近年來，由于工業(yè)廢水以及生活污水大量排入河道，河道水體黑臭現(xiàn)象日漸加重，嚴重影響了城市形象和居民身體安康，因而，如何有效凈化黑臭河道水體已成為城市安康開展的重中之重。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)因其費用低，管理便當，兼具美化環(huán)境的特性，成為近年來研討和應(yīng)用的重點。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)的處置效率受很多要素影響，其中填料是最中心也是最根本的組成局部，是黑臭河道修復(fù)效果的關(guān)鍵要素，填料的挑選、改良和合理配置關(guān)系到這一技術(shù)能否正常發(fā)揮污染管理效能的關(guān)鍵。作為給水廠生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，鋁污泥含有大量鋁離子及其聚合物，用作生物填料時可有效提升脫氮除磷效果。筆者將鋁污泥生物填料與具有高效凈化作用的狐尾藻相分離，以常見的生物填料聚丙烯纖維作為對照，模擬自然河道構(gòu)建生物填料系統(tǒng)，研討并剖析該系統(tǒng)的脫氮除磷效果，以期為河道黑臭水體管理提供技術(shù)支撐。

　　一、資料與辦法

　　1.1 實驗資料

　　鋁污泥取自給水廠，主要成分為Al2O3，濃度為38.62%~45.84%，體積密度為(1.18±0.10)g∕cm3，孔隙率為40%，比外表積為21.54~36.50m2∕g，電導(dǎo)率為0.0104~0.0140S∕m。

　　鋁污泥原料經(jīng)過攪拌、造粒后，在105~120℃下烘干2~3h，以去除水分，在500~600℃無氧焙燒6~8h，自然冷卻后裝入40cm×8cm×8cm尼龍網(wǎng)袋，制備成鋁污泥生物填料。

　　聚丙烯纖維生物填料從市場上購得，密度為0.90~0.92g∕cm3，長度為40cm，直徑為8cm。

　　狐尾藻取自南京市某湖泊，將狐尾藻置于有機玻璃柜中用自來水曝氣培育，每隔3d換1次水，保證植物外表吸附的懸浮物被氣流沖洗潔凈。

　　1.2 水質(zhì)剖析

　　實驗用水取自南京市江寧區(qū)外港河，河道寬為10m，流速為0.54m∕d，CODCr為120mg∕L，TP濃度為4mg∕L，TN濃度為20mg∕L，NH3-N濃度為10mg∕L，pH為5.5~6.5。

　　1.3 生物填料小試系統(tǒng)在河邊構(gòu)建生物填料小試系統(tǒng)，如圖1所示

　　小試系統(tǒng)主要包括進水池、控制區(qū)、生物填料區(qū)等單元，其中生物填料區(qū)由4種處置組組成，即聚丙烯纖維生物填料組、鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組，各組均另設(shè)1個平行實驗，取均勻，承載聚丙烯纖維生物填料和鋁污泥生物填料的網(wǎng)架均采用鋼構(gòu)造，生物膜掛膜采用自然掛膜，網(wǎng)架置于水面以下，將生物填料沿池體長邊距離8cm依次系掛于網(wǎng)架上，水流平行方向設(shè)7行，垂直方向設(shè)4行，狐尾藻種植于生物填料區(qū)的上部，種植密度為100株∕m2。小試系統(tǒng)各局部規(guī)格如表1所示，生物填料與孤尾藻組合組剖面如圖2所示。

　　為保證小試系統(tǒng)中狐尾藻的穩(wěn)定生長和生物膜的自然掛膜，在運轉(zhuǎn)1個月后正式開端實驗。實驗采用連續(xù)進水方式，經(jīng)過爬動泵調(diào)理進水流速，均由頂部進水和出水。該小試系統(tǒng)處置水量為360L∕d，外表水力負荷為0.3m3∕(m2·d)，水力停留時間為2d。測定系統(tǒng)出水水質(zhì)，主要檢測TP、TN、NH3-N濃度及CODCr。CODCr采用重鉻酸鹽法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(紫外可見分光光度計，UV1200，MAPADA)測定，TN和NH3-N濃度采用氣相分子吸收光譜法(氣相分子吸收光譜儀，GMA3510，森普)測定。

　　二、實驗結(jié)果

　　2.1 溶解氧濃度

　　選取出水口水深10cm處作為溶解氧(DO)濃度監(jiān)測點，調(diào)查小試系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同處置組出水DO濃度隨時間的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，實驗運轉(zhuǎn)期間，各處置組DO濃度分別為：聚丙烯纖維生物填料組，3.2~4.3mg∕L，鋁污泥生物填料組，3.5~4.4mg∕L，聚丙烯纖維-狐尾藻組，6.2~7.1mg∕L，鋁污泥-狐尾藻組，6.1~7.2mg∕L。2個組合組DO濃度變化趨向分歧，且水體DO濃度遠高于生物填料組。生物填料組和組合組水體DO濃度均到達GB3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量規(guī)范Ⅳ類規(guī)范。

　　2.2 pH

　　系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同處置組的出水pH隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，不同處置組的出水pH差別較大，其中鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH較為穩(wěn)定，在7左近動搖，聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH隨時間變化動搖范圍較大，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH維持在6.5以上，而聚丙烯纖維生物填料組出水pH根本在6.5以下，與進水pH相差不大。

　　2.3 CODCr的去除效果

　　系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同處置組的出水CODCr隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知，不同處置組對CODCr的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組對CODCr的去除效果最好，均勻去除率為74.62%，聚丙烯纖維-狐尾藻組次之，均勻去除率為69.71%，鋁污泥生物填料組對CODCr去除效果較差，均勻去除率為65.96%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，均勻去除率僅為59.94%。鋁污泥-狐尾藻組的出程度均CODCr可到達GB3838—2002的Ⅳ類規(guī)范(<30mg∕L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組、鋁污泥生物填料組的出程度均CODCr到達GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范(<40mg∕L)，聚丙烯纖維生物填料組對CODCr有一定的去除效果，但其出程度均CODCr處于較高程度，未到達GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范。

　　2.4 TP的去除效果

　　系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同處置組出水TP濃度隨時間的變化如圖6所示。由圖6可知，不同處置組對TP的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組TP去除效果較好，均勻去除率分別達93.59%和93.38%，其次是聚丙烯纖維-狐尾藻組，均勻去除率為90.55%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，均勻去除率為84.04%。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組出水TP均勻濃度到達GB3838—2002的Ⅳ類規(guī)范(<0.3mg∕L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TP均勻濃度到達GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范(<0.4mg∕L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TP均勻濃度劣于GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范。

　　2.5 TN、NH3-N的去除效果

　　系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同處置組TN和NH3-N濃度隨時間的變化如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，含有鋁污泥的處置組出水TN、NH3-N濃度隨時間變化較含聚丙烯纖維的穩(wěn)定。鋁污泥-狐尾藻組對TN和NH3-N的去除效果最好，均勻去除率分別達93.19%和96.46%，鋁污泥生物填料組去除效果次之，均勻去除率分別為91.25%和94.42%，聚丙烯纖維-狐尾藻組TN和NH3-N均勻去除率分別為91.29%和91.45%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，均勻去除率分別為84.17%和88.39%。鋁污泥-狐尾藻組出水TN均勻濃度到達GB3838—2002的Ⅳ類規(guī)范(<1.5mg∕L)，鋁污泥生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TN均勻濃度均到達GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范(<2.0mg∕L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TN均勻濃度劣于GB3838—2002Ⅴ類規(guī)范。生物填料組和組合組出水NH3-N均勻濃度均優(yōu)于GB3838—2002的Ⅳ類規(guī)范(<1.5mg∕L)，特別鋁污泥-狐尾藻組出水NH3-N均勻濃度到達GB3838—2002的Ⅱ類規(guī)范(<0.5mg∕L)。

　　三、討論

　　3.1 水體DO濃度和pH對脫氮除磷的影響

　　DO濃度的上下直接影響著河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部好氧和厭氧微生物的活性，而微生物的硝化∕反硝化作用是主要的脫氮途徑。當DO濃度高于1.7mg∕L時，硝化細菌可將水體中的NH3-N全部轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，DO濃度低于0.5mg∕L時，硝化細菌活性被抑止，水體中的NH3-N濃度逐步增加，DO濃度為0.5mg∕L左右時，反硝化細菌大量富集，與藻類構(gòu)成有利共生關(guān)系。本實驗中生物填料組出水DO濃度處于較高程度，這可能與生物填料組的整個水面均與空氣接觸有關(guān)，空氣中的氧氣自在進入生物填料系統(tǒng)使水體DO濃度增加。生長繁茂的植物會影響空氣中的氧進入水中，但組合組上部水體DO濃度遠遠高于生物填料組，這是由于狐尾藻的根系泌氧等作用保證了系統(tǒng)上部的DO濃度，闡明在實驗運轉(zhuǎn)期間，組合組水體上部DO濃度可滿足系統(tǒng)中硝化細菌對DO的需求，有利于硝化作用的實行。同時，組合組系統(tǒng)中部至下部的厭氧環(huán)境以及填料大量的孔洞空間為聚磷菌和反硝化細菌提供了良好生存環(huán)境，好氧與厭氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變和分離，使污水閱歷完好的吸附去除過程，從而使組合組取得更好的脫氮除磷效果。

　　pH影響生物填料系統(tǒng)中微生物的存在方式。當pH為4.0~6.0或大于9.5時，硝化細菌的生長會遭到抑止。實驗運轉(zhuǎn)期間，聚丙烯纖維生物填料組的pH低于6.5，不利于反硝化作用的實行。由于鋁污泥含有大量具有緩沖作用的鋁離子及其聚合物，且狐尾藻也有升高水體pH的作用，因而鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH維持在6.5~7.5，有利于硝化細菌和反硝化細菌的生長和繁衍，促進系統(tǒng)脫氮過程的實行。

　　依據(jù)實驗結(jié)果，鋁污泥生物填料組對水體CODCr、氮、磷的去除較聚丙烯纖維生物填料組強，這可能是由于鋁污泥填料提供了更有利于微生物活動的微環(huán)境，如較大的比外表積，適合的pH、DO濃度，以及較好的緩沖性能，狐尾藻結(jié)合生物填料加強了對水體中CODCr、氮、磷的去除效果，其緣由除了植物吸附吸收外，還可能與狐尾藻根系良好的微環(huán)境有關(guān)。

　　3.2 脫氮除磷機理討論

　　聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組對CODCr去除的主要途徑有微生物的吸附降解、植物的吸附吸收和生物膜吸附沉淀等?？扇苄杂袡C污染物大多經(jīng)過狐尾藻根系的吸附吸收被去除，非溶性有機污染物則被系統(tǒng)填料和植物根系截留，進一步被微生物合成應(yīng)用。

　　聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組對磷的去除主要依托生物膜中微生物和植物作用。相比聚丙烯纖維生物填料，鋁污泥生物填料本身對磷的吸附也占領(lǐng)重要作用。鋁污泥固定磷的途徑主要有離子交流作用、絡(luò)協(xié)作用、靜電作用。鋁污泥等電點約為6.4，系統(tǒng)進水時的pH為5.5~6.5，闡明此時鋁污泥外表主要帶正電荷，易于吸附水中的陰離子，此時水溶液中的磷主要以H2PO-4方式存在，有利于H2PO-4經(jīng)過靜電作用被吸附在鋁污泥上。鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH相對原水的增大，與鋁污泥中大量—OH基團與PO3-4發(fā)作離子交流作用有關(guān)。另外，鋁污泥中的鋁主要以無定形形態(tài)存在，增大了對水體中磷的吸附才能，且鋁離子作為一種絮凝劑，可以與水體中的陰離子反響構(gòu)成絮狀物，這些絮狀物對PO3-4也有吸附絡(luò)協(xié)作用。

　　生物填料與水生植物(狐尾藻)組合系統(tǒng)對氮的轉(zhuǎn)化途徑主要包括微生物作用和水生植物吸收作用。微生物將水體中的有機氮化合物合成為銨態(tài)氮，同時吸收銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營養(yǎng)，硝化和反硝化細菌將水體中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，使水體中的氮得到有效且徹底的去除。水生植物在系統(tǒng)脫氮過程中也有著重要作用，其可直接吸收污染水體中的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營養(yǎng)，合成本身組織構(gòu)造所必需的物質(zhì)，使水體中的氮得到去除，水生植物具有間接脫氮作用，其龐大的根系可為微生物提供宏大的附著面積，其根部泌氧作用可增加系統(tǒng)內(nèi)的DO濃度，在根系左近構(gòu)成氧化態(tài)的微環(huán)境，為脫氮微生物提供有利條件。另外，鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組運轉(zhuǎn)期間靠近出水口區(qū)域pH的增大，使OH-與NH+4發(fā)作中和反響，且此時鋁污泥外表帶負電荷，亦可經(jīng)過靜電作用吸附局部氮。

　　四、結(jié)論

　　(1)鋁污泥生物填料能調(diào)理水體pH，系統(tǒng)中參加狐尾藻可提升水體DO濃度，營造有利于微生物生存的微環(huán)境，強化對黑臭水體的脫氮除磷效果。

　　(2)鋁污泥生物填料組出水水質(zhì)優(yōu)于聚丙烯纖維生物填料組，出水水質(zhì)根本到達GB3838—2002的Ⅴ類規(guī)范，鋁污泥-狐尾藻組對水體污染物的整體去除效果最好，出水水質(zhì)到達GB3838—2002的Ⅳ類規(guī)范。

　　(3)氮主要經(jīng)過硝化∕反硝化細菌的合成轉(zhuǎn)化和植物的吸收轉(zhuǎn)化途徑去除，鋁污泥生物填料能營造良好的微生物生存環(huán)境，強化微生物降解作用，磷主要經(jīng)過填料-植物-微生物的結(jié)合作用去除，其中鋁污泥除了強化微生物作用外，其本身對磷的吸附配位交流、絡(luò)合和靜電作用使系統(tǒng)到達更好的除磷效果。