人工水草技术在污染河道治理中的应用进展
2015-10-21滕庆晓王涌涛庞燕黄天寅项颂
滕庆晓 王涌涛 庞燕 黄天寅 项颂
摘要 近年来，河道污染问题日益严重，各种水质净化技术越来越引起人们的关注。水质原位净化技术凭借其经济、高效等优势应用日趋广泛。首先对河道原位修复技术在国内外的研究应用进行了概要介绍，随后对人工水草技术进行了详尽的阐述，最后指出了人工水草技术在研究与应用上存在的问题并进行了展望，以期为相关领域的人员提供参考。
关键词 污染河道;原位修复;人工水草
中图分类号 S181.3 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2015）03-269-04
Application Progress on Polluted River Treatment by the Technology of Artificial Plants
TENG Qingxiao1，2， WANG Yongtao1， PANG Yan2et al （1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215009; 2. Research Center of Lake Ecoenvironment， Chinese Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012）
Abstract In recent years， city river pollution problem is increasingly serious. Various water purifying technologies have attracted more and more attentions. Insitu water purifying technology virtues by its advantages， efficient， sustainable economy and others. This paper systematically introduces the research and application progress of river remediation technology at home and abroad， then the artificial plant technology is discussed in details， finally pointed out the existence of artificial plant technology in research and application problems， so as to provide some references for the studies within the relevant field.
Key words Polluted river; Insitu remediation; Artificial plant
基金项目 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07105003）。
作者简介 滕庆晓（1988- ），男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向：水污染控制。
收稿日期 20141209
自古以來，人类的生存就离不开水，而我国是世界上水资源最贫乏的国家之一。《2012年中国水资源报告》指出，全国16个省市水资源量低于严重缺水线[1]，其中，山东、山西、河南、河北、宁夏、江苏严重缺水，而这些省市大多处于京津唐、沪宁杭等经济发达地区。因此，水资源严重缺乏的问题已经严重影响了我国经济发展。
近年来，国家大力发展城市现代化建设，工业发展水平不断加快，造成了城市河道低溶解氧、低透明度、高氮磷污染的现状，导致水生植物无法生长、河道“荒漠化”的恶果。故以改善河道水环境质量、恢复水生态原状、提高水体自净能力为目的的河道原位修复技术越来越得到重视。
1 污染河道原位修复技术进展
河道原位修复技术是在原有河道基础上，在河道中加入一定载体，利用载体及上面的生物群落对污水中的污染物起到净化作用[2]。原位修复技术可以分为物理技术、化学技术和生物技术。相较于物理技术和化学技术，生物技术具有自然高效、简单灵活等优势，日益受到国内外青睐。
1.1 物理技术
物理技术主要通过打捞、疏浚等方法处理水体内的大型藻类、枯枝落叶、底泥等可见污染物;或通过曝气增加水体内溶解氧浓度，为水生微生物好氧分解有机污染物提供条件，帮助河流生态系统恢复正常。它具有技术含量低、成本低、见效快等优点。
早在20多年前，国内外就对物理技术进行了探索。浙江省在“十五”期间对全省1.11万km河道进行了疏浚，总工程量近5亿m3[3]，有效解决了浙江省内河道排涝不畅、水体黑臭、水环境状况差的问题;在河道曝气方面，上海苏州河支流新泾港[4]经过纯氧曝气后，新泾港黑臭河水得到改善，DO显著升高;在广东朝阳进行了水车式增氧机、叶轮式曝气机、射流式曝气机在复氧方面的对比试验，试验发现，在功率相同的情况下，水车式增氧机在恢复河道环境、去除污水污染等方面均优于其他两种机型[5];同期，美国在Chesapeake海湾的Hamewood运河也完成了实地研究，他们在河口安装曝气设备为水体充氧，使得河道内水质明显净化，生物量大量增加[6]。在上海张家浜河道，人们则通过曝气复氧船的方式对黑臭河流进行水质恢复，取得显著效果，且无二次污染[7]。但物理处理技术只是一种应急措施，很难从根本上解决水质污染问题。
1.2 化学处理技术
化学处理技术是指通过添加化学试剂，析出水体中的有机污染物、改变水体中氧化还原电位、或者将水体中的悬浮物絮凝沉淀，使水体中污染物得以去除。该技术对氮磷和藻类的去除都有相对应的方法，如利用铁盐和石灰去除氮磷;利用除藻剂去除藻类等。王曙光等对深圳4条污染河水进行处理，处理后的河水水质达到国家地表水Ⅱ类标准[8]。在日本，Sekine等将一种新型有机聚合凝结剂应用于Imou河水利工程，也取得了明显净化效果[9]。由于化学处理技术能迅速净化污水，故在许多紧急事故处理中不可缺少。但化学处理技术容易造成二次污染，甚至会破坏原有生态系统，导致生态退化。
1.3 生物处理技术
生物处理技术是指通过利用水生动植物、微生物的正常生命活动，吸附、吸收、转化水体中的污染物，从而达到水体水质净化、生态恢复的目的。更重要的是，它以恢复水体自净能力为目标，遵循自然生态规律，实现了水资源的循环再生，体现了人与自然的和谐发展。
1.3.1 水生植物治理技术。
水生植物治理技术主要通过在污染水体中种植适宜的水生植物，吸收、富集、转化水体中的污染物，同时又可以为水生动物和微生物提供氧气、食物和栖息环境，进而建立完善的生物网，达到水生态恢复的目的。水生植物处理技术在国内外早已广泛应用。王超等通过试验分析，证明了挺水植物在氨氮的去除上效果极佳，对改善河道及河岸水体生境帮助极大[10]。王庆海等则对水生植物在农村生活污水净化中的作用进行了研究，发现植物主要靠茎叶完成对氮磷的吸收，且芦竹的净化效果最佳[11]。种云霄等研究表明，通过大型水生植物进行污水深度处理，可以回收、固定能源，又不会产生毒副产物，是一种“绿色”处理技术[12]。
1.3.2 生物接触氧化技术。
生物接触氧化技术是根据水体自身挂膜现象发展起来的一种以提高水体自净能力为目的的新技术。它利用人工材料，为水生藻类、微生物提供良好的生长环境，进而形成菌胶团，再利用菌胶团吸附、吸收、分解污染水体中的富营养化物质，起到污水净化作用。它根据其内设填料不同分为自然材料（主要为砾石、卵石等）接触氧化技术或人工合成接触材料接触氧化技术。自然材料接触氧化技术主要为砾石生物接触氧化法，它是根据河道中原有砾石能起到自净效果原理设计的，在河道内填充砾石，通过附着在砾石上的生物膜降解消耗水体中的微生物，从而达到改善水体水质的目的。早在1999年，日本赤井一昭等利用接触氧化透水堤对河水进行净化，解决了水体黑臭现象[13];2001年陈辅利等通过模拟试验装置对沟渠处理污水进行了研究，COD去除率可达到80%以上[14]。该技术广泛应用于中小型河流的污染治理，取得了良好的社会、环境和人文效益。人工合成接触材料接触氧化技术则多采用人工合成的柔性材料作为填料吸附水体中的微生物。深圳市在对新州河的治理中，设置了200 m、污水停留时间6.5 h的柔性生物飘带反应区，发现水质净化效果明显，COD、BOD去除率都在90%以上。
2 人工水草技术的研究和应用进展
人工水草技术是一种新型人工合成接触材料接触氧化技术。它利用耐污染、有一定弹性的人工材料，仿照水生植物设计成具有较大比表面积的新型仿生载体，通过微生物系统自身的演替，在载体表面形成从菌类、藻类到原生动物、后生动物的立体微生物生态系统，通过微生物的物种多样性，实现治理系统的高效性和稳定性。由于其表面有大量的微生物物种和完善的食物网，使得其微生物群落对有机污染物的代谢效率远高于其他技术。同时，其上独有的“藻菌共生”体和微A/O结构使脱氮除磷的效果更为明显。
2.1 人工水草材料的研究进展
人工水草污水净化过程就是附着于人工水草材料上的微生物通过自身生长繁殖，消耗水体中污染物的过程。人工水草材料的特性对生物膜上微生物的种类数量、氧的利用效率和水力分布条件等有着重要作用，人工水草材料的选择对人工水草技术能否成功运行起关键作用。
人工水草填料的研究起源于20世纪70年代，最早是玻璃钢或塑料等制成的蜂窝状硬性填料。它由日本小岛贞男发明，并应用于污水处理领域。蜂窝状硬性填料具有耗材少、空隙率大、价格便宜等优点。但随着长时间的使用，蜂窝状硬性填料比表面积小、生物膜量小、硬质材料易堵塞等弊端暴露出来，人们的研究目光开始转向软性材料。
80年代后，由多种纤维制作而成的绳状人工水草开始得到应用。它表面积巨大，微生物浓度可以达到15 000 mg/L，且软性填料可随水的流动而流动、不易堵塞，很好地解决了蜂窝状硬性填料的问题，在国内外得到了大量应用。但软性材料在长时间使用后易纠缠成束，减小了材料的表面积，影响净化效果。针对软性材料易纠缠成束，硬性材料比表面积小的问题，北京纺织科学研究院研发出了半软性的组合填料，先把化学性质稳定的刚性有机塑料单片穿在连接绳上，再把软性材料缝制在塑料单片上。半软性材料具有比表面积大、孔隙率高、耐腐蚀、不易阻塞、便于安装等优点。至此，人工水草技术基本成熟，但由于材料比较简单，人工水草技术存在净化效率不高，只适宜处理较低浓度污染水等问题。
1995年阿科蔓（AquaMats）生态基被推广应用于水环境治理和生态修复领域，并于2001年引入国内。阿科蔓生态基是一种专门用于水质净化的新型高科技人工水草材料。它由纤维编制，经特殊工艺处理，使纤维表面形成许多凹凸不平的褶皱和微孔，增加了微生物的附着面积。阿科曼生态基除在微污染水体修复方面表现出色外，更广泛应用于城镇污水综合治理、农村面源污染综合治理、水产养殖等领域[15]。
20世纪末碳素纤维偶然被日本小岛昭教授发现，并就它对水体的净化进行了研究。随后进行表面改性，使之成为了适合人工水草技术的碳素纤维生态草。和一般的粗粒活性炭相比，碳素纖维生态草具有更发达的表面微孔结构，因此碳素纤维生态草具有更高的吸附量和吸附速率，已经被应用于水体中有毒有害污染物质的吸附去除[16]。它有极强的物理吸附能力和生物亲和性，其发达的孔隙结构可以吸引鱼虾产卵，进而形成完整的生物网，彻底改善水体。
在国内，近年来人们对人工水草材料进行了大量研究和改进。孟志国等将比表面积大、吸水能力强、价格低的无纺布用于人工水草，通过15 d的对照试验，证明其对COD与TOC、BOD平均去除率都在95%以上[17]。中科院水生所吴永红等采用多环串连人工水草，进一步扩大了人工水草材料的比表面积[18]。周熙城则给人工水草上加设强筋，使之不易缠绕和倒伏，提升净化效率[19]。韩生健采用竹竿和尼龙绳构成支撑框架，底端固定有使其在水中保持竖直状态的配重物，取得了同样的效果[20]。
43卷3期 滕庆晓等 人工水草技术在污染河道治理中的应用进展
2.2 人工水草挂膜研究进程 人工水草挂膜是指人工水草通过表面吸附作用，使具有去污能力的微生物稳定生长在人工水草表面的过程。挂膜的好坏是人工水草处理水体是否稳定的标志。
2.2.1 人工水草挂膜方式。
人工水草挂膜的方式主要有人工接种挂膜和自然挂膜。20世纪90年代初，人们多用密闭循环法人工接种挂膜，即先把活性污泥与污水混合，通过泵将之打入反应器中，经48 h密闭循环使挂膜成熟。由于密闭循环法需接种污泥数量较多，操作较为复杂等原因，逐渐被“快速排泥挂膜法”取代。快速排泥挂膜法先将活性污泥和污水加入反应器中，静置6～8 h后将其全部排出。接着加入待处理的污水，3～4 d可完成挂膜过程。俞汉青等研究证明采用快速排泥挂膜法有挂膜微生物生长速度快，附着能力强等优点。
2003年员军锋等提出采用曝气生物滤池反应器挂膜的方法，该方法先将活性污泥和营养物质加入反应器中闷曝24 h，然后将反应器中所有水体排空，再加入活性污泥和营养物质再次闷曝72 h。经4 d闷曝，生物膜生长成熟[21]。生成的生物膜由于在闷曝期间受到冲击较大，故耐冲击能力优于其他方法。
对于微污染水体的净化，人们更常用自然挂膜的方法。自然挂膜虽速度较慢，不易形成，但形成后的生物膜符合“自然优选”法则，更易对相应水体进行净化。张东等试验表明，采用自然挂膜方法对弹性人工水草进行挂膜是完全可行的[22]。
2.2.2 影响生物膜形成因素的研究进程。
人工水草技术主要通过生物膜上的微生物对水体进行净化，故生物膜形成的好坏是人工水草技术能否高效运行的关键。生物膜的生长除与人工水草材料类型相关外，也与温度、pH、溶解氧、水源水质等外界因素有关。
2.2.2.1 温度。
温度通过影响微生物的生长影响挂膜。人工水草上的微生物多为中温生长生物，其适宜的温度范围为20～30 ℃。若温度高于35 ℃，对微生物的酶系具有破坏作用;若温度低于10 ℃，微生物的生长及净化作用显著减慢。周浩辉等采用生物陶粒滤池在三家店水库进行试验，发现当水温在20～25 ℃时，氨氮的去除率为90%～99%;水温5～10 ℃时，氨氮的去除率为80%～90%;水温低于5 ℃时，去除率在65%～80%之间[23]。陈洪斌等的试验也证明，在温度低于20 ℃时，温度对氨氮的去除影响较大[24]。张东等利用生物接触氧化法对微污染水进行挂膜研究。结果表明，挂膜过程受水温影响很大，水温较低时挂膜比较困难，水温15 ℃以上挂膜相对容易。其他条件相同时，挂膜成熟时间随水温的升高而缩短[25]。综合文献可知，当水温高于25 ℃时，微污染原水弹性填料挂膜时间一般为1～3周;当水温为15～20 ℃时，则一般需4周左右。
2.2.2.2 pH。pH主要通过影响微生物体内酶的活性影响微生物的生命活动。不适宜的pH会导致酶的活性降低甚至失活，进而影响微生物的生命。Garrido等在试验中证明，试验进、出水pH的变化可以反映人工水草挂膜程度的好坏[26]。水的pH与硝化细菌的生长繁殖密切相关，硝化细菌在进行硝化反应时会产生氢离子，当水体成碱性时，可将之中和;但当水体呈酸性时，就会影响硝化细菌的正常生命活动，影响硝化细菌的生长。
2.2.2.3 溶解氧。
溶解氧是影响微生物生长的关键因素。在好氧环境下，污水中的氨氮通过硝化细菌的硝化作用转化为硝态氮。随后在生物膜内部的厌氧层进行反硝化，把硝态氮转化为氮气，从而达到脱氮的目的。在实际操作中，人们大多采用曝氣方法增加水体中的溶解氧浓度，但曝气量过大会对生物膜产生强烈冲刷，造成生物膜不易生长。张东等试验证明，采用2 m3/（m2·h）的曝气强度和1∶2的气水比进行曝气，可使水体中的溶解氧保持在5 mg/L[23]。
2.2.2.4 处理水质。
污染水体的水质不同，水体中的微生物种类、各污染物的含量和比例也有区别。在污染物浓度比较低的污水中，微生物的生长会因营养物质不足进行内源呼吸，不能达到较好的净化效果。张兴文等采用MBBR方法处理低浓度生活污水，由于水体中COD含量较少，挂膜失败，随后外加营养物质，挂膜成功[27]。
2.2.3 挂膜成熟标志的研究进程。
人工水草挂膜是否成熟，通常以有机物或氨氮的去除率是否稳定为标志。对于以脱氮作为主要目的的人工水草项目，由于硝化细菌生长速度缓慢，通常以氨氮的去除效率是否稳定为标志[28]。陈洪斌等[29]则建议以生物学指标作为挂膜是否成熟的标志。在挂膜成熟后，填料上会附着厚度约0.04～0.12 mm的褐色微生物膜，这可作为挂膜是否成熟的标志。
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