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摘要：针对秦汉新城雷家村生活污水不断流入纳污坑塘，坑塘内水体污染严重的情况，采用“预生物处理技术+微生物治理技术+光能曝气充氧技术+生态浮岛技术+生态系统修复”综合措施对水体进行治理和生态修复，同时坑塘周边进行景观绿化。经过30天治理，坑塘水黑臭消失，水体透明度明显增加，坑塘水的COD、氨氮、总磷的去除率分别达到92.9%、95.1%、94.4%，水体主要指标优于《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。
关键词：纳污坑塘；微生物治理；光能曝气；生态浮岛
由于自然或人为原因，形成了农村坑塘，大小深浅不一。由于近年来生活水平提高，农村居民生活排水量加大，未经处理过的生活污水直接排进坑塘，造成水体黑臭。其中，位于秦汉新城雷家村南的纳污坑塘就是受污染严重的代表。在综合治理前，该坑塘水面布满浮萍，水体发黑发臭，周边蚊蝇丛生，坑塘周边堆满柴草、垃圾、砖瓦，严重影响地下水安全和周围居民的正常生活。
农村坑塘被称作“农村之肾”，起到天然调蓄农村水资源的作用，对村庄的健康发展起着非常重要的作用。但是在国内广泛农村地区的坑塘却被作为纳污坑塘，将生活污水，生活垃圾排入其中，对村庄环境造成严重影响。2018年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《农村人居环境整治三年行动方案》。改善农村人居环境，建设美丽宜居乡村，是实施乡村振兴战略的一项重要任务。其中，整治纳污坑塘已成为其中一项重要工作。该研究在结合传统坑塘治理的基础上，创新性提出纳污坑塘综合治理措施，同时结合景观改造，将纳污坑塘改造成居民休憩的好去处。
目前，治理纳污坑塘的主要技术分为物理法、化学法和生态修复法。在实施过程中，单一的治理技术往往存在一些不足，例如常见的清淤法，成本高，如果不结合源头治理和生态修复技术，会出现治理效果维持较短，会出现反复的现象；投加化学药剂法见效快，但是维持时间短，同时对水体生态往往造成难以恢复的破坏；生物法治理成本低，能使水体恢复自净能力，但对于受到有毒有害以及难以生物降解的物质污染的坑塘，需要结合物化方法进行综合治理。
秦汉新城雷家村南的纳污坑塘占地1600 m2，水体面积450 m2左右，总水量500~800 m3。该坑塘主要接收150户居民生活污水以及雨水，每天排入坑塘的生活污水水量为20 m3左右。流入纳污坑塘的污水造成坑塘水体的COD、氨氮和总磷指标超标，水体黑臭严重，严重影响周边居民的正常生活和身心健康。该项目针对坑塘水的污染程度轻重及现场具体情况，结合以往治理经验，提出“预生物处理技术+微生物治理技术+光能曝气充氧技术+生态浮岛技术+生态系统修复”的综合措施，通过组合工艺达到改善水体水质指标，使水体达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。
1工程概况
1.1位置与水量
秦汉新城雷家村纳污坑塘位于村东南，水域面积450 m2左右，现存水量500~800 m3水体最深3m废水主要来源于村中生活污水和雨水地表径流水。坑塘水体发绿，水面分布浮萍，水体发臭。
1.2水体水质
该纳污坑塘水体全年黑臭，夏季更为严重，且大量藻类爆发生长。坑塘水体中的COD、氨氮、总磷的指标数值均远超《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准，属于劣Ⅴ类水。
雷家村纳污坑塘治理之前的水质见表1。
表1 纳污坑塘治理前水质
1.3处理后指标
根据纳污坑塘的现实情况，治理后纳污坑塘达到了一下效果：水面无藻类等漂浮物，水体主要指标优于《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。坑塘周边的垃圾、杂物、垃圾焚烧池等清理完毕，景观绿化完成。
2综合治理技术
本次对雷家村南的纳污坑塘进行治理，针对水体现状和水质目标，考虑建设周期，考虑技术路线如下。
拟采用“预生物处理技术+微生物治理技术+光能曝气充氧技术+生态浮岛技术+生态系统修复”组合处理技术，预生物处理过程首先通过孔距0.5cm细网将大颗粒垃圾杂物清除，后进入预生物处理罐进行厌氧反应，降解大分子污染物；微生物治理技术，通过向水体中投加微生物菌剂，利用微生物的持续繁殖生长，降低水体各项污染指标；光能曝气充氧技术主要通过放置太阳能曝气机，实现利用太阳能实现水中曝气和水体内循环，同时可消解水底淤泥；生态浮岛技术主要是利用植物根系吸收水中的营养化物质，例如总磷、氨氮、COD等，使得水体的营养转移，同时能使得水体透明度大幅度提高；生态修复是通过种植水生植物和投放水生动物，建立人工生态系统，实现水体自净能力。
3工程主要构筑物与设备
3.1预生物处理罐
设计水量10m3/d，有效容积2 m3，停留时间4.8h，设备直径1200mm，长度2200mm。材质为聚氯乙烯树脂，内部分为隔油间和厌氧间。
隔油间尺寸：直径1200mm，长度500mm；
厌氧间尺寸：直径1200mm，长度1500mm。
图1 预生物处理罐示意图
3.2微生物菌剂
微生物治理技术是通过向水中投加生物净水剂，构建优势微生物群落。生物净水剂分为三种：一种为改底型生物酶制剂，投加后沉底能够快速改善水体黑臭状态，降低水体中各项污染指标，改善水底缺氧状态，逐渐消解水底污泥；一种为复合菌剂，通过定期向水中投加，维持水体中菌群的平衡，持续消解不断流入水体中的污染物，实现水体自净，消除黑臭；一种为生物制剂，通过向水体投加生物制剂，能够增加水体透明度，降低水体的色度，降解水体中各类污染物。
按总水量800方计算，生物酶制剂总用量16Kg，复合菌剂用量8Kg，生物制剂用量8公斤。
3.3太阳能曝气机
光能曝气增氧技术采用太阳能曝气机。太阳能曝气机，以太阳能作为设备运转的直接动力，设置独特的旋切提拉曝气叶轮，通过叶轮旋转提升作用，将底部缺氧水转移到水体表面与表层富氧水混合；表层富含水通过离心旋转横向水平扩散、纵向进入底层缺氧区。由此实现水体解层、增氧和纵横向循环交换三重功效，高强度的将表层超饱和溶解氧水转移到水体底层，增加底层水体溶解氧，消除自然分层，提高水体自净能力。
纳污坑塘内设置450W太阳能曝气机一台，设备额定电压为220V，抽水深度1m。
3.4生态浮岛
高分子纤维浮动漂浮湿地，是一种可以用于湖泊、水库等风浪大的水体以及北方寒冷地区的生态浮岛，一般称为漂浮湿地或者浮动湿地，主要材质是高分子纤维材料。也称为“漂浮湿地”、“浮动湿地”、“浮田型浮岛”。相比于传统浮岛，有效使用寿命达10年以上。
纳污坑塘内设置生态浮岛60平米，浮岛上种植植物鸢尾、黄菖蒲和美人蕉。
3.5人工生态系统
生态修复通过种植水生植物，养殖水生动物等形成多条食物链。其中，不仅有分解者生物即细菌和真菌，生产者生物即藻类和其他水生植物，还有消费者生物等，三者分工协作，对污水中的污染物进行更有效地处理与利用。如果在各营养级之间保持适宜的数量比和能量比，就可建立良好多生态平衡系统。污水中的有机污染物不仅被细菌和真菌降解净化，而其降解的最终产物，一些无机化合物作为碳源，氮源和磷源，以太阳能为初始能量，参与到食物网中的新陈代谢过程，并从低营养级到高营养级逐级迁移转化，最后转变成水生作物、水生动物等产物。
通过综合治理，水质改善之后，在纳污坑塘中投放鲢鱼15尾、草鱼15尾、鲤鱼15尾、鲫鱼15尾以及少数螺类和蚌类，同时在岸边种植芦苇、香蒲、美人蕉等。
4工艺运行
4.1预生物处理技术
根据现场测量可知，每天大约有20 m3生活污水排入纳污坑塘。为了减少生活污水中的污染物对纳污坑塘中的人工生态系统和优势菌群造成冲击，设置了预生物处理罐，将流入纳污坑塘的生活污水直接进入预生物处理罐进行隔油、预沉和生物厌氧处理，处理后的污水排入坑塘进一步净化。将预生物处理罐分为两个隔断，污水中的大部分油类和漂浮物被隔档在前端的隔油间，随后污水进入厌氧间。通过向厌氧间中投加复合菌种和厌氧菌种，包括但不局限于硝化细菌、反硝化细节等。通过5天的静置培养，微生物在填料表面不断生长繁殖形成生物膜，随着生物膜的不断增厚，形成了厌氧、缺氧的生物环境，增强厌氧间的脱氮效果，大幅降低水中污染物的指标数值。生活污水原水中的COD、氨氮、总磷的质量浓度分别为190mg/L、24.9mg/L、1.96 mg/L，预生物处理罐处理后的COD、氨氮、总磷的质量浓度分别为90mg/L、15mg/L、1.02 mg/L。COD、氨氮、总磷的去除率分别为52.6%、39.8%、48%。
4.2微生物治理及生态修复
该过程主要包括投加多种微生物制剂和曝气充氧。通过曝气机的启停，配合微生物制剂治理过程间歇性制造厌氧和好氧环境，快速降低水体中污染物的含量，消解池底淤泥。首先，向纳污坑塘中投加生物酶制剂，不向水中曝气充氧，生物酶制剂能快速吸附和降解水中总磷、COD和悬浮物，改变泥水接触面的溶解氧浓度，消除黑臭产生的根源。水体黑臭的产生主要原因是水底厌氧环境下厌氧菌产生硫化氢等恶臭气体。经过五天的消解过程，向纳污坑塘中投加复合菌剂，前三天不向水中曝气充氧，其后五天远程开启太阳能曝气机，向水体中曝气充氧。通过解层式曝气装置，可以使水底淤泥、微生物菌剂与水充分混合，为微生物创造好氧环境。在好氧环境下，微生物菌剂能够快速降低水中的氨氮指标数值，同时能进一步降低水中COD含量。最后向水体中投加微生物制剂，同时关闭太阳能曝气机三天，该过程能够降低COD和总磷指标数值，提高水体的透明度，消除水体的色度。
同时，经过一系列微生物治理之后，水质优于《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。后期通过定时开启太阳能曝气机向水中曝气充氧，可以改善水底厌氧环境，抑制厌氧微生物的活动，减少水体中恶臭气体的产生，减轻对周边大气的污染，改善周边居民的生活环境。曝气充氧能够提高水下植物表面附着微生物的活性，抑制水中藻类的爆发，促进鱼类生长，有利于人工生态系统的长效稳定运行，从而使得水体水质持久达标。
纳污坑塘内单纯曝气充氧会在坑塘中形成死角区域，该区域内水体中的DO（溶解氧）质量浓度会急剧下降，使得厌氧型微生物成长为优势菌群，臭气产生，水体发黑，水体产生富营养化。该纳污坑塘内放置的曝气机同时能够使水不断循环，保证坑塘中的水1.5小时内循环一遍。水体由原来的静止状态变为流动状态，水中的物质不断得到交换，使得进入坑塘中的原水迅速得到稀释，水体中的DO含量分布均匀，消除了死水区域。
纳污坑塘治理过程中，通过15天的微生物技术治理，水质改善明显，后通过半个月的持续监测，其中COD、氨氮、总磷的指标数值优于《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。其中，COD、氨氮、总磷在治理过程中数值变化见图2、图3和图4。
图4微生物技术治理过程中纳污坑塘污水总磷的变化
由图2可以看出，纳污坑塘中COD由开始的380mg/L下降到27mg/L，氨氮由开始的29mg/L下降到1.41mg/L，总磷由开始的1.96mg/L下降到0.11mg/L。在纳污坑塘治理初期，纳污坑塘中DO（溶解氧）的质量浓度为0.2mg/L，后期通过曝气充氧技术DO的质量浓度提升到2.9 mg/L。治理后的纳污坑塘，坑塘中黑臭现象消失，水体透明度增加，水质得到改善，预生物处理罐运行稳定，纳污坑塘内植物和水生动物生长良好，坑塘中的人工生态系统运行正常，水体的自净能力得到恢复。
4.3 成本分析
纳污坑塘中人工生态系统建立后，直接运行成本主要包括微生物药剂费和人工费。微生物药剂主要用于人工生态系统中优势菌群的维护，人工生态系统主要人工包括投撒药剂、打捞漂浮物、园林景观的护理。微生物药剂一年需要投加8次，每次费用为1.5元/m3，人工费300元。后期随着人工生态系统趋于稳定，微生物制剂的投加量（具体投加量以实验数据为参考）和投加频次会逐渐降低，相应的维护成本会进一步降低。
5结论
本项目纳污坑塘的治理思想是首先通过预生物处理罐将大颗粒悬浮物，部分油脂和漂浮物截住，同时将原水中COD、氨氮、总磷的指标数值大幅降低，在此基础上通过微生物治理技术（微生物酶、微生物菌剂、微生物制剂）、光能曝气充氧技术、生态浮岛技术、生态系统修复等组合技术，将纳污坑塘中的水体进行污染防治同时使得水体的自净能力得到恢复。
通过15天的治理和15天的维护观察，纳污坑塘中COD由开始的380mg/L下降到27mg/L，氨氮由开始的29mg/L下降到1.41mg/L，总磷由开始的1.96mg/L下降到0.11mg/L。在纳污坑塘治理初期，纳污坑塘中DO（溶解氧）的质量浓度为0.2mg/L，后期通过曝气充氧技术DO的质量浓度提升到2.9 mg/L。治理后的纳污坑塘，坑塘中黑臭现象消失，水体透明度增加，水质优于《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅴ类水标准。
（1）该综合治理技术是基于生态系统的运行原理，设置人工曝气充氧和预生物处理技术作为辅助，最大限度减少对自然环境的影响，使得纳污坑塘能够承接一定量生活污水和雨水的同时保证水质符合标准；
（2）在未完全截污的条件下，经过实施微生物治理技术15d后，纳污坑塘水体中COD、氨氮、总磷的去除率分别达到92.9%、95.1%、94.4%，透明度有5.5cm提升至70cm，使得水体的黑臭现象得到快速消除，证明了该人工生态系统具有很强的自净能力；
（3）该综合治理技术在纳污坑塘治理过程中，第一年吨水的维护费用为12元左右，远低于传统清淤法和单纯微生物修复法，具有明显的经济优势，适用于纳污坑塘和其他黑臭水体的生态修复。
论文作者:张超,张晶晶,李旭升,陈花,孙瑶池
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年9期
论文发表时间:2019/8/23
标签：水体论文; 微生物论文; 技术论文; 生物论文; 曝气论文; 污水论文; 自净论文; 《建筑学研究前沿》2019年9期论文;