1、弹性填料净化受污染入湖河流的现场试验研究第 29 卷第 5 期2008 年 5 门环境科学ENVIRONMENTALSCIENCEVo】.29.No.5May.2008弹性填料净化受污染入湖河流的现场试验研究田伟君.,郝芳华,翟金波(1.北京师范大学环境学院,北京 100875;2.中国海洋大学环境科学与工程学院 ,青岛 266003;3.河海大学环境科学与工程学院,南京 210098)摘要:利用新型弹性填料作为生物膜载体,将其直接布置在林庄港河道中 ,研究在不影响河流生态系统结构和使用功能的前提下,弹性填料对河流微污染水体的强化净化效果.现场试验在挂膜成功后共运行了半年.结果表明,弹性填料对
2、氨氮的去除效果最好.它在整个运行期间对高锰酸钾指数的平均净去除率为 5.4%,其中最高为 9.9%;氨氮净去除率在 5.35%39.91%,总磷的净去除率最高也达到 28.6%.同时细菌学检验结果表明,高锰酸钾指数的去除率与附着在填料丝上的异养菌的数量存在正比关系;而亚硝酸菌和硝酸菌的数量也与氨氮的去除率变化相匹配 .关键词:弹性填料;富营养化;生物膜;亚硝酸菌;硝酸菌中图分类号:X524 文献标识码:A 文章编号:0250330I(2008)05I30805ElasticityPlasticFilllerforPurificationofPollutedStreamsinsituEnteri
3、ngLakeTIANWeiiun,HA0Fang-hua,ZHAIJin.b0(1.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Thebiofilmproc
4、essusinganewtypeelasticityplasticfillerwasadoptedinatypicalpollutedstreamenteringtheTaiLake(theLinzhuanggang).Theexperimentsatpilotscaleranfnrabout0.5years.Resultsshowtheaverageremovalpercentageofpermanganateindexbybiofilmattachedt()theelasticityplasticfillerisabout5.4%.thebiggestremovalpercentageis
5、9.9%,theaverageremovalpercentageofNH:一 Nisapproximately5.35%一39.91%,thebiggestremo,alpercentageofTPis28.6%.Andthebacteriologicalexperimentalresultsshowthereisthesamechangelawsbetweentheremovalpercentageofpermanganateindexandthenumbersofheterotrophicbacteria;thenumbersofammoniaoxidizingbacteria(AOB)a
6、ndnitriteoxidizingbacteria(NOB)arematchingwithremovalofNH4+一 N.Keywords:elasticityplasticfiller;eutrophication;biofilm;ammoniaoxidizingbacteria;nitriteoxidizingbacteria入湖河道是补给湖泊的主要水量来源,但目前由于人口激增和工农业生产的日益发展使大量的污染物质排进入湖河道.,结果导致入湖河道污染严重,同时也进一步加重了湖泊的污染负荷.因此,许多国家已经开展修复受污染河流的研究.目前,修复方法研究大体可归纳为 3 种:一是重建河流周
7、围浅滩,增加河流蜿蜒度,从而增加河流的生境多样性和抗逆性;二是充分利用河滨或河岸水分和营养充分的特点,先恢复植被以吸引各种动物在此栖息,进而以此为植物源向周围传播和扩展;三是要从整个生态区或大的景观层次上进行治理,因为人类对自然界的影响是大尺度的,而导致水体退化的原因主要不是水体本身,而多是在与其相连的其它生态系统中形成,然后通过水流等排入引起的.但无论是采用何种修复方法,水质的恢复都是最重要的,河流生态系统的许多物种,如沉水植物(狐尾藻等)只有在清洁的水中才能生存,可见河流水质的改善是其它修复方法使用的前提,而利用生物膜技术净化受污染的河水则由于能得到立竿见影的净化效果,逐步成为各国研究的热
8、点.本研究采用自行研制的新型弹性填料直接布设在河道内的生物接触氧化法.对河流微污染水体进行水质的强化净化分析.1 材料与方法1.1 弹性填料及其在河道内的布设新型弹性生物填料是仿照河流生态系统中的臭轮藻(Charafoetida)设计而成的,见图 1.臭轮藻是天然河流中比较常见的一种藻类,常生长在静水或慢流的水中,其高可达 60cm.它的存在是整个水生动植物群落多样性的基础,许多细菌和真菌类也大多粘附在轮藻等大型藻类的茎和叶上.此外,轮藻的茎也极具柔性和韧性,能随水流流动而来回摆动,对水流的阻力较小.新型弹性填料就是强调臭轮藻的收稿日期:20070530;修订 13 期:20070716基金项
9、目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412303);国家自然科学基金项目(4047l127)作者简介:田伟君(I976 ), 女,博士后,讲师,主要研究方向为水污染控制,E-mail:5 期田伟君等:弹性填料净化受污染入湖河流的现场试验研究茎的柔性和韧性,枝和叶的可附着性,以填料的支杆仿照轮藻的茎,中心扣环仿照轮藻的节,填料丝仿照轮藻的叶研制而成的.本试验采用的弹性填料的规格为:填料片的直径为 150mm,相邻填料片的间距为 80mm,支杆的直径为 4mm.叶(a)轮藻(b)新型弹性填料图 1 填料“仿生 “示意Fig,1Newtypeelasticityplasticfi
10、ller试验河段的具体位置在宜兴市大浦镇林庄港.林庄港是太湖众多入湖河道中的一条典型小河道,经往年监测数据可知,其水质长期属于地表水环境质量标准(GB3838.2002)中的劣类.和其它入湖河道一样,其水质的好坏直接影响到太湖的水质状况,本研究将其作为试验河道,而设置填料的试验河段则位于林庄港的上游段.此外,因在现场无岸坡条件和水文条件完全相同的 2 条河道,而林庄港的河床及岸坡因“863“项目的清淤及护岸建设,情况基本一致.因此将试验过程中的对照段和填料段设置在同一河流相连的两段.试验河段总长为 120Ill,水面宽 8.6Ill,试验河段的前 60Ill 作为对照河段(无填料),即考查该河
11、段污染物质的自然净化能力,后60Ill 为设置弹性填料的填料河段,其总净化能力为填料上生物膜净化与河段自然净化能力的总和.弹性填料的布置形式为:中部留有 2.6Ill 宽的“蛇形“航道,填料布置在航道的两侧,布置间距为 40cm40on,即填料的布设密度为 9 根/m(见图 2).图 2 弹性填料在河道内的布局Fig.2Layoutofelasticityplasticfillersinthetestsection1.2 试验方法本研究选取 712 月作为试验期,它涵盖了河流的 3 个水期.但由于 2004 年江苏地区是一个干旱年,各河道(包括试验河段)的水量均小于往年,无丰水期,试验期间水位
12、情况如表 1 所示,79 月的水位大约在 1m 左右,属于平水期范围;从 10 月份开始,水位降到 85on 以下(雨天除外),开始进入枯水期,到 12 月份已降到 70on 左右.所以本试验在 6个月的试验期间,只能考察 2 个水期(平水期和枯水期)高锰酸盐指数,N.N 和 TP 的去除效果.表 1 试验期间的水力条件Table1Hydrographicconditioninsamplingperiod1.3 采样及检测的试验设计采样频率:3 次/月;采样断面及采样点设置:试验河段相对 0,60 和 120Ill 处设 3 个取样断面,每个断面在距右岸 1.5m 的填料内部取上(距水面 30
13、cm),下( 距水面 60cm)2 个取样点;分析检测的项目:高锰酸盐指数,NH4.N,TP,SS 等水质指标,弹性填料微生物镜检,细菌总数和硝化菌数量.其中,高锰酸盐指数,N.N,TP,SS 等水质指标监测方法均依据文献12 进行,细菌总数采用菌落总数快速检验纸片测定,硝化菌数量采用 MPN 法测定.2 结果与分析2.1 高锰酸盐指数的净化规律与机理712 月间高锰酸盐指数的去除效果如图 3 所示.由于河道水位较低,所以本试验河段存在往复流现象,图 3 中 07.25,11-12 和 12.04 出现倒流现象,因此在该时段内水流是先进入填料段后再进入对照段.环境科学曼籁炳惺_0m60m=12
14、0m一对照段的去除率一填料段的总去除率I一填料段的净去除率,.,./衾露.:_一一.,.I.07250726072708-2508-2608-2709250926092710-2410251026111211131114120412051206采样日期/月一日图 3 试验期间高锰酸盐指数的去除效果Fig.3Degradationeffectofpermanganateindex从图 3 中可以看出,在平水期期间(79 月),填料丝上附着的生物膜对有机污染物质的净化能力较强,高锰酸盐指数净去除率保持在 10%左右,其中 7 月份对照段的自然净化率最稳定,均在 2%左右,填料段的总去除率也比较高且
15、稳定,最高达到了11.4%,从而使净去除率的平均值达到了 8.33%;枯水期间(10 12 月), 随着气温和水位的不断降低,弹性填料段的净去除率也开始下降,到 12 月份甚至出现了负值,这可能是由于进入 12 月份后,填料段内的水生植物开始死亡,腐败,使该段的有机质含量增高,从而导致该段内的有机质浓度不降反而增高,即去除率出现负值.由于水体中微生物可利用的基质浓度低,因此参与净化的菌类主要是高好氧性的贫营养菌,藻类,原生动物和微型的后生动物.其中去除有机质的菌类主要是异养菌.异养菌数量与有机质去除效果的关系如图 4 所示,图 4 表明填料丝表面附着的异养菌的数量与有机质的去除率具有相同的变化
16、趋势.同时,细菌学检验表明填料丝附着的生物膜内的异养菌主要有芽孢杆菌属,假单胞菌属,动胶菌属等,此外在生物膜上还可以观察到丝状菌的存在.2.2N.N 的净化规律与机理试验期问 NH;.N 的进水水质较好,除 8,11 和12 月外,其余各月 N.N 的进水水质均在地表水环境质量标准(GB3838.2002)中的类以内,这在一定程度上影响到 N.N 的去除效果.图 5 表明,N 町.N 净去除率的最高点为 7 月的 39.91%,然后缓慢下降到 12 月的 5.35%,这一阶段内出现了 2 个“波谷 “,1 个出现在 8 月,另 1 个则出现在 10 月,出现“ 波谷 “的 2 个月份试验河段均
17、处于静止状态 ,无201510s.嚣.51015月份目籁斑蒜图 4 细菌总数与有机物去除效果的关系Fig,4Relationshlpbetweenthenumbersofheterotrophicbacteriaandpermanganateindexremoval水流流速,填料由于缺少水流的冲刷作用,生物膜厚度增加.经观察,增加生物厚度的主要物质为藻类和悬浮颗粒,这在一定程度上影响了氧和基质在生物膜内的传递过程,导致硝化菌数量的减少.填料丝上亚硝酸菌和硝酸菌数量从 7 月份的 3.6410个?m 和 3.13104 个?m 减少到了 8 月份的 2.0710 个?m 和 1.4210 个?m
18、( 如图 6 所示),硝化菌数量的减少必然导致 NH4+.N 净去除率的降低.10 月份也存在同样的情况.而且从图 6 还可以看出NH4+.N 的去除率与硝化菌数量有相同的变化规律,这进一步说明试验河段内的 NH;.N 的去除主要是靠硝化菌的硝化作用.2.3TP 的净化规律与机理如图 7 所示,在 79 月填料段对 TP 的去除明显高于对照段的,说明填料的设置在一定程度上增强了 TP 的去除效果,但由于试验河段的 TP 浓度较低,因而影响 TP 去除率,使 TP 的去除率不高,均在5O5O5O5O5O99887766550987654321O褂逝建霹5 期田伟君等:弹性填料净化受污染入湖河流的
19、现场试验研究50篓 o蹇 30露 20塞 10O_0m60m 亡=120m 一对照段的去除率一填料段的总去除率I一填料段的净去除率07.2507.2607.27O8.2508.26O8.2709.2509.2609.27lO.24lO.25lO.26l1.12l1 一l3l1.14120412.051206采样日期/月.日图 5 试验期间 NrI+一 N 的去除罄果Fig.5DegradationeffectofNHgN图 6 硝化菌数量与氨氮去除率的关系Fig.6RelationshipbetweenthenitrobacteriaquantityandNH4+一 Nremoval06o5o
20、403 籁o:0 舞35%以下 .但从 10 月份开始,填料段对 TP 的去除开始呈下降趋势,到了 11 和 12 月出现了对照段 TP 的去除率高于填料段的异常现象,甚至 TP 在填料段的浓度不降反而增高,这与试验期间河流大多处于静止状态有直接的关系.10 月份,进入了藻类的暴发期,而填料的设置给藻类提供了依附地,再加上这时水流处于静止状态,引起了大量藻类滞留在填料段内.大量的藻类是 10 月填料段 TP 去除率降解的主要原因.到了 11 和 12 月,气温下降,依附填料生长的水生植物开始枯萎和死亡,植物体内的磷被释放重新进入水体,这导致了填料段内 TP 浓度不降反而_0m60m 亡:二12
21、0m一对照段的去除率一填料段的总去除率一填料段的净去除率O7.25072607.2708.2508.2608.2709.2509.2609.2710.2410.2510.26l1.12lll3l1.14l2一 O4l2.O51206采样日期/月.日图 7 试验期间 TP 的去除效果Fig.7DegradationeffectofTP升高的现象出现.天然河流中无法满足生物膜除磷的条件,因此可以认为本研究中填料段 TP 浓度的降低不是由微生物作用引起.而在试验中发现 TP 的去除与悬浮物(ss)的去除存在相似的规律,如图 8,在 TP 去除正常的 79 月 TP 的去除曲线和 SS 的去除曲线存在相同趋势,这说明填料段对 TP 的去除主要是依靠
