1. 引言
改善水质和生态状况是经济社会可持续发展的重要基础。研究显示，我国有超过40%的河流被严重污染，正面临水环境保护和治理的严峻挑战 [1]。其中，化学需氧量(COD)是评价水体污染程度的重要指标。
目前，去除水体中COD的方法主要包括物理方法(引水稀释、底泥疏浚、人工复氧等) [2] [3] [4] [5]、化学方法(化学除藻、絮凝沉淀、重金属的化学固定等) [6] [7] [8] [9] 和生态法(菌剂投加、生物膜、水生植物、稳定塘、人工湿地等) [10] [11] [12]。已有研究显示人工复氧虽可改善河流污染现状，但是投资成本较高；引水稀释和底泥疏浚只是短时间内达到降低COD的方法，无法从根本上减缓有机污染物的二次污染；化学方法是通过向受污染河流里投加化学药品，达到短期内减少污染物质含量的目的，但化学药品是否会产生二次污染仍有待进一步研究；生态方法是目前国际研究热点，主要是经过微生物、滤料、植物等的共同作用，以达到提高水体的自净能力目的，该方法具有一次性投资并长期运行的特点，且能得到良好的去除效果 [5]。
本研究提出的强化河道底质生态活性技术即属于生态方法范畴。该技术是指将河床作为水质净化设施，沿河床人工布设既具有一定抗冲刷能力、对污染物又具有隔离、吸收、分解、降解功能的防护结构物，实现防护河床和净化河道水质的目的。然而，强化河道底质生态活性技术对水体COD的去除效果如何仍有待进一步研究。因此，本研究选择了经济实惠的烧结型粘土矿物材料作为生态填料，构建了实验模型，进行了多项室内模型实验，对COD去除效果进行了定期监测和评价，以期为实际工程中的运用提供理论依据和技术支撑。
2. 材料与方法
2.1. 改性生态填料的选择
1) 基质填料的选取
学术界对于多孔性材料的吸附性能的研究较多，已广泛应用在国内人工湿地等生物自然净化技术中。多孔粘土矿物是自然界中广泛分布的一类非金属矿藏资源，具有比表面积大，孔隙多和极性强等优点，特殊的胶体性能和晶体结构又使其具备优良的表面吸附性能和离子交换性能。正是因为具有这些优异的性能，粘土矿物已逐渐成为新型高效吸附材料，在水环境治理中发挥独特的作用。本研究选取烧结粘土矿物材料(SiO2/AL2O3 = 1:1型)作为改性生态填料 [9]。
2) 改性生态填料的理化指标
根据对改性生态填料进行X射线衍射分析及红外光谱分析，测试结果可见，该矿物主要依次由伊蒙混层、钾长石、石英、斜长石、黑云母及有机质组成，其中以伊蒙混层为主，含量约占62%。
通过实验室测定，填料干密度为1.92 g/cm3。
随机采样3组进行孔隙率测定，结果如表1所示。
Table 1. Results of porosity determination of modified ecological filler
表1. 改性生态填料孔隙率测定结果表
2.2. 试验装置研制
1) 试验模型的选择
为避免受装置自身材料性质影响，本次选择有机玻璃缸作为装置主体，采用4座串联结构，单个缸体尺寸为60 cm × 30 cm × 50 cm (长 × 宽 × 高)，单体总容积90 L，单体内可填充不同粒径、不同孔隙率的改性填料、砾石等填充物。单体之间采用直径为10 mm的塑料软管连接，管间布设三通及阀门，可以各向控制，使每一反应体可以独立使用或者串、并联使用，同时保证每一单体可独立进行取样。
2) 模型动力选择
本试验采用有动力循环方式。由于试验流量小，因此需要可调节功能，经过对不同动力设备的比选，本次模型拟采用电磁隔膜计量泵作为循环动力设备。计量泵是一种可以满足各种严格的工艺流程需要，流量可以在0%~100%范围内无级调节，用来输送液体(特别是腐蚀性液体)的一种特殊容积泵。本次试验选择TN-1202-I型电磁隔膜计量泵，最大流量为12 L/H，具有可接受外部自动控制功能。
3) 试验模型布置
Figure 1. Schematic diagram of test apparatus
图1. 试验装置示意图
① 装置布置
每组试验模型主体部分分为原水进水区、反应区、出水回流区三分部分，反应区由3个单体组成，采用串联形式连接；出水回流区由1个单体组成，主要用于回流单次循环后的出水，对于流速和水质进行调节。原水进水区由电磁隔膜计量泵组成。试验装置示意图如图1所示。
根据单个缸体的体积及堆积填料的孔隙等，确定单组装置内添加试验原水144 L。单组模型设计流量：
单组模型设计流量：
(1)
式中：Q为单组模型设计流量，mL/min；L为实验装置中总水量，本试验中为144 L；T为装置中水样循环一次所需时间，为取样方便取24 h。计算得Q = 6 L/h = 100 mL/min。
② 试验方法
在其他条件相同的条件下，按照填料粒径的不同，进行了三组平行试验。其中：1号反应器内填料的粒径为20~25 cm，2号反应器内填料的粒径为25~31.5 cm，3号反应器内填料的粒径为31.5~40 cm。运行初期进行间歇式进水以培养适宜菌群，稳定一段时间后在设计流速或加大流速条件下进行连续流培养。
试验原水：取长春市区内伊通河典型支流现有污水作为原水。试验原水的本底值见表2。
Table 2. Laboratory test of raw water quality indicators
表2. 室内试验原水水质指标
试验周期：
第一阶段：4月19日~5月22日，计33天；
第二阶段：9月28日~10月24日，计27天。
3. 实验结果与分析
3.1. 第一阶段实验COD去除效果分析
第一阶段实验历时33天，不同时段的检测结果如图2所示。原水经过不同粒径的滤料过滤33天后，COD值均有非常显著的下降，下降幅度达到85%~92%。
Figure 2. COD purification effect of experiments in the first stage
图2. 第一阶段三组平行实验COD净化效果图
从表3可以看出，实验前16天，三组平行实验COD去除率平均达72%以上，此后净化效率逐渐趋于稳定(表3)。整体上，1号填充材料(粒径20~25 cm)净化效果最弱，2号填充材料(粒径25~31.5 cm)净化效果最好。
Table 3. COD purification effect of different reaction time in the first stage
表3. 第一阶段不同反应时间COD去除效果表
3.2. 第二阶段COD去除效果分析
为检验滤料对水体COD净化作用的持续有效性，在保证试验条件不变(原水采样点与第一次相同)的情况下，在第一阶段试验的基础上又进行了第二次试验。此次实验结果与第一阶段实验效果大致相同，三种粒径情景下COD值均有非常显著的下降趋势，净化效果达83%~93%，见下图3。
Figure 3. COD purification effect of experiments in the second stage
图3. 第二阶段三组平行实验COD净化效果图
从表4可以看出，实验前13天，三组平行实验COD去除率平均达77%以上，此后净化效率逐渐趋于稳定(表3)。与第一阶段实验效果一致，整体上，1号填充材料(粒径20~25 cm)净化效果最弱，为83%；2号填充材料(粒径25~31.5 cm)净化效果最好，达93%。
Table 4. COD purification effect of different reaction time in the second stage
表4. 第二阶段不同反应时间COD去除效果表
4. 生态填料性能对比分析
生态填料按来源分为天然材料及合成材料。其中，对COD有较好净化的天然材料有砾石、卵石、功能填料(废砖块、废陶或沸石)、天然纯棉绳、植物杆；合成材料有塑料、人工填料(粒状、细线状、垫子状、波板状填料)等。本研究选取烧结粘土矿物材料(SiO2/AL2O3 = 1:1型)作为改性生态填料，现从材料取用、净化效果、应用范围等方面对其进行对比分析。
1) 天然材料
天然材料如砾石、卵石，具有取用方便、花费少、净化效果较好的特点，COD的净化率可达70%，早在上世纪便广泛应用于日本、韩国等地地表水净化处理中，目前在地表水净化处理领域应用最为广泛。
2) 合成材料
合成材料有塑料、玻璃钢、尼龙、人工填料(粒状、细线状、垫子状、波板状填料)等，具有净化效果好、针对性强、应用领域广的特点，但其也具有制作工艺及后期运行管理稍显复杂、成本较高的特点。
3) 本研究烧结粘土矿物材料(SiO2/AL2O3 = 1:1型)
烧结粘土矿物材料花费少，可大量生产，净化效果好，实验室COD的净化率可高达90%，今后大面积实际水体应用及整个水域系统自我恢复能力提高效果有待后续研究。
5. 结语
通过室内实验对强化河道底质生态活性技术的水质净化效果评价与分析，本研究主要得出以下结论：
1) 强化河道底质生态活性技术对水体有机污染物去除效果显著，是一种经济、实惠和有效的河流污染修复技术。
2) 强化河道底质生态活性技术可高达85%以上，且持续效果显著，处于25~31.5 cm粒径的填充材料对COD净化效果最为显著，可达92%以上。
3) 烧结粘土矿物材料可作为有效的河道底质材料。
基金项目
国家科技重大专项专题项目：《排污明渠治理技术集成与工程示范》，课题编号(2012ZX07201-001)。