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南運(yùn)河高效生物凈化系統(tǒng)污染物降解系數(shù)研究

文檔作者：高園園1，譚林山2，吳曉楷1 楊照龍2 文檔來(lái)源： 1.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處 2.海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月04日
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2016年10月
收稿日期：2016—05—22
基金項(xiàng)目：水利部科技推廣項(xiàng)目（TG1408）
作者簡(jiǎn)介：高園園（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.006
南運(yùn)河高效生物凈化系統(tǒng)污染物降解系數(shù)研究
高園園1，譚林山2，吳曉楷1，楊照龍2
（1.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處，山東德州253009；
2.海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東德州253009）
摘要：河流污染的生物治理技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其生物降解系數(shù)是衡量系統(tǒng)凈化能力的重要指標(biāo)。2014 年，
在南運(yùn)河試驗(yàn)河段集成固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術(shù)，構(gòu)建高效生物生態(tài)凈化系統(tǒng)，進(jìn)行污染河
水凈化處理試驗(yàn)。采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行生物降解系數(shù)測(cè)算，氨氮（NH4
+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮
（TN）和化學(xué)需氧量（COD）降解系數(shù)分別為0.03~0.74、0.02~0.36，0.06~0.49 和0.04~0.28 d-1，表明系統(tǒng)對(duì)水體中的
主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：固化微生物；生物降解系數(shù)；NH4
+-N；NO3
-；TN；COD
中圖分類(lèi)號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-7328（2016）05-0018-03
河流治理的技術(shù)主要可分為物理方法、化學(xué)方
法及生物方法三類(lèi)[1]。物理方法和化學(xué)方法由于在
實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在工程巨大、治標(biāo)不治本及二次
污染等問(wèn)題，在應(yīng)用中具有較大的局限性[2]。近年
來(lái)，生物方法成為研究的熱點(diǎn)。生物方法主要為原位
生物修復(fù)技術(shù)，包括水生植物修復(fù)、水生動(dòng)物修復(fù)、
微生物修復(fù)、人工濕地凈化、生態(tài)浮床凈化等[3-5]。該
類(lèi)方法是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的
生命活動(dòng)，將水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解，從
而使水體得到凈化，具有處理效果好、工程造價(jià)相對(duì)
較低、不需耗能或低耗能、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。另
外，這種處理技術(shù)不向水體投放化學(xué)藥劑，不會(huì)形成
二次污染，還可以與綠化環(huán)境及改善景觀相結(jié)合，創(chuàng)
造人與自然融合的優(yōu)美環(huán)境，因此該類(lèi)技術(shù)得到廣
泛應(yīng)用。
本項(xiàng)目通過(guò)固化微生物、曝氣充氧和人工水下
森林等技術(shù)的優(yōu)化集成，構(gòu)建生物生態(tài)凈化系統(tǒng)，在
四女寺樞紐節(jié)制閘下的南運(yùn)河600 m河段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)
試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道污水的高效低耗處理。對(duì)進(jìn)水與
出水的水質(zhì)因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，
采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行生物降解系數(shù)測(cè)算，
氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學(xué)
需氧量（COD）降解系數(shù)分別為0.03~0.74、0.02~
0.36、0.06~0.49和0.04~0.28 d-1，表明系統(tǒng)對(duì)水體中
的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價(jià)值。
1 項(xiàng)目概況
2014年，水利部下達(dá)了“高效固化微生物綜合
治理河道污水技術(shù)的示范與推廣”科技推廣項(xiàng)目。
項(xiàng)目主要任務(wù)是構(gòu)建高效生物凈化系統(tǒng)，試驗(yàn)污染
水體的原位生物技術(shù)修復(fù)。試驗(yàn)河段位于漳衛(wèi)南運(yùn)
河下游四女寺樞紐節(jié)制閘下600 m的南運(yùn)河河段。
由于長(zhǎng)期的外源污染和水生生物殘?jiān)某练e，試驗(yàn)
河段水質(zhì)長(zhǎng)期劣于V 類(lèi)，詳見(jiàn)表1，并產(chǎn)生黑臭現(xiàn)
象，嚴(yán)重影響水體景觀及原有生態(tài)功能。試驗(yàn)通過(guò)
綜合應(yīng)用Bpa-1017 系列微生物凈水劑、Bac?
to-Zyme 1011系列生物復(fù)合酶、水下森林、生物浮島
以及人工曝氣等技術(shù)構(gòu)建高效生物凈化系統(tǒng)，在上、
中、下游布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，開(kāi)展同步監(jiān)測(cè)，分析研
究生物處理效果。
監(jiān)測(cè)斷面
四女寺閘
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
評(píng)價(jià)結(jié)果
氨氮
2.27
≤1.0
超標(biāo)1.3倍
總磷
0.29
≤0.2
超標(biāo)0.4倍
COD
53.0
≤20
超標(biāo)1.6倍
BOD5
6.3
≤4
超標(biāo)0.6倍
水質(zhì)類(lèi)別
Ⅲ類(lèi)
劣Ⅴ類(lèi)
表1 2013 年四女寺閘水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)mg/L
·18· 海 河 水 利
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2016.No.5
2 試驗(yàn)過(guò)程
項(xiàng)目實(shí)施期為2014年，試驗(yàn)分為3個(gè)階段：第一
階段，投放菌劑，采用高壓噴霧器按照一定比例沿河
噴灑Bpa-1017微生物凈水劑和Bacto-Zyme 1011生
物復(fù)合酶；第二階段，開(kāi)始浮島安裝及植物種植，共
設(shè)置500 m2浮島，由40組小浮島沿河道分左、中、右
3列組成，浮島上種植美人蕉、千屈菜、黃菖蒲、西伯
利亞鳶尾、梭魚(yú)草、旱傘草、澤瀉等挺水植物及浮水
植物銅錢(qián)草；第三階段，進(jìn)行曝氣機(jī)及水下森林的安
裝，在試驗(yàn)段上游安裝1臺(tái)曝氣機(jī)，水下森林由100
塊1m×1m的小塊組成，共100 m2，分散地掛載在浮
島下，完成系統(tǒng)構(gòu)建工作。
根據(jù)污染特點(diǎn)，選擇氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮
（NO3-）、總氮（TN）及化學(xué)需氧量（COD）作為水質(zhì)參
數(shù)，開(kāi)展水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)，所使用儀器分別為T(mén)6新悅
可見(jiàn)分光光度計(jì)、TU-1950雙光束紫外可見(jiàn)分光光
度計(jì)、SKALAR SAN++型連續(xù)流動(dòng)分析儀、B-6C（H）
型COD快速測(cè)定儀。
3 生物降解系數(shù)測(cè)算結(jié)果與分析
3.1 生物降解系數(shù)求算
根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物的濃度測(cè)定結(jié)果，建立一
級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，由下式分別計(jì)算各水質(zhì)參數(shù)的
沿程降解系數(shù)：
CB=CA.exp（-kt） （1）
式中：k 為水質(zhì)因子的沿程降解系數(shù)；t=L/u，u 為流速
（m/s），計(jì)算中采用進(jìn)水及試驗(yàn)段斷面間的平均流
速，L 為進(jìn)水及試驗(yàn)段兩斷面的間距（m）；CA、CB分別
為進(jìn)水、試驗(yàn)段斷面相應(yīng)水質(zhì)因子的特征濃度值
（mg/L）。
3.2 生物降解系數(shù)分析
3.2.1 氨氮降解系數(shù)分析
本生物生態(tài)凈化系統(tǒng)主要通過(guò)微生物菌劑的硝
化-反硝化作用實(shí)現(xiàn)對(duì)NH4+-N的高效去除[6]。首先，
微生物菌劑將水體中的NH4+-N轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，
進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮，即硝化作用；然后另一類(lèi)細(xì)
菌將NO3-中的氧作為呼吸作用的受氫體，使NO3-還
原為N2，即反硝化作用。同時(shí)，復(fù)合生物酶的投放
加快了反應(yīng)活性，提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，有利于
NH4+-N的去除。
試驗(yàn)期間，進(jìn)水水體的NH4+-N濃度波動(dòng)幅度較
大，這主要是由于試驗(yàn)期間上游來(lái)水情況不同及降
雨等原因造成的。在進(jìn)水水體NH4+-N濃度變化較
大的不利條件下，試驗(yàn)段水體的NH4+-N濃度相對(duì)穩(wěn)
定，上、中、下游3個(gè)斷面濃度均維持在1.5 mg/L以
下，符合地表水Ⅳ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N降解情況如
圖1所示。表2為試驗(yàn)期間各斷面NH4+-N降解系數(shù)
的計(jì)算結(jié)果，NH4+-N綜合降解系數(shù)為0.03~0.74 d-1。
3.2.2 硝酸鹽氮降解系數(shù)分析
試驗(yàn)期間硝酸鹽氮的濃度變化，如圖2所示。
由圖2可以看出，試驗(yàn)期間，與進(jìn)水水體相比，出水
水體的NO3-濃度明顯降低，且試驗(yàn)段出水水體的
NO3-濃度保持在較低水平，均低于1.5 mg/L。試驗(yàn)期
間各斷面NO3-降解系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3，NO3-
綜合降解系數(shù)為0.02~0.36 d-1，表明該生物生態(tài)凈化
系統(tǒng)對(duì)NO3-具有顯著的降解作用。這主要是由于該
系統(tǒng)中的反硝化細(xì)菌將NO3-還原為分子態(tài)氮，從而
降低了水體中硝酸鹽氮濃度。
圖1 試驗(yàn)期間氨氮濃度變化
表2 試驗(yàn)期間氨氮降解系數(shù)變化d-1
監(jiān)測(cè)斷面
A2
A3
A4
時(shí)間
9月2日
0.74
0.42
0.29
9月15日
0.25
0.33
0.37
9月22日
0.03
0.05
0.10
9月29日
0.54
0.34
0.24
10月8日
0.29
0.17
0.14
d-1
圖2 試驗(yàn)期間硝酸鹽氮濃度變化
表3 試驗(yàn)期間硝酸鹽氮降解系數(shù)變化
監(jiān)測(cè)斷面
A2
A3
A4
時(shí)間
9月2日
0.05
0.05
0.07
9月15日
0.02
0.04
0.04
9月22日
0.36
0.20
0.17
9月29日
0.28
0.21
0.16
10月8日
0.15
0.12
0.11
高園園，譚林山，吳曉楷，等：南運(yùn)河高效生物凈化系統(tǒng)污染物降解系數(shù)研究
濃度（/ mg·L-1）
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00 A1 A2 A3 A4
9月2日
9月15日
9月22日
9月29日
10月8日
濃度（/ mg·L-1）
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00 A1 A2 A3 A4
9月2日
9月15日
9月22日
9月29日
10月8日
·19·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2016年10月
3.2.3 總氮降解系數(shù)分析
本生物生態(tài)凈化系統(tǒng)對(duì)TN的降解包括植物自
身的吸收，也包括微生物菌劑的硝化和反硝化作
用。一方面，氮是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，
植物通過(guò)同化作用將水體中的氮轉(zhuǎn)化為自身的組成
物質(zhì)；另一方面，水體中的氮污染物通過(guò)微生物菌劑
的硝化作用和反硝化作用得以最終去除。
試驗(yàn)期間總氮濃度變化，如圖3所示。由圖3可
以看出，進(jìn)水TN濃度處于較高水平，而試驗(yàn)段各斷
面TN 的降解效果較為顯著，去除率最高達(dá)到
59.6%。各斷面TN降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表4，TN
的綜合降解系數(shù)為0.06~0.49 d-1，體現(xiàn)了優(yōu)良的TN
降解性能。
3.2.4 COD降解系數(shù)分析
試驗(yàn)期間COD濃度變化，如圖4所示。由圖4
可知，進(jìn)水水體中COD濃度極高，均超過(guò)地表水Ⅴ
類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，而出水水體的COD濃度明顯降低，最
大去除率達(dá)到47.9%。試驗(yàn)期間COD降解系數(shù)計(jì)算
結(jié)果，詳見(jiàn)表5，COD 綜合降解系數(shù)為0.04~0.28
d-1。這主要是因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中存在的好氧、兼性及
厭氧菌提高了降解有機(jī)物的廣譜性，此外反硝化作
用也提高了去除COD的能力。
4 結(jié)論與建議
通過(guò)固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等
多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化集成所構(gòu)建的生物生態(tài)凈化系統(tǒng)處理
河道污染水體，處理效果顯著。系統(tǒng)對(duì)各主要污染
物的綜合降解系數(shù)分別為：氨氮0.03~0.74d-1，硝酸
鹽氮0.02~0.36d-1，總氮0.06~0.49d-1，COD0.04~
0.28d-1。根據(jù)文獻(xiàn)資料[7]，四女寺—辛集閘河段氨氮
自?xún)粝禂?shù)為0.16 d-1，COD自?xún)粝禂?shù)為0.17 d-1，可見(jiàn)
該生物生態(tài)凈化系統(tǒng)對(duì)污染物的降解效果較明顯。
在當(dāng)前我國(guó)城鄉(xiāng)河道水體污染較嚴(yán)重的情況
下，采用該技術(shù)對(duì)污染水體進(jìn)行治理，可以取得較好
的治理效果，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
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圖3 試驗(yàn)期間總氮濃度變化
表4 試驗(yàn)期間總氮降解系數(shù)變化d-1
監(jiān)測(cè)斷面
A2
A3
A4
時(shí)間
9月2日
0.49
0.27
0.19
9月15日
0.08
0.06
0.09
9月22日
0.11
0.07
0.07
9月29日
0.26
0.18
0.13
10月8日
0.41
0.25
0.21
圖4 試驗(yàn)期間COD濃度變化
表5 試驗(yàn)期間COD降解系數(shù)變化 d-1
監(jiān)測(cè)斷面
A2
A3
A4
時(shí)間
9月2日
0.10
0.05
0.04
9月15日
0.17
0.09
0.09
9月22日
0.28
0.16
0.14
9月29日
0.25
0.14
0.13
10月8日
0.05
0.06
0.07
海河水利
A1 A2 A3 A4
濃度（/ mg·L-1）
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
9月2日
9月15日
9月22日
9月29日
10月8日
A1 A2 A3 A4 濃
度
/（mg·
L-1）
120.0
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
9月2日
9月15日
9月22日
9月29日
10月8日

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