鐵碳微電解耦合苦草治理河道黑臭水體的工程倫理案例分析

鐵碳微電解耦合苦草治理河道黑臭水體的案例目錄CONTENTS020304研究背景試驗(yàn)與分析主要影響因素結(jié)論01研究背景011.研究背景

所謂“河道黑臭”，即河流有機(jī)污染的一種極端現(xiàn)象，是在河道缺氧或厭氧條件下，水體中有機(jī)物質(zhì)腐敗而引起的水體發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象，從視覺(jué)上表現(xiàn)為水體呈黑色或泛黑色，從嗅覺(jué)上表現(xiàn)為刺激嗅覺(jué)氣管，引起不適或厭惡的氣味。而河道“黑臭”的實(shí)質(zhì)是河水中大量有機(jī)物厭氧分解的一種生物化學(xué)現(xiàn)象。河道水體黑臭的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）大量有機(jī)污染物排入河道；（2）河道淤積及沿岸的垃圾污染；（3）底泥、底泥的再懸浮和水循環(huán)條件不足。

圖為黑臭水體1.研究背景治理方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)底泥疏浚是控制黑臭河道內(nèi)源氮、磷負(fù)荷的有效措施此類(lèi)工程耗資較大，如底泥疏浚較深可能會(huì)破壞原有的微生物結(jié)構(gòu)，不利水體自我修復(fù)，且疏浚過(guò)程容易將污染物重新帶入水體，造成二次污染人工曝氣提高水體溶氧，凈化水體，改善水質(zhì)單一靠人工曝氣是不完善的，且黑臭水體有害微生物會(huì)在曝氣后形成氣溶膠，可能會(huì)威脅周邊居民健康絮凝沉淀適用黑臭水體或一些污染水體的應(yīng)急處理，在短期有一定的效果黑臭水體污染源以溶解性有機(jī)物和氮源污染物為主，此法作用顯得十分有限；此外經(jīng)濟(jì)效益太差且更加容易造成二次河道污染人工濕地運(yùn)行成本低、效果較佳、具有觀賞性，且人工濕地對(duì)于多種類(lèi)型的廢水、難降解的污染物都有不錯(cuò)的效果占地面積較大，較易受氣候條件制約，長(zhǎng)期運(yùn)行容易造成堵塞，且對(duì)嚴(yán)重污染的水體效果并不理想水生植物擁有較好且穩(wěn)定的處理效果，成本低，無(wú)污染且與綠化景觀相結(jié)合對(duì)污染較為嚴(yán)重的黑臭河道，效果可能受到限制，因此需改善生境，組合其他適宜技術(shù)共同發(fā)揮效果黑臭水體治理方法優(yōu)缺點(diǎn)類(lèi)比：黑臭水體治理方法大致分為三種：物理法、化學(xué)法、生物法；細(xì)致分類(lèi)如下：1.研究背景

在廢水治理中，鐵碳微電解技術(shù)因其具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低，處理效果好，適用范圍廣，且可利用廢鐵作為原材料，不用外加電源。

鐵碳微電解不僅具有傳統(tǒng)基質(zhì)的吸附污染物，提供植物根際微生物的代謝產(chǎn)所的作用；還具備氧化還原降解COD，利用原電池反應(yīng)產(chǎn)生[H]和Fe2+為反硝化菌提供電子供體，此外還有脫氮除磷去碳的優(yōu)點(diǎn)。因此針對(duì)城市黑臭河道以氮磷污染為主，且C/N較低的水質(zhì)特點(diǎn)，鐵碳微電解技術(shù)為強(qiáng)化水生植物治理黑臭河道具有重要的借鑒意義。

鐵碳微電解的具體反應(yīng)如下：陽(yáng)極（Fe）：Fe-2e-→Fe2+E(Fe/Fe2+)=0.44V陰極（C）：2H++2e-→2[H]→H2E(H+/H2)=0.00V當(dāng)有氧氣存在時(shí)，陰極反應(yīng)如下：O2+4H++4e-

→

2H2OE(O2)=1.23VO2+2H2O+4e-

→

4OH-

E(O2/OH-)=0.41V圖為鐵碳材料鐵碳微電解凈化污染水體的研究進(jìn)展實(shí)驗(yàn)與分析022.實(shí)驗(yàn)與分析

選擇鐵碳微電解的原因：

針對(duì)黑臭水體的低DO，低透明度，低C/N，且存在很難被微生物降解的COD，脫氮難等問(wèn)題，鐵碳微電解可氧化還原降解COD，通過(guò)吸附、絮凝共沉淀等作用去除磷及有機(jī)物，為反硝化提供電子供體促進(jìn)微生物脫氮，通過(guò)添加輔助基質(zhì)陶粒，吸附水體污染物，與鐵碳填料共同改善黑臭水前期透明度供沉水植物正常的光合作用，改善水體DO，且通過(guò)根際泌氧促進(jìn)微生物脫氮。

選擇苦草的原因：考慮到苦草為根須型沉水植物，再生能力強(qiáng)，耐污、耐堿、具克藻作用、適應(yīng)性廣，凈化污染水體效果較好。

因此，通過(guò)鐵碳-沉水植物-微生物之間的協(xié)同作用達(dá)到消除黑臭，去碳脫氮除磷，最終恢復(fù)河道水生態(tài)系統(tǒng)的目的。研究?jī)?nèi)容2.實(shí)驗(yàn)與分析技術(shù)路線圖2.實(shí)驗(yàn)與分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取樣：供試水樣取自廣州市黃埔區(qū)四號(hào)涌，其主要理化指標(biāo)見(jiàn)下表，根據(jù)《城市黑臭水整治工作指南》黑臭水污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)達(dá)重度黑臭。供試水樣供試水樣水質(zhì)指標(biāo)2.實(shí)驗(yàn)與分析實(shí)驗(yàn)方法鐵碳填料與苦草耦合模塊的制作方法為：將磨碎的鐵碳填料均勻包裹于苦草根部，用土工布包裹后用尼龍?jiān)K扎緊，在外層用生物陶粒包裹于塑料定植藍(lán)中固定，如下圖所示。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（a）和實(shí)物圖（b）2.實(shí)驗(yàn)與分析單因素實(shí)驗(yàn)方法采用批式實(shí)驗(yàn)考察不同植株密度、鐵碳填料用量條件下鐵碳微電解耦合苦草體系對(duì)黑臭水治理效果的影響。陶粒為輔助基質(zhì)（因陶粒作為吸附基質(zhì)與微生物附著位點(diǎn)作用），設(shè)定為48g/L水，各個(gè)因素影響實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置以及具體操作如下：（1）苦草密度的影響研究：鐵碳填料用量為12g/L水，苦草密度分別設(shè)為59株/m2、88株/m2、118株/m2、148株/m2和176株/m2，采用批式實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各指標(biāo)隨時(shí)間的變化。（2）鐵碳用量的影響研究：苦草密度為118株/m2，采用批式實(shí)驗(yàn)，測(cè)定鐵碳填料用量分別為4g/L、8g/L、12g/L、16g/L和20g/L時(shí)各指標(biāo)隨時(shí)間的變化。每個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)空白對(duì)照組，運(yùn)行周期為22d，以三批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。用12L（D上×D下×H：30.5×21.5×30cm）白色塑料桶裝水進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，將固定好的鐵碳填料和苦草沉在水桶底部，倒入8L黑臭水樣。實(shí)驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，各實(shí)驗(yàn)組從2017年10月中旬運(yùn)行至11月中。每隔1d，取水樣，在24h內(nèi)完成水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。主要影響因素033.主要影響因素

3.1.1對(duì)理化指標(biāo)pH的影響由圖可知，各實(shí)驗(yàn)組pH隨著鐵碳用量的增加在前12d總體呈快速上升趨勢(shì)，隨后下降趨于穩(wěn)定于7.8~8.4。究其原因，鐵碳陰極電解產(chǎn)生大量的OH-和苦草光合作用消耗大量的CO2使得pH前期迅速上升，隨之DO的快速積累，促進(jìn)其硝化作用，消耗部分堿度，附以苦草在水體分泌有機(jī)酸共同導(dǎo)致pH的短暫降低，隨后pH趨于穩(wěn)定。3.1

鐵碳用量的影響各組pH隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.1.2對(duì)COD去除的影響

由圖可見(jiàn)，5個(gè)實(shí)驗(yàn)組COD均呈快速下降趨勢(shì)，隨后趨緩，16d后均穩(wěn)定于17.77±1.71mg/L以下，去除率達(dá)到70%，均明顯高于對(duì)照組。隨著鐵碳用量的增加，各組對(duì)COD的去除差異性顯著，當(dāng)鐵碳用量為16g/L和20g/L時(shí)，22d后對(duì)COD的去除率均穩(wěn)定在81%以上，達(dá)11.10±1.19mg/L，去除效果相近。

說(shuō)明鐵碳耦合苦草體系對(duì)黑臭水COD去除效果顯著，去除率隨著鐵碳用量的增加而增加后趨平。3.1

鐵碳用量的影響各組COD隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.1.3對(duì)氮素去除的影響由右圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NH4+-N和NO3?-N的去除差異性不顯著；對(duì)TN的去除差異性顯著；在處理前8d，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO2?-N的去除差異性不顯著，但在8~20d，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO2?-N的去除差異性顯著。

說(shuō)明鐵碳耦合苦草體系對(duì)脫氮具有較好的效果，但鐵碳用量對(duì)NH4+-N的去除差異性不明顯。3.1

鐵碳用量的影響各組TN,NH4+-N,NO3?–N,NO2?–N隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.1.3.1對(duì)NH4+-N去除的影響由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組NH4+-N總體均呈快速下降趨勢(shì)而后趨緩，在12d均穩(wěn)定2.53±0.11mg/L以下，去除率達(dá)89%以上，當(dāng)鐵碳用量處于8g/L-20g/L時(shí)，16d后NH4+-N的去除率達(dá)到99%以上，穩(wěn)定于0.4mg/L以下。

說(shuō)明耦合體系對(duì)NH4+-N的降解具有顯著的效果。在處理前2d和8~10d，NH4+-N都經(jīng)歷一個(gè)快速的下降過(guò)程，推測(cè)前2d的快速下降是因陶粒和苦草快速吸附NH4+-N所致，而第8~10dNH4+-N快速下降是因?yàn)殡S著DO的快速升高。3.1

鐵碳用量的影響各組NH4+-N隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.1.3.2對(duì)NO3?-N、NO2?-N去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組NO3?-N和NO2?-N均呈先上升后下降趨勢(shì)，隨后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明鐵碳微電解可促進(jìn)硝化反應(yīng)。因?yàn)殍F碳微電解產(chǎn)生OH-進(jìn)而提升pH，且隨著DO的快速升高，促進(jìn)其亞硝化和硝化反應(yīng)，在第8~12d時(shí)，此時(shí)處于較高的DO和較低的C/N，異養(yǎng)反硝化受阻，導(dǎo)致NO3?-N和NO2?-N大量積累。3.1

鐵碳用量的影響

各

組NO3?-N

隨

時(shí)

間

的

變

化

各

組NO2?-N

隨

時(shí)

間

的

變

化3.主要影響因素

3.1.3.3對(duì)TN去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組TN均呈快速下降趨勢(shì)，隨后趨緩，12d后均穩(wěn)定在17.54±1.89mg/L以下，隨著鐵碳用量的增加，對(duì)TN的去除率呈先上升后下降趨勢(shì)。處理22d后，當(dāng)鐵碳用量為12g/L，TN穩(wěn)定8.79±0.56mg/L,去除率達(dá)74%以上，效果顯著。分析知，耦合體系對(duì)TN的降解主要依靠陶粒吸附，苦草吸收和微生物硝化反硝化作用。而鐵碳微電解可以促進(jìn)硝化反應(yīng)，且產(chǎn)生的[H]和Fe2+可以作為反硝化的電子供體促進(jìn)反硝化脫氮。顯然，綜合各污染物降解效果和指標(biāo)變化規(guī)律，最佳的鐵碳用量為12g/L。3.1

鐵碳用量的影響各組TN隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.1.4對(duì)TP去除的影響

由圖可見(jiàn)，5個(gè)實(shí)驗(yàn)組TP均呈快速下降趨勢(shì)，隨后趨緩，10d后均穩(wěn)定于0.42±0.10mg/L以下，去除率達(dá)91%以上，明顯高于對(duì)照組。各實(shí)驗(yàn)組之間對(duì)TP的去除差異性不顯著，在處理22d后，對(duì)TP的去除率均達(dá)到99%以上。說(shuō)明鐵碳耦合苦草體系對(duì)TP有顯著的凈化效果。除此之外，本研究中對(duì)TP的降解還包括了陶粒的吸附，苦草的吸收作用，可能還存在微生物的固磷作用。3.1

鐵碳用量的影響各組TP隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.2.1對(duì)理化指標(biāo)pH的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組pH均呈先快速上升后下降隨后趨穩(wěn)。分析知，鐵碳微電解產(chǎn)生大量的OH-導(dǎo)致pH前期快速升高，由于苦草根系會(huì)分泌有機(jī)酸，故pH隨著苦草密度的增加而下降趨穩(wěn)。3.2

苦草密度的影響各組pH隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.2.2對(duì)COD去除的影響由圖可見(jiàn)，5個(gè)實(shí)驗(yàn)組COD均呈快速下降趨勢(shì)，隨后趨緩，18d后均穩(wěn)定于30.42mg/L以下，去除率達(dá)到67.5%，均明顯高于對(duì)照組。隨著苦草密度的增加，各組對(duì)COD的去除差異性不顯著，當(dāng)苦草密度為118株/m2和148株/m2時(shí)，18d后對(duì)COD的去除率均穩(wěn)定在78.2%以上，達(dá)20.36±1.87mg/L,去除效果相近。

由前面去除結(jié)果知，對(duì)COD的降解主要是因?yàn)殍F碳微電解可氧化還原去除有機(jī)物，且可提高黑臭水可生化性，另外隨著苦草密度增加，DO快速提升有利于好氧微生物同化分解COD。3.2

苦草密度的影響各組COD隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.2.3對(duì)氮素去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NH4+-N和NO3?–N的去除差異性不顯著；對(duì)TN的去除差異性顯著；在處理前10d，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO2?–N的去除差異性不顯著，但在8~22d，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO2?–N的去除差異性顯著。說(shuō)明鐵碳耦合苦草體系對(duì)脫氮具有較好的效果，但苦草密度對(duì)NH4+-N的去除差異性不明顯。3.2

苦草密度的影響各組TN,NH4+-N,NO3?–N,NO2?–N隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.2.3.1對(duì)NH4+-N去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)NH4+-N總體均呈快速下降趨勢(shì)而后趨穩(wěn)，在12d均穩(wěn)定于1.78±0.10mg/L以下，去除率達(dá)93%以上，20d后各實(shí)驗(yàn)組NH4+-N的去除率均達(dá)到99%以上，穩(wěn)定于0.27±0.01mg/L以下，明顯高于對(duì)照組。說(shuō)明耦合體系對(duì)NH4+-N的降解具有顯著的效果。由前面去除結(jié)果知，耦合體系降解NH4+-N的原因可能主要是前期陶粒及苦草的快速吸附，當(dāng)陶粒及苦草根際生物膜成熟后，隨著DO的提高，微生物的硝化作用為主。3.2

苦草密度的影響各組NH4+-N隨時(shí)間的變化3.主要影響因素

3.2.3.2對(duì)NO3?-N、NO2?-N去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組NO3?-N和NO2?-N總體均呈上升趨勢(shì)，隨后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明苦草密度的提高可促進(jìn)硝化反應(yīng)，因?yàn)镈O隨著苦草密度提高而快速上升，以及鐵碳微電解產(chǎn)生OH-進(jìn)而提升了pH，促進(jìn)了亞硝化和硝化反應(yīng)。故在前8d時(shí)，NH4+-N迅速轉(zhuǎn)化為NO3?-N和NO2?-N，可能由于水體較高的DO和較低的C/N，故推測(cè)在8d后，部分實(shí)驗(yàn)組發(fā)生了不同程度的自養(yǎng)反硝化脫氮過(guò)程。3.2

苦草密度的影響

各

組NO3?-N

隨

時(shí)

間

的

變

化

各

組NO2?-N

隨

時(shí)

間

的

變

化3.主要影響因素

3.2.3.3對(duì)TN去除的影響

由圖可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組TN前6d均呈快速下降趨勢(shì)，隨后趨緩。當(dāng)苦草密度為118株/m2、148株/m2時(shí)，22d后均穩(wěn)定于8.91±0.81mg/L以下，去除率達(dá)77%以上，效果顯著。隨著苦草密度的增加，對(duì)TN的去除率呈先上升后下降趨勢(shì)。分析知，耦合體系對(duì)TN的降解主要依靠前期陶粒吸附，苦草吸收和中后期微生物反硝化去除。3.2

苦草密度的影響各組TN隨時(shí)間的變化

苦草密度在59~176株/m2內(nèi)，各實(shí)驗(yàn)組的COD、NH4+-N去除效果都較好，無(wú)顯著差異，說(shuō)明植物對(duì)有機(jī)物、NH4+-N、可溶性磷的吸收作用較弱。因此考慮經(jīng)濟(jì)性差異，確定最佳的苦草種植密度為118株/m2。3.主要影響因素

3.2.4對(duì)TP去除的影響

由圖可見(jiàn)，5個(gè)實(shí)驗(yàn)組TP均呈快速下降趨勢(shì)，在8d后均穩(wěn)定于0.65mg/L以下，去除率達(dá)89.5%以上，明顯高于對(duì)照組。各實(shí)驗(yàn)組之間對(duì)TP的去除差異性不顯著，在處理18d后，對(duì)TP的去除率均達(dá)到99%以上。說(shuō)明鐵碳耦合苦草體系對(duì)TP有顯著的凈化效果。由前面知，降解TP的主要機(jī)制是鐵碳微電解產(chǎn)生Fe2+經(jīng)過(guò)氧化后的Fe3+與磷酸鹽產(chǎn)生沉淀，而苦草吸收磷酸鹽及陶粒吸附作用次之。但適宜的苦草密度可以促進(jìn)對(duì)黑臭水中TP的去除。除此之外，推測(cè)本研究中對(duì)TP的降解還包括了微生物的固磷作用。3.2

苦草密度的影響各組TP隨時(shí)間的變化結(jié)論044.結(jié)論

鐵碳微電解耦合苦草體系隨鐵碳填料用量和苦草密度的增加凈化效果先提升后下降。鐵碳用量和苦草密度對(duì)TN的去除差異性顯著，適宜的鐵碳用量和苦草密度有利于促進(jìn)微生物脫氮。最佳的鐵碳用量和苦草密度分別為12g/L和118株/m2，可處理重度黑臭水體，在實(shí)際工程應(yīng)用中可根據(jù)污染物濃度調(diào)整鐵碳填料用量和苦草密度。

最佳的鐵碳用量