原位生物膜技术去除水源藻类研究

梦岩

原位生物膜技术去除水源藻类研究
徐乐中．李大鹏
(苏州科技学院环境科学与工程系，江苏 苏州 215011)
摘要：考察了原位生物膜技术对水源水中藻类的去除率。试验结果表明：原位生物膜技术对藻类具有较好的去除效果，去除率稳定在80％ 左右；随着水力停留时间的延长，藻类去除率显著增加。对于除藻而言．水力停留时间5 h较为合适。生物膜+高锰酸钾联用技术对藻类的去除率进一步提高， 当高锰酸钾投量为0．75 mg／L时．藻类去除率可以达到90％。试验期间，原位生物膜技术对有机物、氨氮的去除率分别稳定在40％ 、80％ 左右。由此可见，在水源水中采用原位生物膜技术是解决水厂除藻问题的一个重要途径
关键词：原位生物膜技术； 高锰酸钾； 藻类：水处理
中图分类号：TU991．25 文献标识码：A 文章编号：l009—2455(2008)03—0030—03
目前．除藻研究工作多集中在化学预氧化、高效混凝剂应用及使用改性滤料强化过滤等方面．并且，在水处理厂中除藻并不是由某一个单元工艺单独完成的，而是贯穿于整个净水工艺过程中。我国大多数水厂除藻都是集中在对水厂现有工艺的改造．这通常会增加水厂制水成本。近年来．生物处理技术在给水处理中得到了广泛的应用。研究发现．生物处理对藻类具有较高的去除率，并且可以对藻类的生长产生抑制作用。鉴于此，本文拟通过原位处理方法，在水厂取水口处设置悬浮填料作为生物载体．利用水源水中的微生物的降解作用，达到去除藻类、有机物、氨氮等污染物的目的，为后续常规处理工艺提供有利条件。
1 材料与方法
1．1 原水水质
原水取自苏州某水厂进水口，试验期间的水质见表1。
1．2 试验装置
试验装置见图1。其尺寸为长X宽X高=85cm x 85 cm x 60 cm．在反应器内部设置2块隔板．将反应器分隔成宽度分别为17、33、35 cm的3个区域。在反应器底部设置微孔曝气头3排，每排2

个，进行曝气。采用YDT型弹性立体填料。该填料的主要物理指标：填料单元直径为150 mm：丝条直径为0．5 mm；丝条密度为0．93 kg／m； 比表面积为318～370 m2／m，。试验过程中，气水体积比为0．5：1，HRT为5 h，进水流量为66．6 L／h。

1．3 分析项目及方法
藻类采用显微镜计数法测定；CODMn 采用标准方法测定；NH3一N采用纳氏试剂光度法；NO2ˉ -N采用N一(1一萘基)一乙二胺光度法。
2 结果与讨论
2．1 装置的启动
采用动态培养的自然挂膜方法，初期采用较低的气水比，14 d后，填料表面出现少许灰褐色絮状物；采用微曝气的方法，21 d后，填料表面出现一定厚度的黄褐色絮状物，此时对CODMn 的去除率稳定在30％ 左右，对NH3 一N的去除率稳定在70％左右， 即认为反应器启动成功。
2．2 对藻类的去除效果
2．2．1 原位生物膜法对藻类的去除效果
原位生物膜法对藻类的去除效果见图2。

由图2可以看出，试验初期，进水藻类含量较高，随后进水藻类含量比较稳定(2．O0×105个／L)。试验期间．出水藻类含量基本保持平稳(0．68×105个／L)，去除率保持在80％ 左右，说明采用原位生物膜技术可以有效地控制处理出水中藻类含量，其控制机理主要是生物絮凝、微生物对藻类的分解。而填料上微生物的大量繁殖．分解的化感物质又可以抑制水源地藻类的大量生长，并进一步抑制水华的发生，有利于水源地水质的恢复。由于藻类的有效去除，使出水嗅阈值显著下降。
2．2．2 水力停留时间对藻类去除率的影响
试验中分别选取了水力停留时间2．5、5、7．5、10 h，每种运行条件下稳定运行15 d，每天检测出水藻类含量。结果如图3所示。

图3显示，随着水力停留时间延长，藻类去除率逐渐增加，其中，HRT由2．5 h增加到5 h时，藻类去除率增加了113．41％ ．而尽管HRT继续增加，但藻类去除率的增加量很小。因此，从经济性
和处理效果两方面考虑，HRT为5 h是一个较为合适的水力停留时间。
2．2．3 生物膜与高锰酸钾联合对藻类的去除效果
尽管水源水经生物膜处理后，藻类去除率可以达到80％ 左右，但考虑到进水藻类基数较大，则导致出水中仍存在较多藻类。为了强化藻类的去除效果，试验中采用生物膜预处理后，再用高锰酸钾氧化的方法，考察了联用工艺对藻类的去除效果。
试验结果见图4从图4中可以看出，随着高锰酸钾投量的增加，藻类的去除率显著增加。当高锰酸钾投量为0．75 mg／L时，藻类的去除率可以达到90％。研究表明，高锰酸钾作为一种强氧化剂，其强氧化性抑制了藻类的游动性，并使具有助凝作用的生物聚合
物释放出来，提高了藻类的去除效果，并且，随着高锰酸钾投量的增加，高锰酸钾的强氧化性可以使藻细胞消散和裂解 ，为后续混凝处理创造了有利条件。

本研究的同期试验发现．高锰酸钾的氧化时间在20～30 min之间，藻类的去除率就可以达到90％ 左右。由此可见，在藻类高发期．可以在输水管道中投加高锰酸钾，利用输水时间就可以达到强化藻类的去除效果。
2．3 对CODMn的去除
由图5可以看出． 生物膜对CODMn具有较好的去除效果， 去除率保持在40％ 左右， 出水CODMn的质量浓度稳定在1．6 mg／L左右。说明采用原位生物膜法可以有效地降解水中的有机物，而难降解的有机物又可以通过微生物产生的具有絮凝作用的生物聚合物与悬浮物一起被絮凝沉淀去除。
这不仅有利于降低源水输水管道中微生物大量繁殖的风险性．并且有利于降低后续处理工艺的处理难度和处理成本。

2．4 对NH3 一N的去除
由图6可以看出，尽管进水NH3 一N的波动幅度很大，但出水NH3 一N的质量浓度稳定在0．586mg／L左右，去除率稳定在80％ 左右。有机物、氮类物质的大量去除不仅可以降低水厂处理难度和处理成本，同时可以有效地降低水源地发生水华的风险，对于水源地生态系统的恢复具有显著的促进作用。

3 结论
原位生物膜法对藻类具有较好的去除率，去除率可以达到80％左右。随着水力停留时间的延长，藻类的去除率显著增加。试验结果表明，5 h是一个较为合适的水力停留时间。生物膜与高锰酸钾联用可以进一步提高藻类的去除率。高锰酸钾的氧化时间在20～30 min之间． 藻类的去除率就可以达到90％ 左右。原位生物膜法对有机物、氨氮具有较高的去除率．其去除率分别稳定在40％ 、80％左右。

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梦岩

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梦岩

组合型浮床生态系统的构建及其改善湖泊水源地水质的效果
    李先宁，宋海亮，朱光灿，李大成，吕锡武
         (东南大学环境科学与工程系)
摘要:研究开发了一种由水生植物、水生动物及微生物膜构建的组合型浮床生态系统.在野外条件下，考察了该浮床对富营养化湖泊水在静态条件下的净化效果.结果表明，20d内TN、TP的去除率分别为83.7%和90，7%，透明度也有大幅提高.而且，组合型浮床系统对有机物尤其是难降解有机物的去除能力较强，在25d内，对r–BHC、HE、DDE、DDD、DDT的去除率分别为25.2%、63.8%、42.1%、71.6%和27 6%，氯苯、阿特拉津的去除率达5.9%和72.1% 水生动物的代谢活动提高了有机物的生物可降解性和氮磷的植物可利用性.该新型浮床可用于水源地水质改善、污水净化生态工程、富营养水体的生态恢复等.
关键词:浮床;水生植物;水生动物;微生物膜;难降解有机物
生物浮床技术将水生植物或部分陆生植物固定在浮床上，通过植物对氮、磷等营养物的吸收作用，根系附着微生物对污染物的降解作用，达到去除氮、磷等营养物，有效控制水体富营养化的目的.生物浮床具有直接从水体中去除污染物，充分利用水面而无需占用土地等特点;能够在各种水深条件的水体中应用，且造价低廉，运行管理相对容易.目前，生物浮床技术在我国的研究与应用日益增多，规模也已由试验室研究开始走向规模性示范和应用.但大部分浮床的净化主体仍仅仅是植物，研究重点也主要是对比不同植物去除氮、磷等营养物的能力，但生物量的限制使得仅通过筛选植物种类已不可能使净化效果有根本性的提高，因此必须在浮床的构造形式上有所突破.“生物共生机制、生物多样性及食物链原理”是生态工程重要的基本原理，通过人工构筑共生生态机制和食物链的“加环”可以大幅度提高生态效应和生态净化功能.本研究在普通生物浮床的基础上，通过对水生植物水生动物及微生物生态系统的合理构建，开发出一种组合型新生态浮床，并研究了其改善富营养化湖泊水源地水质的功能.
1试验条件、材料、方法
1.1组合型生态浮床的设计
组合型生态浮床如图1所示，整体为lm(长)xlm(宽)xllm(高)的长方体构造，设计成上、中、下三层结构.上层区域(1)为水生植物区，种植水生经济植物，并通过合理设置根区空间使植物根系形成“毡垫”状构造，既不影响植物的吸收功能，又提高了根系截留颗粒性污染物和藻类的能力，该区域有效高为20cm.中层区域(n)为水生动物区，笼养滤食性水生动物贝类，利用贝类的滤食作用去除污染物，并通过贝类的消化作用大幅度提高有机污染物的生物可降解性.笼网采用渔网制作成双层结构，既能满足对贝类生物量需要，又避免了贝类过度堆积，保证其成活率，该区域高为30Cm.下层区域(1)为人工介质区，悬挂兼具软性及半软性特征的高效人工介质，大量富集微生物，形成高效生物膜净化区，该部分高为60 cm.

1.2试验条件与方法
为了研究组合型生态浮床对富营养化水体水质的净化效果，在无锡市太湖梅梁湾之滨，建设3.6m(长)x2m(宽)xl.5m(高)的水泥砖砌封底试验水池2个，在其中1个水池中部放置上述组合型生态浮床，浮床面积覆盖率13.6%;另1个水池则为空白对照池，湖水经提升水泵平行进人各个试验水池.
2005 年 5月中旬开始水生动物驯养、植物移栽和人工介质自然挂膜，同年7月开始相关试验研究.试验期间上层水生植物区种植空心菜(Ipnea aquatica)，中层水生动物区养殖河规(Corbiculafluminea) 空心菜取自田间，清洗根系上附着的土壤，称重后按相同重量(3000g)移植于浮床，试验期间空心菜在浮床上已经生长良好.河蚌购于无锡贡湖湾茶场，清洗后放置于浮床内的河蚌笼内，每层笼高度10Cm，共放养河蚌350只，每层放养密度为175只/m2.河蚌笼与植物层之间的净空高度为10cm.浮床内共挂组合介质81串，每串上有盘片8片，填料盘片间隔为7cm.试验期间水池内水温较为稳定，在30一3℃，水池中pH值在7.6一8.4之间，与湖区基本一致.待生态浮床稳定运行后，将2个试验水池同时重新换水，浮床日处理水量为1.1m3，则空床水力停留时间为ld，进行静态试验.
1.3水质测定方法
每间隔5d取水样测定水质，取样时间均为上午10时左右.从水池四角和中央共5点各取500lm水样后混合，供水质分析使用.
TP、NH4＋一 N、No-3一N、No2一N和高锰酸盐指数(CODMn)均按国家标准方法测定，TOC采用Toc一vcsH(日本岛津)测定，DO采用碘量法，pH值采用TOA一HM一14P仪(日本东亚)测定，chl.a采用丙酮提取一分光光度计测定法.
对水样中的有机氯类、氯苯和阿特拉津进行气相色谱分析.取IL混合水样经G/FC滤膜过滤后，以0.5L/h的速度通过预先活化的cls固相萃取柱(SuPelco公司，美国)进行富集，用选择性溶剂进行洗脱、定容后，有机氯类、氯苯采用GC一ECD测定，阿特拉津采用GC一NPD测定，气相色谱仪为Asilent6890(Hewlett-Packard公司，美国)，色谱条件参照相关标准方法困.
2结果与分析
2.1氮的去除
图2分别表示了试验水池中TN、NH+4一N、NO3﹣一N浓度随时间的变化.
空白池与浮床池的进水TN浓度分别为7.35mg/L和8.06mg/L.在试验期的前20d浮床池中的TN浓度基本呈直线下降至1.3lmg/L，去除率为83.7%，单位浮床面积的TN去除速率为3.98g/(m2•d).当TN浓度低于lmg/L后，浓度变化梯度降低，表明当水中TN浓度小于lmg/L时，生态浮床的TN去除速率减小.在25d内的TN去除率为86.2% 空白池TN浓度也呈局部下降趋势，但下降幅度明显低于浮床池.
20d内的TN去除率为42.5%.空白池的TN去除主要缘于含氮颗粒物的自然沉降以及水体悬浮微生物的硝化与反硝化作用(图2a).

浮床 池 中 的NH4＋一N浓度变化，同时受到植物吸收、有机物的氨化及硝化作用的影响.在前15dNH4＋一N浓度下降缓慢，这是由于有机物氨化作用较强，有机氮转化为氨氮，造成表观NH4＋一N浓度下降较缓慢;随着有机氮的降解及硝化作用的增强，后期NH4＋一N急剧下降，25d内的去除率达到8.6%，而空白池NH4＋一N去除率仅为10.7%(图2b).
浮床池与空白池的N0-3一N总去除率分别为47.3%和39%.在试验开始后的前15d两系统中的NO3﹣一N表观浓度均呈下降趋势，且下降速率接近，巧d后浮床池继续下降至0.17mg/L，而空白池则呈微小上升趋势。在浮床池中NO3-一N在生态浮床的各种净化作用(植物吸收，植物根系及人工介质附着微生物的硝化、反硝化作用等)下得到有效去除，而空白池中NO3﹣一N的浓度下降，主要依靠池中藻类和其他微生物增殖的同化吸收.NO2﹣一N浓度的变化情况基本与N03-一N基本一致，浮床池的去除率82.3%82.3%，空白池为8.1%(图2c).

2.2磷的去除
图3表示了试验水池中TP浓度随时间的变化，在试验开始的前20d，浮床池的去除率为90.7%，空白池为40.0%.可见浮床池的TP去除率达到了较高水平.同时如图所示，浮床池在TP为0.06mg/L以上这样的低浓度条件下其浓度下降仍然显著，表明组合型生态浮床对较低浓度的富营养水体可以取得良好的净化效果，单位浮床面积的TP去除速率为0.08g/(m2•d).
有关生物浮床去除氮、磷的相关研究报道中，宋祥甫等川采用水稻生物浮床，在覆盖率为20%，48d的试验条件下，取得了TKN净去除率为29.0%，TP净去除率为32.1%的结果(若不扣除空白对照，计算得TKN、TP去除率分别为31.4%、32.5%);经计算，单位浮床面积的TKN和TP去除速率分别为0.05mg/L(m2•d)和0.007mg/L(m2•d).邮旭文等叫应用美人蕉生物浮床净化富营养化池塘水，在覆盖率为20%的条件下，25d时TN去除率约为60%，TP去除率约为50%;经计算，单位浮床面积的TN和TP去除速率分别为1.6×10一4g/(m2•d)和1.lxl0一4g/(m2•d).马立珊等应用香根草生物浮床对城市河道水进行净化试验研究的结果表明，25d时TN去除率约小于20%，TP去除率小于30%;计算得到TN、TP单位去除速率分别为0.003g(m2•d)和0.009g/(m2•d).TN、TP的去除率和去除速率均小于本试验，因此组合型生态浮床对N、P的去除效果比以植物为主体的普通生物浮床有大幅提高.
性.

梦岩

2.3藻类的去除
Chla 是 估算浮游植物生物量(本文主要指藻类)的重要指标.图4表示了试验水池中Chla浓度随时间的变化.试验开始时浮床池及空白池的Chla初始浓度为24.23ug/L，试验开始5d内，浮床池的Chla浓度急剧下降至5.71ug/L，去除率为76.4.%，之后Chla浓度变化趋缓，在试验结束时第25d去除率可达89.5%.而空白池出现了Chla浓度的上升现象，在试验开始后的第20d上升至47.74ug/L，与初始值相比上升了约2倍.与空白池相比，一方面浮床的截留吸附作用去除了一部分藻类，另一方面浮床的综合作用使水体中的氮磷营养盐浓度大大降低，浮床植物在与藻类的竞争中也处于优势地位，此外植物化感作用
对藻类也有一定的抑制作用，导致藻类无法繁殖.因此几方面的原因使浮床池中的Chl.a浓度迅速降低并始终维持在较低水平.而空白池中，氮磷浓度缓慢下降，且维持在相对较高水平，在没有其他植物竞争的情况下藻类自然增殖，于是出现了Chi.a浓度升高的现象.可见，组合型生态浮床对于降低水体藻类含量具有良好的效果.

透明 度 是 表示各种水体能见程度的一个量度，也是水体混浊程度的标志.光是水体初级生产力的能源，水体透明度是光通量沿水深分布的量度，透明度下降可进一步引起水生生态系统破坏.图5表示了透明度随时间的变化，浮床池由于生态浮床的净化作用，在15d内将透明度由46cm提高到超过180cm，已经清澈见底.透明度的提高说明悬浮物、浮游植物得到了有效的去除，这一点与Chla的去除效果相吻合.
透明度的提高可改善水中浮游动物的生境，提高浮游动物生物量，丰富生物多样性，为沉水植物乃至水体自净能力的恢复提供了前提.
2.4有机物的去除
图6表示了COD浓度随时间的变化，试验开始后的巧d内浮床池的COD浓度基本呈直线型下降，之后趋于平缓，第15d时浓度减少到4.mg/L，去除率为44.4%.而空白池在前5dCOD浓度略有下降，之后受藻类增长的影响而呈回升趋势，在第25d时浓度为7.16mg/L，总去除率仅为9.5%.
在类似研究中有关Chla和coD去除效果的报道较少，邮旭文等采用种植美人蕉的生物浮床，在与本研究相近的覆盖率条件下(覆盖率20%)，试验开始7d内Chla的去除率小于10%，63d后为54%左右，COD去除率巧d时小于8%.李欲如等在水雍菜生物浮床小试研究中C0D去除率为37%.上述两项研究中的COD起始浓度在8一15mg/L，在起始浓度高于本试验条件的情况下，去除率均低于本试验结果，可见组合型生态浮床在去除率上明显高于普通生物浮床.
表1对比了难降解性微量有机物在浮床池和空白池中的浓度变化.在浮床池中，有机氯农药类物质浓度均有显著下降，r一BHC、HE、DDE、DDD、DDT的去除率分别为25.2%、63.8%、42.1%、71.6%和27.6%;而空白池中除DDD、DDE浓度有一定降低外，其余三种有机氯农药类物质浓度不降反升.浮床池中氯苯、阿特拉津的去除率达5.9%和72.1%，而空白池则分别为1.8%和11.2%.由上可见，浮床池对多种难降解有机物的去除效果大大优于空白池。

综上所述 ，通过生态系统的合理构建以及食物链的作用，可以大幅度提高浮床去除藻类和有机物的效果，尤其是对难降解有机物的去除能力显著增强，这对于改善水源地水质具有特别重要的意义.
3讨论
目前富营养化湖泊、水源地以及缓流河道的水质改善技术大致分为工程性措施、化学方法以及生物强化法，其中生物强化法主要采用水生植物技术、水生动物技术以及微生物技术，本文中的组合型生态浮床，通过将三种生物强化净化技术在有限的空间内有机结合，人工构建小型生态系，使浮床在提高水体透明度、去除氮磷营养盐、降解有机物等方面的效果显著增强.生态浮床对有机物及氮、磷等营养物净化能力的显著提高，主要得益于生态浮床中生态系统的合理构筑，通过水生植物，水生动物及微生物所构成的食物链强化得以实现.试验结束时空心菜鲜重由3kg增加至4.5kg，河蚌在初始密度为175只/m2条件下成活率约为80%.其中应用生态工程的“加环”原理，在生态净化系统中引人水生动物— 河蚌的环节，大幅度提高了有机物的可生化性是提高净化效率的关键之一试验结果表明，河蚌对太湖原水可生化性指标B/C比的提高效果明显，放养河蚌ld后，可将可生化性较差的湖水B/C比从0.18提高到0.87，同时水中的氨氮浓度也明显提高(另文报道).河蚌为滤食型水生动物，通过吸管伸在水中进行呼吸和摄取饵料，将悬浮于水中的有机颗粒物，藻类等摄人体内，部分消化吸收，部分以粪便的形式排放，除通过同化作用净化水质外，消化作用促进了不溶性有机颗粒的可溶性和可生化性以及氨化作用.难降解性有机物生物可降解性及氨化作用的提高为生态浮床下部人工介质附着微生物膜提供了优质的基质条件，从而促进了微生物的生物活性，使微生物原来无法有效降解的有机物得到去除，提高了浮床整体对难降解有机物和藻类的去除效果.氨化作用的提高还进一步促进了生物膜中硝化反应进程，提高了生态浮床的生物脱氮功能，同时也为水生植物吸收氮创造了有利条件.
4结论
(1) 在组合型生态浮床面积覆盖率为13.6%的水池中，原水停留20d后，TN、TP的去除率分别为83，7%和90.7%，单位面积浮床对N，P的去除速率分别为3.98mg/(m2•d)和0.008mg/L(m2•d).
(2 )在 有 生态浮床覆盖的水池中，25d内Chl.a去除率可达89.5%，水体透明度由46cm提高到超过180cm.
(3 )组 合 型生态浮床对原水中的有机物也有较好的去除效果;尤其对于难降解有机物有较强的去除能力，在25d内对r一BHC、HE、DDE、DDD、DDT的去除率分别为25.2%、63.8%、42.1%、716%和27.6%，氯苯、阿特拉津的去除率达5 9%和72.1%‘水生动物的消化作用提高了有机物的生物可降解