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南運河高效生物凈化系統污染物降解系數研究

文檔作者：高園園1，譚林山2，吳曉楷1 楊照龍2 文檔來源： 1.漳衛南運河管理局水文處 2.海河水利委員會漳衛南運河管理局		點擊數：	更新時間： 2025年03月04日
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2016年10月
收稿日期：2016—05—22
基金項目：水利部科技推廣項目（TG1408）
作者簡介：高園園（1986—），女，碩士，工程師，主要從事水質監測工作。
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.006
南運河高效生物凈化系統污染物降解系數研究
高園園1，譚林山2，吳曉楷1，楊照龍2
（1.漳衛南運河管理局水文處，山東德州253009；
2.海河水利委員會漳衛南運河管理局，山東德州253009）
摘要：河流污染的生物治理技術是當前研究熱點，其生物降解系數是衡量系統凈化能力的重要指標。2014 年，
在南運河試驗河段集成固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等技術，構建高效生物生態凈化系統，進行污染河
水凈化處理試驗。采用一級反應動力學模型進行生物降解系數測算，氨氮（NH4
+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮
（TN）和化學需氧量（COD）降解系數分別為0.03~0.74、0.02~0.36，0.06~0.49 和0.04~0.28 d-1，表明系統對水體中的
主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價值。
關鍵詞：固化微生物；生物降解系數；NH4
+-N；NO3
-；TN；COD
中圖分類號：X522 文獻標識碼：B 文章編號：1004-7328（2016）05-0018-03
河流治理的技術主要可分為物理方法、化學方
法及生物方法三類[1]。物理方法和化學方法由于在
實際應用過程中存在工程巨大、治標不治本及二次
污染等問題，在應用中具有較大的局限性[2]。近年
來，生物方法成為研究的熱點。生物方法主要為原位
生物修復技術，包括水生植物修復、水生動物修復、
微生物修復、人工濕地凈化、生態浮床凈化等[3-5]。該
類方法是利用培育的植物或培養、接種的微生物的
生命活動，將水中污染物進行轉移、轉化及降解，從
而使水體得到凈化，具有處理效果好、工程造價相對
較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優點。另
外，這種處理技術不向水體投放化學藥劑，不會形成
二次污染，還可以與綠化環境及改善景觀相結合，創
造人與自然融合的優美環境，因此該類技術得到廣
泛應用。
本項目通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下
森林等技術的優化集成，構建生物生態凈化系統，在
四女寺樞紐節制閘下的南運河600 m河段進行現場
試驗，實現對河道污水的高效低耗處理。對進水與
出水的水質因子進行監測，建立一維水質數學模型，
采用一級反應動力學模型進行生物降解系數測算，
氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3-）、總氮（TN）和化學
需氧量（COD）降解系數分別為0.03~0.74、0.02~
0.36、0.06~0.49和0.04~0.28 d-1，表明系統對水體中
的主要污染物降解效果顯著，具有較高的推廣價值。
1 項目概況
2014年，水利部下達了“高效固化微生物綜合
治理河道污水技術的示范與推廣”科技推廣項目。
項目主要任務是構建高效生物凈化系統，試驗污染
水體的原位生物技術修復。試驗河段位于漳衛南運
河下游四女寺樞紐節制閘下600 m的南運河河段。
由于長期的外源污染和水生生物殘渣的沉積，試驗
河段水質長期劣于V 類，詳見表1，并產生黑臭現
象，嚴重影響水體景觀及原有生態功能。試驗通過
綜合應用Bpa-1017 系列微生物凈水劑、Bac?
to-Zyme 1011系列生物復合酶、水下森林、生物浮島
以及人工曝氣等技術構建高效生物凈化系統，在上、
中、下游布設3個監測斷面，開展同步監測，分析研
究生物處理效果。
監測斷面
四女寺閘
評價標準
評價結果
氨氮
2.27
≤1.0
超標1.3倍
總磷
0.29
≤0.2
超標0.4倍
COD
53.0
≤20
超標1.6倍
BOD5
6.3
≤4
超標0.6倍
水質類別
Ⅲ類
劣Ⅴ類
表1 2013 年四女寺閘水質監測數據mg/L
·18· 海 河 水 利
萬方數據
2016.No.5
2 試驗過程
項目實施期為2014年，試驗分為3個階段：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
物復合酶；第二階段，開始浮島安裝及植物種植，共
設置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、梭魚草、旱傘草、澤瀉等挺水植物及浮水
植物銅錢草；第三階段，進行曝氣機及水下森林的安
裝，在試驗段上游安裝1臺曝氣機，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，完成系統構建工作。
根據污染特點，選擇氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮
（NO3-）、總氮（TN）及化學需氧量（COD）作為水質參
數，開展水質同步監測，所使用儀器分別為T6新悅
可見分光光度計、TU-1950雙光束紫外可見分光光
度計、SKALAR SAN++型連續流動分析儀、B-6C（H）
型COD快速測定儀。
3 生物降解系數測算結果與分析
3.1 生物降解系數求算
根據各監測點污染物的濃度測定結果，建立一
級反應動力學模型，由下式分別計算各水質參數的
沿程降解系數：
CB=CA.exp（-kt） （1）
式中：k 為水質因子的沿程降解系數；t=L/u，u 為流速
（m/s），計算中采用進水及試驗段斷面間的平均流
速，L 為進水及試驗段兩斷面的間距（m）；CA、CB分別
為進水、試驗段斷面相應水質因子的特征濃度值
（mg/L）。
3.2 生物降解系數分析
3.2.1 氨氮降解系數分析
本生物生態凈化系統主要通過微生物菌劑的硝
化-反硝化作用實現對NH4+-N的高效去除[6]。首先，
微生物菌劑將水體中的NH4+-N轉化為亞硝酸鹽氮，
進一步氧化為硝酸鹽氮，即硝化作用；然后另一類細
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，復合生物酶的投放
加快了反應活性，提高了反應的轉化率，有利于
NH4+-N的去除。
試驗期間，進水水體的NH4+-N濃度波動幅度較
大，這主要是由于試驗期間上游來水情況不同及降
雨等原因造成的。在進水水體NH4+-N濃度變化較
大的不利條件下，試驗段水體的NH4+-N濃度相對穩
定，上、中、下游3個斷面濃度均維持在1.5 mg/L以
下，符合地表水Ⅳ類水體標準，NH4+-N降解情況如
圖1所示。表2為試驗期間各斷面NH4+-N降解系數
的計算結果，NH4+-N綜合降解系數為0.03~0.74 d-1。
3.2.2 硝酸鹽氮降解系數分析
試驗期間硝酸鹽氮的濃度變化，如圖2所示。
由圖2可以看出，試驗期間，與進水水體相比，出水
水體的NO3-濃度明顯降低，且試驗段出水水體的
NO3-濃度保持在較低水平，均低于1.5 mg/L。試驗期
間各斷面NO3-降解系數的計算結果，詳見表3，NO3-
綜合降解系數為0.02~0.36 d-1，表明該生物生態凈化
系統對NO3-具有顯著的降解作用。這主要是由于該
系統中的反硝化細菌將NO3-還原為分子態氮，從而
降低了水體中硝酸鹽氮濃度。
圖1 試驗期間氨氮濃度變化
表2 試驗期間氨氮降解系數變化d-1
監測斷面
A2
A3
A4
時間
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 試驗期間硝酸鹽氮濃度變化
表3 試驗期間硝酸鹽氮降解系數變化
監測斷面
A2
A3
A4
時間
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：南運河高效生物凈化系統污染物降解系數研究
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·
萬方數據
2016年10月
3.2.3 總氮降解系數分析
本生物生態凈化系統對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，氮是植物生長所必需的營養元素之一，
植物通過同化作用將水體中的氮轉化為自身的組成
物質；另一方面，水體中的氮污染物通過微生物菌劑
的硝化作用和反硝化作用得以最終去除。
試驗期間總氮濃度變化，如圖3所示。由圖3可
以看出，進水TN濃度處于較高水平，而試驗段各斷
面TN 的降解效果較為顯著，去除率最高達到
59.6%。各斷面TN降解系數計算結果，詳見表4，TN
的綜合降解系數為0.06~0.49 d-1，體現了優良的TN
降解性能。
3.2.4 COD降解系數分析
試驗期間COD濃度變化，如圖4所示。由圖4
可知，進水水體中COD濃度極高，均超過地表水Ⅴ
類水體標準，而出水水體的COD濃度明顯降低，最
大去除率達到47.9%。試驗期間COD降解系數計算
結果，詳見表5，COD 綜合降解系數為0.04~0.28
d-1。這主要是因為在該系統中存在的好氧、兼性及
厭氧菌提高了降解有機物的廣譜性，此外反硝化作
用也提高了去除COD的能力。
4 結論與建議
通過固化微生物、曝氣充氧和人工水下森林等
多項技術優化集成所構建的生物生態凈化系統處理
河道污染水體，處理效果顯著。系統對各主要污染
物的綜合降解系數分別為：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。根據文獻資料[7]，四女寺—辛集閘河段氨氮
自凈系數為0.16 d-1，COD自凈系數為0.17 d-1，可見
該生物生態凈化系統對污染物的降解效果較明顯。
在當前我國城鄉河道水體污染較嚴重的情況
下，采用該技術對污染水體進行治理，可以取得較好
的治理效果，具有顯著的環境效益和社會效益。
參考文獻
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2009，22（2）：90-93.
[2] 張捷鑫，吳純德，陳維平，等.污染河道治理技術研究進展[J].
生態科學，2005，24（2）：178-181．
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境科學與管理，2009，34（5）：88-92.
[4] 金小平，宋學宏，李蒙英，等. 生物-生態修復技術在景觀污
染水體治理中的應用[J].水環境保護，2012，28（4）：42-45.
[5] 孫桂琴，董瑞斌，潘樂英，等. 人工濕地污水處理技術及其
在我國的應用[J].環境科學與技術，2006（29）：144-146.
[6] 馮本秀，賴子尼，余煜棉，等. 固定化微生物技術去除水體
中氨氮的研究進展[J].廣東化工，2005（10）：9-10.
[7] 張明.漳衛南運河流域河流典型污染物通量與累積負荷量
研究[EB/OL]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/
200709-236，2007－09－12/2016－05－12.
圖3 試驗期間總氮濃度變化
表4 試驗期間總氮降解系數變化d-1
監測斷面
A2
A3
A4
時間
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 試驗期間COD濃度變化
表5 試驗期間COD降解系數變化 d-1
監測斷面
A2
A3
A4
時間
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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