（环境工程专业论文）生物接触氧化—植物浮床技术对河涌水体净化效果的研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的快速发展，大量污染物排放到城市河涌，导致城市河 涌受到严重污染，出现黑臭现象，河涌水体原有的功能衰退甚至丧失。寻 求更有效的技术和措施治理河涌污染势在必行。本论文以广东省科技计划 项目市镇河涌生态环境修复与水质恢复技术研究及其示范工程+ 为依托。 根据污染河涌高负荷、黑臭等情况，通过试验，研究生物接触氧化一植物 浮床技术对河涌水体净化效果。 采用生物接触氧化技术，在不同水力停留时间和溶解氧浓度和不同 温度影响下，对河涌水体净化效果进行研究。结果表明：停留时间3 d 时和 d o 控制在4 m g l 左右时，对c o d 。，、n h 。- n 、t n 和t p 有较好的去除效果， 去除率分别为9 0 o 、9 8 7 、6 4 4 和6 2 。在温度从2 2 。c 降到8 。c 左右 时，对n h 。一n 的去除效影响不大，去除率只减少了4 。但c o d 。，、t n 和t p 受温度的影响却很大，去除率分别减少了3 6 、3 7 和3 9 。 通过s e m 和显微镜对生物膜的微观形态进行观察分析，观察结果表明： 膜片上的微生物活性较强，种类较丰富。丝状菌较少，但比较密实，不容 易脱落。填料丝表面附着的多为栅藻、舟形藻、小球藻等藻类，原生动物 少，从统计结果中发现原生动物中以钟虫、轮虫、线虫最多。本系统在低 温下微型动物多样性不多。 在静态实验条件下，美人蕉在供试水体中生长良好，对水体中有机物 综合净化能力最为显著，c o d 。，、n h 。- n 、t n 和t p 的去除率分别为5 2 3 、 9 7 2 、4 8 5 和6 4 2 。且美人蕉植株长势美观，具有较好景观绿化效果， 从植物生长适应性、景观效应和净化能力三方面综合考虑比较，特别是除 磷的效果来看，美人蕉最适宜作为该净化污染河水的浮床植物。 采用生物接触氧化一植物浮床技术对水体中污染物的去除效果进行 研究，对装置的连续监测，结果表明：组合技术对c o d 。，、n h 。一n 、t n 和t p 的平均去除效率可达8 0 9 6 、9 7 5 9 6 、5 7 5 9 6 和6 4 2 。与生物接触氧化技术 相比，除了c o d 。，的去除效果差不多之外，分别提高了6 7 、1 1 7 和2 2 2 。 关键词：河涌水体；接触氧化；植物浮床：脱氮除磷 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ee c o n o m i cd e v e l o p i n gq u i c k l y , m o r ea n dm o r ep o l l u t a n t sw e r ed i s c h a r g e d i n t ot h ec i t yr i v e r s ，s ot h a tt h ec i t yr i v e r sh a v eb e e ns e r i o u s l yp o l l u t e d t h er i v e r p o l l u t i o nh a sc a u s e dt h ew a t e rr e s o u r c ep r o b l e m e m e r g e n c eo f t h ep h e n o m e n o no f b l a c k o d o r t h eo r i g i n a lr i v e rw a t e rf u n c t i o n ad e c l i n eo re v e nl o s s s e e k i n gm o r e e f l e e t i v et e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e st oc o n t r o lr i v e rp o l l u t i o ni si m p e r a t i v e t h i s t h e s i sr e l yo ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to fg u a n g d o n g r e s e a r c ho nr i v e r w a t e re c o l o g i c a le n v i r o n m e n tr e p a i ra n dw a t e rq u a l i t yr e s t o r a t i o no ft e c h n o l o ga n d d e m o n s t r a t i o np r o j e c t ”a c c o r d i n gt or i v e rh i g hp o l l u t i o nl o a d ，b l a c k - o d o r ，e t c 。 t h r o u g he x p e r i m e n t ，p u r i y f m ge f f e c t ss t u d yo nr i v e rw a t e rb yb i o c o n t a c t 。o x i d a t i o n a n dp l a n tf l o a t i n g b e dt e c h n o l o g y p u r i y f m ge f f e c t ss t u d yo nr i v e rw a t e rb yb i o - c o n t a c t o x i d a t i o nt e c h n o l o g y u n d e r t h ed i f f e r e n th r t ，d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o na n du n d e rt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h eh r t a n dd oc o n t r o l3d a y s a t4 m g l c o d c r ，n h 3 n ，t na n dt ph a sb e t t e rr e m o v a le f f e c t t h er e m o v a lr a t ei s 9 0 o ，9 8 7 ，6 4 4 a n d6 2 r e s p e c t i v e l y t h et e m p e r a t u r ed r o p p e df r o m2 2 。ct o a b o u t8 。c ，n h 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c yh a v el i t t l ee f f e c ta tl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ， t h er e m o v a lr a t eo n l yd e c r e a s e db y4 b u tc o d e r ，t na n dt pi se f f e c t e db y t e m p e ：r a t u r ea r er a t h e rs e r i o u s ，r e m o v a lr a t ed e c r e a s e db y3 6 ，3 7 a n d3 9 r e s p e c t i v e l y t h r o u g hs e ma n dm i c r o s c o p i ca n a l y s i s o fb i o f i l mm o r p h o l o g yf o u n dt h a t m i c r o o r g a n i s mo nt h eb i o f i l mh a v es t r o n g e ra c t i v i t ya n dm o r ea b u n d a n tt y p e s f e w e r f i l a m e n t o u sb a c t e r i a ，b u tr e l a t i v e l yd e n s ea n dn o te a s yo f f f i l l e rw i r ea t t a c h e dt ot h e s u r f a c ef o rm a n ys c e n e d e s m u s ，n a v i c u l aa l g a ea m dc h l o r e l l aa l g a ee c t ，p r o t o z o a l e s s t h er e s u l t sf r o mt h es t a t i s t i c sf o u n di nv o r t i c e l l ap r o t o z o a , r o t i f e r s ，n e m a t o d e s m o s t b u tt h em i c r o d i v e r s i t yi sl e s si nt h i ss y s t e ma tl o wt e m p e r a t u r e a tt h es t a t i ce x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，c a n n af l a c c i d ag r o ww e l lo nt e s t i n gw a t e r a n dg e n e r a lp u r i f i c a t i o na b i l i t yo r g a n i cm a t t e ri st h em o s ts i g n i f i c a n t t h er e m o v a l r a t eo fc o d e r , n h 3 n ，t na n dt pi s5 2 3 ，9 7 2 ，4 8 5 a n d6 4 2 r e s p e c t i v e l y c a n n af l a c c i d ag r o w 吨a n db e a u t i f u l ，h a sg o o dl a n d s c a p eg r e e n i n ge f f e c t f r o mt h e a d a p t a t i o no fp l a n tg r o w t h , l a n d s c a p ee f f e c t sa n dp u r i f i c a t i o na b i l i t y t og e n e r a l c o n s i d e rt h r e ea s p e c t so fc o m p a r i s o n , i np a r t i c u l a rt h ee f f e c to fp h o s p h o r u sr e m o v a l ， c a n n af l a c c i d ai st h em o s ta p p r o p r i a t ep l a n tt op u r i yp o l l u t e df i v e rw a t e ra st h e i i a b s t r a c t f l o a t i n g b e dp l a n t p u r i y f i n g e f f e c t ss t u d yo nr i v e rw a t e rb yb i o - c o n t a c t - o x i d a t i o na n dp l a n t f l o a t i n g b e dt e c h n o l o g y t h r o u g hc o n t i n u o u sm o n i t o r i n go f t h ed e v i c e s ，t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec o d c r ，n h 3 n ，t na n dt pa v e r a g er e m o v a lr a t ei s8 0 ， 9 7 5 5 7 5 a n d6 4 1 4 r e s p e c t i v e l yb yt o wt e c h n o l o g y w i t hb i o c o n t a c t o x i d a t i o nt e c h n o l o g y , a p a r t 丘o ma l m o s tc o d c rr e m o v a le f f e c t ，h a di n c r e a s e db y 6 7 1 1 7 a n d2 2 2 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：r i v e rw a t e r ；b i o - c o n t a c t o x i d a t i o n ；p l a n tf l o a t i n g b e d ；n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或撰写过 的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所 取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 5 9 指导溯签字：3 蕾抒 论文作者签字：垛童穆 o7 年6 月乒日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 城市河流水质的优劣对城市社会、经济与环境能否协调健康发展有至 关重要的意义。随着我国经济的发展和城市化进程的加快，工业用水和城 市居民生活用水急剧增加，排污量也随之增加，流域开发的加剧，给许多 地区的水环境造成了不良的影响，水体富营养化、水生态系统破坏以及水 质恶化等环境问题不断出现和发生，致使水生态系统遭到严重破坏，污染 河水失去了资源功能和使用价值，而且严重破坏周围的生态景观，造成重 大经济损失，甚至危害人们身体健康。2 0 0 5 年，全国人大常委会水污染防 治法执法检查组检查发现，中国七大水系中劣v 类水体占三成左右，水体 己经失去使用功能，成为有害的脏水，连农业灌溉都不行。我国的河流、 河段已有近i 4 因污染而不能满足灌溉用水要求，全国湖泊约有7 5 的水 域受到显著污染。据近年来全国水域的水环境质量调查统计，在流经全 国4 2 个大中城市的4 4 条河流中有9 3 被污染，其中重污染和中度污染占 7 9 ，6 4 的城市河段为类或v 类水质乜3 ，5 0 的重点水源地不符合饮用水 标准，水资源的功能及作用正在不断地被弱化，己严重影响到人们正常的 生产和生活阳3 。 珠三角地区河网纵横交错，出海口众多，自然地理条件复杂1 。流经 城镇的河段多属于感潮河道，长期以来承担着防洪、排涝、灌溉和排污功 能。 随着珠江三角洲地区的经济快速发展，人口和产业高度聚集，极大的 推进了地区的城镇化进程。在沿河发展的城镇体系快速扩张的同时，产生 了大量的污染物，并集中排放于周边的河涌，导致很多城镇河涌出现黑臭 现象，河涌水体原有的功能衰退甚至丧失。据2 0 0 5 年广东省环境状况 公报数据显示，珠江水系6 2 3 为i m 类水质，2 0 8 劣于v 类，其中 不达标的河段主要集中流经城市的河涌 。 近年来，研究学者提出“生态治河 的理念，只有实现河涌生态系统 的恢复，才能彻底的修复污染河涌的水环境。河涌的生态修复技术是河涌 治理技术的热点研究领域。本研究来源于广东省科技计划项目市镇河涌 生态环境修复与水质恢复技术研究及其示范工程( 2 0 0 5 8 3 3 3 0 1 0 0 7 ) ，研 究开发一种经济、实用的河涌生物修复技术，并探索其修复机理。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 研究的目的及意义 随着经济的快速发展、城市化进程的加快及工业的兴起，内河涌( 城 市河流) 两岸工厂、农业、生活污水不加处理直接排入河流导致的水体污 染问题日趋严重，并呈现出以好氧有机物为主要污染物、以水体黑臭为主 要特征的污染现象。寻找行之有效的内河涌( 城市河流) 污染防治技术已 经成为环保研究领域的一个重要课题。 内河涌( 城市河流) 污染后的共同特点为：大量超过水体容量和自净 能力的污染物存在于水体中，溶解氧浓度降低甚至为零。水体出现黑臭、 富营养化现象。鱼虾等水生物种类锐减甚至绝迹。水体原有的功能衰退甚 至丧失。水体的生态平衡被严重破坏。水域附近的居民身体健康受到威胁。 正因为内河涌( 城市河流) 污染的巨大危害性，因此日益引起人们的关注， 并积极采取有效的技术及措施对污染进行控制和治理。 而内河涌( 城市河流) 治理是一项难度很大的系统工程，需要综合运 用生态学、环境工程学、微生物学、景观学、土木工程学等多个学科的最 新成果。虽然国内外已有一些关于内河涌综合治理的报道，但是适合珠三 角地区那些黑臭河涌，而运行成本低，管理方便的综合治理技术还很少， 需要通过实践去探索。 本课题将在黑臭河涌旁进行中试实验，在装置内安放生物填料，并投 加复合优势菌，再以软管微孔曝气，通过生物接触氧化技术治理内河涌的 黑臭水体。并通过跟踪流动河水中各污染物的浓度变化和填料中生物膜的 生物相变化，优化运行条件。等运行一段时间后再加入植物浮床，探讨以 生物一生态技术修复内河涌黑臭水体的效果。本研究将为珠江三角地区城 镇内河涌的综合整治提拱理论依据。 1 3 国内外研究进展 目前，国内外关于内河涌( 城市河流) 污染防治技术及治理措施主要 有物理技术，化学技术、生物修复技术和生态恢复技术： 1 3 1 物理技术 1 3 1 1 引清冲淡调水的目的是通过水利设施( 如闸门、泵站) 的调控引 入污染河道上游或附近的清洁水源改善下游污染河道水质。调水增大了污 染河道的水量，加速了河水流动，促进了污水的稀释，使河水在河道中的 2 第一章绪论 停留时间缩短，污染河水不易在河道中滞留而导致黑臭。同时，该措施的 实施能够改善河网水动力条件，增加河道水体自净能力和环境容量。美国 芝加哥曾花了3 3 年的时间，建造了总长1 3 k m 的人工运河，将密执安湖的水 引入芝加哥河，增加了该河的径流量并改善了水质订3 。如上海苏州河的综 合调水工程随1 ，福州内河的引水冲污工程阳1 另外，成都市府南河的综合整 治、苏州古城河道的治理工程中曾对调水技术进行过试验，还有人对西湖 的富营养化治理中采用的引水方式作了研究n 0 1 。 1 3 1 2 底泥疏浚泥沙和污染物沉积严重的河流，会影响交通和泄洪。 因此，在枯水季节，要对整条或局部沉积严重的河段进行疏浚、清淤，恢 复河流和湖泊的正常功能。因此，要对整条或局部沉积严重的河段进行疏 浚、清淤，恢复河流的正常功能。底泥疏浚的主要目的是去除底泥所含的 污染物( 底泥中的n 、p 及重金属等) 减水底泥污染物向水体释放，增加 水体的环境容量。由于该方法技术简单，因此是目前世界各国改善水环境 使用最多方法。 挖掘底泥对改善那些底泥营养物质含量高的水体是一种有效的手段， 但需注意挖掘底泥的地点和深度。因为水体深层底泥中的可溶性磷以及氨 氮可能反而高于表面底泥。当挖掘表层底泥后，正好暴露出深层底泥高含 量的可溶性磷和氨氮，使更多的磷和氮从底泥中释放出来，使水质进一步 恶化。从总体和长远的观点来，看挖掘底泥减少了已经积累在表层底泥中 的总氮和总磷量，减少了潜在性内部污染源。但是，通过挖掘底泥可以加 深湖泊、河流水体的深度，可以增加了湖泊和河流的环境容量。我国许多 河流都使用过该技术，滇池草海实施疏浚工程后，疏浚区水体不再黑臭， 水质明显好转，水体透明度由原来小于0 3 7 m 提高到0 8 m 。 1 3 2 化学技术 化学净化法主要是指向污染的水体中投加化学药剂，通过药剂与污染 物质发生化学反应，使水体中的污染物得以去除的一种方法。如治理湖泊 酸化可投加生石灰；抑制藻类大量繁生可投加杀藻剂；除磷可投加铁盐等。 王曙光等人n 别利用化学强化一级处理技术( c e p t ) ，对深圳市4 条污染河水 进行了处理实验。采用聚合氯化铁( p f c ) 做混凝剂，在优化了最佳p h 及p f c 最佳投加量等工艺条件后，能使河水处理后水质指标均达到或接近国家地 面水水质标准。2 0 0 3 年孙从军等人n 3 3 以改性硅藻土为混凝剂，对苏州河各 支流污染水体进行化学强化一级处理试验研究。结果表明：硅藻土对c o d 。， 和p 具有较高的去除效率，而对n h 。一n 的去除率不高，混凝剂的最佳投药量随 广东工业大学硕士学位论文 原水水质的不同而不同，不同污染河水水质对硅藻土的混凝效果有比较显 著的影响。但是，采用化学混凝法必然向河涌污水中投加化学药剂，所以 治理费用较高，而且还易造成二次污染。 1 3 3 生物修复技术 生物净化法就是利用微生物具有氧化分解有机物并将其转化为无机 物的能力这一功能，采用人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环 境，培育出大量净化能力强的微生物，以提高对污染水体中有机物氧化降 解效率的一种净化方法。该方法具有处理效果好，投资省，不需耗能或低 耗能等特点，最重要的是，该法能使污染水体的自净能力逐渐恢复。目前 国内外使用最多的生物净化技术是曝气技术、投菌技术与生物膜技术。 1 3 3 1 河道曝气技术河道曝气技术是近年来国内外治理河流污染的有 效工程措施，能在较短的时间内对河道的黑臭现象有明显的改善。研究表 明，河道曝气技术会受到温度、水体微生物与水的混合程度、微生物活性 等因素的影响。因此，河道曝气技术的应用要充分考虑污染水体的特征， 并结合一些生物方法以提高其效率。目前，关于河道曝气技术的研究主要 集中在研制新型的充氧设备，高现代化的曝气船，提高充氧效率，降低曝 气的成本。 直接曝气技术是充分利用天然河道和河道已有建筑就地处理河流污 水的一种方法。它是根据河流受到污染后缺氧的特点，采取人工措施向河 道中充入空气( 或氧气) ，加速水体复氧过程，以提高水体的溶氧水平，恢 复水体中好氧微生物的活力，使水体的自净能力增强，从而改善河流的水 质状况。该法综合了曝气氧化塘和氧化沟的原理，结合推流和完全混合的 特点，有利于克服短流和提高缓冲能力，同时也有利于氧的传递、液体混 合和污泥絮凝，能有效去除河流的黑臭现象4 。1 别。德国鲁尔河、英国泰晤 士河、美国密西西比河、澳大利亚斯旺河、葡萄牙塔古斯河等都曾采用曝 气复氧技术治理污染河段，并取得了明显的治理效果。河道曝气技术在国 外应用已非常成熟。我国部分城市的河道净化也使用了该技术，如北京的 清河环境改善工程、上海的苏州河河道曝气复氧工程、上澳塘和新泾港的 曝气工程试验、重庆的桃花溪曝气措施等，并取得了较好的治理效果n 9 。2 。 张明旭乜2 2 朝等对苏洲河进行的实验室人工曝气复氧研究和动力学学分析结 果表明：即使严重黑臭的水体，在有氧条件下2 0 h 后臭味基本消除，水体 颜色明显改观，c o d 。，、b o d 。都有大幅度( 3 0 - - 5 0 ) 降低。通过复氧可以 使天然水体逐步恢复自然的生态功能，最终消除黑臭污染的目的。 4 第一章绪论 1 3 3 2 投菌技术投菌技术是直接向污染水体中接入外源的污染降解 菌，然后利用投加的微生物唤醒或激活水体中原本存在的可以自净的但被 抑制而不能发挥其功效的微生物，并通过它们的迅速增殖，强有力地钳制 有害微生物的生长和活动，从而消除水域中的有机污染及水体的富营养 化，消除水体的黑臭，而且还能对底泥起到一定的硝化作用。 向受污染水体中投加无毒且不含菌种的可促进土著微生物生长的制 剂，来达到水体修复目的的方法，称为“激活法 。生物激活剂中一般含 有多种可降解污染物的酶，以及可以促进微生物生长的有机酸、微量元素、 维生素等成分。这些物质的加入，可以明显提高土著微生物的活性和加速 生物的演潜，并直接依靠酶的作用和微生物的生长代谢达到微生物降解的 目的。 在天然受污染的环境中，当合适的土著微生物生长过慢，代谢活性不 高，或者由于污染物毒性过高造成微生物数量反而下降时，我们可人为投 加一些适宜该污染物降解的与土著微生物有很好相容性的高效优势菌。 目前用于修复的高效降解菌大多是多种微生物混合而成的复合菌群， 通常含有光合细菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、硝化菌等多种微生物。 光合细菌是一种独立营养微生物，以光和热为能源，以乳酸为基质， 在光合作用中大量分解吸收h ：s 等有害有毒物质，抑制好氧病菌的繁殖， 并分泌大量的糖类、氨基酸、维生素等多种生理活性物质，以促进放线菌、 固氮菌等微生物的生长，对促进生物生长和净化环境起着十分积极的作 用。 乳酸菌可摄取光合细菌、酵母茵产生的糖类物质，产生乳酸，分解常 温下不易分解的木质素和纤维素，并转化成对动植物有效的养分，且乳酸 具较强的杀菌能力，有显著抑制有害微生物活动和促进有机物腐败分解的 作用。 酵母菌是重要的营养功能性菌，可对水体中各种有效养分进行合理的 转化和高效率吸收，且为其他生物提供高质量的营养物质和生理活性物 质。 放线菌能摄取光合菌产生的氨基酸等有机物，生成简单的有机质h z o ， 其突出功能是产生大量的抗生素，起到调节微生物区系、抑制病原菌和控 制病害发生的作用。 各种微生物在其生长过程中产生的有用物质及其分泌物质，成为微生 物群体相互生长的基质和原料，通过相互间的这种共生增殖关系，形成了 一个复杂而稳定的微生物系统，发挥多种功能。 广东工业大学硕十学位论文 日本的专家f k o b a y a s h i 就在底泥中分离培养出一种可以高效降解苯 酚的菌种，并利用该菌种治理污染水域，进行了生物修复研究心6 1 。国内的 王玮心 等通过向污染河流中投加有效微生物菌群( e f f e c t i v e m i c r o o r g a n i s m ) 的方法，有效恢复了河水的水质。盛彦清8 1 等就用人工复 氧技术并投加生物制剂及底泥改良剂等，对严重富营养化的湖泊水和黑臭 河涌进行了生物修复试验，发现c o d 。，、t n 和t p 等污染物含量降幅可达到 7 0 左右，水质有了很大的改善。李捍东等陋们利用e m 对广西南宁某污水塘 进行了水体净化试验，在考察污染水体p h 值、水温等环境因素对e m 影响 的基础上，较系统地研究了e m 技术对池塘水体各项主要污染指标的去除 性能。结果表明，b o d 。的去除率达7 0 7 ，c o d 。去除率在6 0 以上，对氮、 磷的转化去除可达7 5 以上，各项污染指标已达到g b l 2 9 4 1 - 9 l 景观娱乐用 水c 类水质标准。 1 3 3 3 生物膜技术生物膜法是指用天然材料( 如卵石) 、合成材料( 如 纤维) 为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为 微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。主要工艺 方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法对于受有机物 及氨氮轻度污染水体有明显的效果。日本、韩国等都有对江河大水体修复 的工程实例。位于日本江户川1 支流坂川古崎净化场，是采用生物膜方法对 河道大水体进行修复的典型工程0 1 。从投入运行8 年的观测结果表明，河 道的微污染水体的水质有了明显改善。 目前，国内还没有成熟的生物膜技术应用于河流治理，但有一些与生 物膜法相关的新工艺。如悬浮填料移动床技术，是以比重接近于水的悬浮 填料直接投加到曝气池中作为微生物的活动载体，依靠曝气池内的曝气和 水流的提升作用使其处于流化状态，是悬浮生长的活性污泥法与附着生长 的生物膜法相结合的一种工艺。采用它处理苏州河支流河水，试验结果表 明：填料填充率为5 0 ，水力停留时间为l h ，进水c o d 。，为4 4 - - 2 3 2 m g l 和b o d 5 为1 9 1 0 1 m g l 时，出水c o d 。，为3 4 1 m g l ，b o d 。为9 1 m g l 。在 适宜的水温条件下，进水氨氮3 0 m g l ，水力停留时间为1 5 h 时，也能 取得较好的氨氮去除效果。为了适应近年来，研究学者们在治理城市景 观水体、富营养化湖泊时，尝试直接向水体投加诸如阿科曼之类的生物填 料，微生物在生物基上形成生物膜，通过直接的接触氧化降解污染物，取 得了不错的治理效果。唐玉斌口2 1 等利用针状球形填料的生物膜工艺对上海 华东理工大学校园的青春河河水进行了试验研究。上海市区的北新泾港、 张家塘、漕河泾港也采用了生物膜技术进行过修复研究。 6 第一章绪论 1 3 4 生态，恢复技术 1 3 4 1 水生植物恢复植物修复技术是利用高等水生植物( 沉水植物、浮 水植物和挺水植物) 及其根际的微生物共同作用去除水体中污染物的原位 生态治理技术，其机理主要是利用植物及根际土著微生物的代谢活动来吸 收、积累或降解转化水体中的污染物阳3 1 。 大部分水生高等植物都有发达的根系，能够吸收利用水中的营养物质 和有害物质。同时，根系也寄居着众多的异养微生物，通过微生物的同化 及异化作用去除水中有机污染物口4 。3 朝。2 0 世纪6 0 年代，欧洲和北美的学 者就开始研究植物的生物降解浸染物的研究，开发投资少，治理效果好的 水生植物人工湿地污水处理系统引。研究表明，在水体中种植合适的水生 植物，可以大量吸收去除水体中的n 、p 等营养物，降低水体的营养物负 荷，大大提高水质。因此，河岸的水生植被恢复在河流污染治理中越来越 受到专家学者的关注。丹麦于1 9 9 8 年开始实施了一个国家性的河流湿地 修复项目，旨在改善河流的水质 。李睿华口引等利用2 种混合植物带( 香 根草+ 沉水植物、湿生植物+ 香蒲+ 芦苇) 对受污染河水进行中试研究，结果 表明，混合植物带对污染物的降解效果优于无植物空白带，其中香根草+ 沉水植物带效果最好，它在整个运行期间对c o d 。，、氨氮和总磷的去除率分 别为4 3 5 、7 1 1 和6 9 3 。 1 3 4 2 人工湿地技术人工湿地是一种新兴的污水处理工艺，具体讲， 人工湿地是人为地将石、砂、土壤、煤渣等介质按一定的比例构成，并有 选择性地植入水生植物的污水处理生态系统，介质、水生植物和微生物是 其基本组成。人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为：( 1 ) 浮水植物系 统；( 2 ) 挺水植物系统；( 3 ) 沉水植物系统。沉水植物系统还处于实验室阶 段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的深度处理。浮水植物主 要用于n 、p 去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都 是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流形式可建成自由表面流和潜流 系统。 人工湿地的净化过程涉及物理、化学、生物等多方面综合作用，对污 染水体的净化主要通过以下几个途径口9 。删：过滤和截留去除颗粒物；湿地 介质的吸附、络合、离子交换等作用去除磷和重金属离子；湿地微生物降 解有机污染物、去除水体中的氮；植物吸收去除水体中的氮、磷，富集重 金属。 欧洲许多国家建立了芦苇床污水处理系统，应用于小城镇的污水处 7 广东t 业大学硕士学位论文 理，例如，k e r n n 等用芦苇床处理生活污水试验中，c o d 、t n 、t p 等的净 化去除率变化在8 0 - - - 9 9 之间。 在我国，人工湿地的研究起步较晚，1 9 8 8 年北京昌平人工湿地试验是 首例对人工湿地进行的系统性研究h 引。1 9 9 8 年初建成的成都活水公园利用 人工湿地塘床，成功修复了公园水体，展示了人工湿地在水体修复中的应 用前景3 1 。张平远h 引利用满江红处理生活污水中的氮、磷等物质，也取得 较好的效果。t a n n e r h 胡等通过对潜流湿地系统中芦苇、香蒲的收割实验发 现，每克干重芦苇、香蒲能净吸收污水中1 5 - - 3 2 m g 氮。这表明湿地植物 对氮均具有一定的吸收作用。吴振斌等h 明报道芦苇一水葱一菱白一营蒲一 麓草一苔草等植物组合的垂直流人土湿地系统除磷效率及稳定性均高于 无植物对照，去除率为4 0 - - 6 0 ，其中菱白一曹蒲组合的总磷平均去除率 达6 5 ，且对藻毒素有一定的去除作用，芦苇一水葱一菱白一营蒲组对藻 毒素的去除率分别为6 8 5 和3 4 6 ；在三种主要藻毒素r r 、y r 、l r 中， 对y r 的去除效果最好，出水浓度在检测限以下h 。m c j a n n e t 等采用人 工湿地方法处理城市污水，研究表明，污水中大约5 的磷能够被湿地植物 吸收利用。这说明高等水生植物能有效净化水体中的氮、磷等富营养化物 质。 水生植被修复技术作为一种生态修复技术，对于污染河涌的生态系统 重建起着关键的作用，可以达到水质生态的全面恢复，而且治理成本较低， 选择具有观赏性的植物还可以美化水体，在河涌治理中具有广阔的应用前 景，近年来吸引了国内外很多的研究学者。目前，国内外研究的热点集中 在去污能力强的水生植物的筛选、植物耐污能力的研究、水力条件对植物 的影响、植物生物床的构造等。 1 3 4 3 植物浮床技术植物浮床技术是一种水环境治理与水生态修复 相兼顾的实用技术，其内涵是运用无土栽培技术原理，以可漂浮材料为基 质或载体，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技 术。采用该技术可将原来只能在陆地种植的高等陆生植物种植到自然水域 水面，并能取得与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果。人工生态 人工生态( 浮) 岛的建立就是对河流生态系统的恢复h 引。人工浮岛是种筏 状浮床，上面种植能大量吸收水中氮、磷的植物。其净化机理表现在两大 方面。首先，发达的植物根系可吸附水中的大量胶体，并逐渐在植物根系 表面形成生物膜，吞噬和降解水中的污染物，使其变为简单的营养物质供 给水生植物，通过收获水生植物减少水中营养盐；其次，人工浮岛通过遮 挡阳光抑制藻类进行光合作用，并通过接触沉淀作用促使浮游植物沉降。 第一章绪论 日本为进一步净化渡良懒蓄水池的水体，曾在蓄水池中部建了一批人 工生态浮岛，在岛上种植芦苇等植物，其根系附着微生物。浮岛还设置了 鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼及底栖动物设有栖息地。芦苇、微生物、 小鱼及底栖动物等就形成形成稳定的植物微生物一动物净化系统。需注 意的是，生态( 浮) 岛净化能力的大小受底栖生物数量的左右，尤其是多毛 类底栖生物能使生态岛的净化能力有很大提高。马立珊晦叫等人利用香根草 分别净化南京秦淮河、金川河、玄武湖的富营养化水体，生物量可高达 7 5 0 t h m 2 a ，可以在理论上去除氮、磷的量分别达1 1 2 5 1 3 2 5 k g h m 2 a 、 4 5 0 一- , 6 0 0 k g h m 2 a 。王旭明哺等研究表明水雍菜对污水中的氮、磷和化学 耗氧量具有明显的去除效果。由文辉等陆纠研究表明水雍菜和水芹菜具有很 好的净化效果和经济价值。刘士哲哺3 1 等人利风车草、彩叶草和茉莉净化富 营养化污水，得出了三种植物对氮磷、化学需氧量的净化能力为：风车草 最好，彩叶草次之，茉莉最差，并提出今后还需要进一步对污染物吸收量 更高的具有观赏价值的植物进行筛选。 宋祥甫等进行的浮床水稻试验哺们表明，水稻在富营养化水体表面生长 发、育良好，同时对水体中氮、磷营养物质有十分显著的去除效果。水稻 覆盖率越高对水体中氮磷的去除率越高，如覆盖率6 0 的浮床水稻对氮磷 的去除率分别达到5 8 7 和4 9 1 ；从单位面积浮床水稻对水体中氮磷的 去除效果看，水稻覆盖率越低，其去除效果越好。 刘淑媛等进行的人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体试验阳引 结果显示，多花黑麦草、水蕹菜对氮的去除率达到8 0 以上，对磷的去除 率可达约9 0 ；水芹对氮磷的去除率( 除t n 外) 达到7 5 以上。利用经济植 物净化富营养化水体既改善了富营养化水体水质，获得环境效益又有利于 经济作物的生长从而得到了经济效益。 以上各项技术是国内外研究学者在多年的实验探索和工程实践中取 得的成果，在河流治理中也取得了很多的成功案例。同时，一些技术还在 起步阶段，还有待进一步研究，提高治理效率，降低治理成本。由于城市 河流是一个复杂的生态系统，污染内河涌的生态平衡受到严重的破坏，治 理内河涌污染是一个综合治理工程，需要针对不同河流的实际情况，综合 采用多种工程技术措施，多管齐下，才能保证治理工程的可达性。因此， 多种技术结合，互补不足，提高治理效果是以后一个主要的研究方向。此 外，河流修复是一个复杂的过程，其中的机理还有待更进一步的探索。 9 广东工业大学硕+ 学位论文 1 4 生物接触氧化与植物浮床组合技术的应用前景 生物接触氧化与植物浮床组合技术具有一定的创新性和较强的实用 性，能够取得良好的经济、社会和环境效益，应用前景广阔。尤其对于包 括我国在内的发展中国家，环境污染和生态破坏都很严重，而环保投入又 有限，植物净化技术将是一种很好的污染治理手段。我国部分城市水资源 缺乏，如能因地制宜，发展以植物为核心的净化系统，在污水处理过程中 利用从污水资源转化而来的生物能源和资源，将是非常有意义的。 ( 1 ) 生物接触氧化与植物浮床组合技术利用生物填料形成的生物膜和 植物的根部和综合作用对水体进行净化，最终收获植物去除污染物，改善 水质状况。同时创造适宜多种生物生息繁衍的水环境，在有限区域重建并 恢复水生态系统，大大促进了城市景观水体的生态修复，增加了水生态系 统的抗冲击弹性，对于生态城市的创建提供了良好的条件。 ( 2 ) 生物接触氧化与植物浮床组合技术可以为后期采用人工种植水生 维管束植物进行治理创造更好的生存水环境。利用陆生植物对水体中氮、 磷等营养物的吸收，大幅度减少水体中过量营养物以及其它有害物质，使 水质得到较大改善，提高水体透明度，为水生动植物的生存营造一个良好 的水体环境条件，从而维持景观水体水质，缓解城市景观用水极为短缺的 现状，减少生态用水量。 ( 3 ) 生物接触氧化与植物浮床组合技术可以克服以往直接采用凤眼莲 等漂浮植物净化水质易带来后遗症和成为新的公害的缺点。将净化与利用 相结合，变有害于水体的营养物为陆生植物的养分来源，拓宽了净化水质 的植物领域。同时将广泛应用于原水和废水处理中的生物填料引入到河湖 水的直接净化技术中，大大提高了水质净化效果，为大量微生物、原生动 物、后生动物营造了良好的栖息地。 ( 4 ) 生物接触氧化与植物浮床组合技术实施过程中不但能确保对人体 的健康和对水生生物有安全保障，更重要的是它能在治理过程中同时起到 美化水域景观的作用，郁郁葱葱开满鲜花的浮床成为城市中一道亮丽的风 景。同时，该技术的实施成本远低于其它物理生态工程，投资少、风险小、 不产生二次污染。 1 0 第一章绪论 1 5 本课题研究的内容、基本思路和创新点 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 污水测试指标：d o 、p h 、c o d 。，、n h 。- n 、t n 、t p 和生物相变化； ( 2 ) 植物生理学指标：生长势、植物生长速度等； ( 3 ) 跟踪分析填料生物相在运行整个过程的变化，并根据各水质指标 在这个过程中的相应变化，分析各污染物的转化和去除与生物相中微生物 种类数量变化的关系； ( 4 ) 研究不同温度、停留时间、和不同溶解氧对黑臭水体净化效果的 影响： ( 5 ) 分析整个实验过程中各水质指标之间的变化关系，找出河涌水质 恢复过程中污染物迁移转化、去除的机理； ( 6 ) 筛选优势浮床植物； ( 7 ) 研究生物接触氧化一植物浮床技术对黑臭水体净化效果。 1 5 2 基本思路 本实验的总体思路是通过改造一个长方形池体，长1 3 米，宽、高均 为1 2 5 米，处理黑臭水沟污水，构造一个河道模拟系统。在池底固定由 科发公司提供的生物基，投加复合优势菌，以微孔软管曝气圆盘提供足够 的溶解氧，让微生物在生物基上挂膜，通过微生物的氧化分解作用降解水 中污染物，改善污水水质。并通过跟踪流动河水中各污染物的浓度变化和 填料中生物膜的生物相变化，优化运行条件。等运行一段时间后再加入植 物浮床，探讨以生物一生态技术净化内河涌黑臭水体的效果。 1 5 3 本课题创新点 ( 1 ) 本课题研究提出以生物基为载体并投加复合优势菌直接处理内 河涌水体。虽然已有研究学者应用生物填料对低污染河流、湖泊的污染防 治进行了研究，但是以生物填料再投加复合优势菌治黑臭内河涌的研究报 道在国内尚未发现。 ( 2 ) 提出运用生态恢复与微生物治理相结合的系统论方法对内河涌 进行综合整治。已有的研究和工程实例要么侧重于河涌的人工湿地去除污 染物，要么侧重于人工曝气微生物降解。而本研究提出以生物接触氧化一 植物浮床技术来净化黑臭水体，具有一定的创新性。 第二章实验装置材料与方法 21 实验材料与仪器设备 211 实验装置 制造一个长方体沟形装置，长1 3 m ，宽、高均为1 2 5 m ；在池底铺有 2 0 c m 的污染淤泥，以模拟河涌的底泥释放过程；处理的污水来自旁边的黑 臭水沟，水沟的污水主要来源是上游居民生活污水，以模拟污染河涌水质； 污水通过一个自动装置控制水泵打入水箱里再流到反应池体，水流从左往 右流，以模拟河道的水力流动。河道模拟装置结构如图2 一l 所示。 图2i 实验装置模型 f i g2 - 1m o d e lo fe x p e r i m e n t a lc o n f i g u r a t i o n 第二章实验装置材料与方法 2 1 2 曝气装置 本试验采用微孔软管曝气。曝气软管采用新型高分子材料制成，管壁 密布小气孔。小孔在管壁内呈线形蜂窝状分布，