管在苏州市南园河示范区现场设置6个规格为:4m×2m×1m的围隔水体中。其中5个围隔内投放不同密度的填料,另外一个作为空白对照。试验填料选用ZH901弹性立体填料,具体参数见表1。表1 ZH901弹性填料规格参数Table 1 The specification and parameter of ZH901 plastic stuffing填料直径(mm丝径(mm重量(kg/m3比表面

8、积m2/m3空隙率%2.64-3.06265-307>99 140 0.5围隔内布置木质框架,填料顶部悬挂于框架上,填料底部拴铁质螺母使其均匀垂直悬挂于围隔内。试验各密度梯度设置见表2。表2 试验围隔内密度梯度设置 单位根/m2Table 2 The grads of density setting in enclosure试验项目 因素 梯度设置生物填料 根数 3 6 12 24 481.3试验测定项目及方法每隔10d测定围隔内水体的TN、TP、COD Cr、Chla、NTU指标,具体测定方法见表3;每次采样测定表、中、底层单位质量填料附着生物膜的重量并镜检其生物组成。测定比基质耗氧速

9、率(SOUR:取一BOD瓶,加入500mL现场河道水,对该水样进行曝气,使其达到饱和溶解氧为止,再加入10g经离心后的生物膜,使BOD瓶密封。置于25恒温,并持续磁力搅拌,每隔30分钟记录溶解氧变化,计算出该生物膜的比基质耗氧速率x mgO 2/g·h 。去除率用各填料围隔水质指标与空白对照围隔内水质指标的差值来表示: 去除率%100(%000×=C C C C C cki i 式中:为初始时的浓度;为试验填料围隔区第天的浓度;为空白对照围隔区第i 天的浓度。0C i C i cki C 表3 水质检测指标及方法Table 3 The index and method fo

10、r water quality testing检 测 指 标测 定 方 法TN 过硫酸钾氧化-紫外分光光度法TP 钼锑抗分光光度法 COD Cr 重铬酸钾标准法 Chla 丙酮萃取分光光度法 NTU德国夸克浊度仪直接读数法2.结果与分析(1填料垂直方向生物膜活性比较无论是生物膜量还是生物膜厚度,都只能反映附着、生长微生物量的多寡,而不反映其活性。因此,本试验用比基质耗氧速率(SOUR 来描述生物膜的活性。微生物耗氧速率是研究耗氧过程的重要参数之一,在微生物能量代谢过程中,氧气是电子受体,耗氧速率直接反映了微生物代谢速率。也就是说,微生物量的多寡不是决定系统处理效率的关键因素,处理效率的高低,主

11、要取决于填料上微生物的活性。填料垂直方向生物膜耗氧情况见图1,计算得表、中、底层填料生物膜的耗氧速率分别为0.198、0.209、0.145mgO 2/g·h 。 图1 填料垂直方向生物膜耗氧率曲线Figure 1 The consumption of oxygen in direction of uprightness of biofilm 从图1可以看出,中层的生物膜耗氧速率最高,表层其次,底层最差。总体而言耗氧速率在垂直方向差异不大。悬挂于河道内的填料,表层填料的生物膜组成以藻类为主,白天藻类的光合作用可以补偿少部分由微生物代谢所消耗的氧气;中层以原生动物及微型动物为主,其生命

12、活动均需消耗氧气,所以其单位质量的耗氧速率最高;而底层则主要为无机悬浮物及少部分藻类,该层生物膜活性相对表层及中层低25%左右。由于河道的深度小于2m,在自然状况下河道水体上下混合较为均匀,所以沿填料垂直方向形成的生物膜活性变化不大。(2填料垂直方向生物膜膜量,膜组成比较表4 不同时间表、中、底层每g填料生物膜膜量 单位(gTable 4 The avoirdupois changing of the biofilm in direction of uprightness by time procession 日期 11月18日 11月28日 12月8日 12月18日 12月28日 表层20c

13、m 2.01 2.39 2.71 2.67 2.55 中层50cm 1.91 2.03 2.28 2.22 2.28 底层80cm 1.98 2.25 2.28 2.48 2.39 由表4可知,悬挂于苏州市南园水系河道的弹性立体填料在垂直方向单位质量挂膜膜量为表层>底层>中层。且在实验进行到40d时达到最大值。将填料表面附着物在显微镜下观察发现,表层、中层填料附着物中所含藻类及微型动物数量及其种类较多,而底层则以厌氧污泥状无机悬浮物为主,具体组成见表5。表5 填料生物膜中藻类及动物分布Table 5 The distributing of algae and animal in b

14、iofilm种属表层中层底层种属表层中层底层颤藻 + + + 羽纹藻 + + +平板藻 + + + 直链藻 + + + 裸藻 + 扁卷螺 + + 辐节藻 + + + 急游虫 + 舟形藻 + + 游仆虫 + 小环藻 + + + 长足轮虫+ + 注:+表示数量很多;+表示数量较多;+表示数量较少;表示无。由表5可见,填料上所附着的藻类均为异养型藻类,填料表面黏附的有机碎屑为藻类的生长提供了营养物质,并且填料本身提供了其附着生长较为固定的基质,所以在城市河道利用膜技术进行处理,填料表面富集的大量异养型藻类和种类、数量众多微型动物是区别于污水处理中生物膜的一个重要特点。从表5还可以看出,随着深度的增加藻类的种类和数量逐渐减少,原因为城市河道水体透明度普遍较低,一般在4060cm之间,由于光照的限制,致使藻类较为集中分布于光线比较充足的表层水体。除此以外,水体溶解氧含量在垂直方向由上之下逐级递减。所以从镜检原生、后生动物以及微型动物分布情况可以看出,表层与中层中的种类和数量要显著高于底层。而中层原生动物的数量最多是因为中层的水力扰动较表层要低,受水力冲刷较小,更容易附着于填料上。(3填料试验区围隔内水质变化情况根据表4所得出的结论,围隔内水质选择挂膜在40d的情况进行分析。TN、TP、COD Cr、Chla、NTU各项指标变化情况详