曝氣對生物促生劑修復城市黑臭河道水體的影響

摘要：

在實(shí)驗室條件下研究了曝氣對生物促生劑修復城市黑臭河道水體效果的影響，并通過(guò)控制曝氣時(shí)間及強度考察處理效果以確定曝氣方式和曝氣量。結果表明：在生物促生劑修復城市河道黑臭水體過(guò)程中使用曝氣協(xié)同作用可大大增強生物促生劑的修復作用，加快修復速度。使用間歇曝氣協(xié)同生物促生劑作用時(shí)效果與連續曝氣相近，且可以降低運行成本。實(shí)驗60d后，上覆水C0D、NH3-N和TP去除率分別達46.8%、98.7%和73.3%，上覆水pH由7.61提高至7.92；底泥削減達5.49cm，底泥有機質(zhì)削減率達10.5%。

關(guān)鍵詞：生物促生劑、曝氣、城市河道、黑臭、竹排沖

中圖分類(lèi)號 X522         文獻標識碼 A       文章編號 1673-9108（2012）12-4281-08

城市河道黑臭是當前眾多城市內河面臨的嚴峻污染問(wèn)題，內河黑臭嚴重影響了城市的發(fā)展。我國許多城市相繼開(kāi)展了大規模的城市黑臭內河整治工作。

研究人員已提出眾多方法整治黑臭河道，如清淤換水、生物凈化、生態(tài)修復等。其中，生物修復是一種原位治理技術(shù)，其治理成本遠低于清淤工程。目前生物修復已有較多研究，如使用生物復合酶、微生物等對底泥進(jìn)行修復。生物促生劑是微生物修復的一種，通過(guò)向水體中加入生物促進(jìn)劑，促進(jìn)微生物的生長(cháng)，以達到改善水體環(huán)境，降低污染物濃度的目的。生物促生劑在地表水、土壤及底泥的修復中已有研究，但單獨使用生物促生劑修復水體時(shí)，上腹水及底泥中氮、磷、COD等指標含量較高。而曝氣則是河道修復中的一種常用技術(shù)，廣泛應用于河流及湖泊的治理中，主要形式有固定式和移動(dòng)式。曝氣技術(shù)在黑臭河道的整治中也有較多研究。甚偉等研究了低強度曝氣技術(shù)修復黑臭河道水體的可行性，但研究主要側重于上覆水。盧麗君使用生物促生劑及曝氣聯(lián)合作用修復受污染的底泥，由于側重底泥修復因而對上覆水修復效果不理想，也未就曝氣方式進(jìn)行深入研究。曝氣技術(shù)用于治理黑臭河道過(guò)程中成本大小的主要決定因素之一是曝氣時(shí)間，在達到相同處理效果的情況下，所使用的曝氣時(shí)間越短，處理成本越低。因此，研究不同曝氣時(shí)間對黑臭水體的處理效果，選擇經(jīng)濟、可行的曝氣方式對實(shí)際工程應用具有重要指導意義。

南寧市正著(zhù)力打造“中國南方水城”，竹排沖河道作為南寧市水城建設的標志性區域正在進(jìn)行綜合環(huán)境整治，該河道長(cháng)35.9km，流域面積117km2。目前下游大部分人河污水已經(jīng)截污，但上游由于種種原因無(wú)法完成截污，仍然有大量工業(yè)、農業(yè)和生活污染源的污水直排人河，對河道水體造成嚴重污染并呈現嚴重黑臭現象。竹排沖黑臭河道整治是南寧市水城建設面臨的首要問(wèn)題之一。有研究表明，當溫度達到25℃時(shí)，河道發(fā)生黑臭的可能性最大。而南寧市年均氣溫較高，每年3月份開(kāi)始，溫度回升導致底泥厭氧發(fā)酵加劇，大量底泥上浮導致竹排沖河道呈現嚴重黑臭現象，部分河段常年處于黑臭狀態(tài)，對南寧中心城區景觀(guān)及居民生活造成極大影響。本文擬在使用生物促生劑修復竹排沖黑臭水體過(guò)程中使用曝氣協(xié)同作用，確定曝氣方式及曝氣量，以改善水體黑臭現狀，為南寧市竹排沖河道黑臭的整治提供理論及技術(shù)支持。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗對象

本實(shí)驗所用底泥及上覆水均采自竹排沖河道。處理前底泥及上覆水中各污染物初始濃度為：C0D80～99mg/L，TP0.75～1.73mg/L，NH-N45.70～82.81mg/L，pH7.43～7.61，底泥有機質(zhì)7.54%～8.83%。

1.2 實(shí)驗材料及方法

1.2.1 實(shí)驗儀器

Agi1entUV1800紫外可見(jiàn)分光光度計，梅特勒-托利多便攜式溶氧儀，01J2003-04型立式蒸汽滅菌器，WMX微波密封消解C0D速測儀，DHG-9076A恒溫干燥箱等。

實(shí)驗所用裝置為圓柱形的有機玻璃裝置，裝置直徑20cm，高1m。自底部開(kāi)始每隔5cm開(kāi)一小孔，孔徑1cm，小孔上裝有閥門(mén)供取樣使用。裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.2.2 實(shí)驗藥品

實(shí)驗所用生物促生劑（簡(jiǎn)稱(chēng)藥劑）主要成分為礦物質(zhì)、維他命、氨基酸、瞟嶺和畸院等天然物質(zhì)。主要用于促進(jìn)兼氣型微生物的生長(cháng)。

1.2.3 實(shí)驗方法

根據南寧市竹排沖黑臭河道中河水及底泥現狀，實(shí)驗中底泥厚度和上覆水深度均設置為50cm。實(shí)驗中由于水質(zhì)監測及蒸發(fā)等因素會(huì )導致上覆水減少，因而實(shí)驗過(guò)程中需及時(shí)補充上覆水，補充用水同樣采自竹排沖黑臭河道。為研究曝氣對生物促生劑修復黑臭底泥和水體處理效果的影響，并確定曝氣方式及曝氣量，使用自制有機玻璃實(shí)驗柱設置4組實(shí)驗。A組為空白對照組，不進(jìn)行任何處理；B組每天分別向底泥及上覆水中按照5mLIm3的體積比加人100倍稀釋后的生物促生劑，但不進(jìn)行曝氣處理；C組加人與B組同等劑量的藥劑，且進(jìn)行連續曝氣（CA）處理，使D0全天維持在8mgIL以上；D組加人與B組同等劑量的藥劑，且進(jìn)行間歇曝氣（IA）處理，由于實(shí)驗所用生物促生劑主要用于促進(jìn)兼氣性微生物的生長(cháng)，因而每天曝氣3h，全天維持D0濃度在2～3mgIL，以促進(jìn)兼氣型微生物的生長(cháng)，降解上覆水及底泥中的污染物。C、D組曝氣頭均位于泥水界面上方約10cm處，對底泥不產(chǎn)生擾動(dòng)。實(shí)驗過(guò)程中使用60W白熾燈模擬太陽(yáng)光照，每天光照10h，所有實(shí)驗柱均用錫餡紙包裹以避免底泥直接受到光照。所有實(shí)驗柱內溫度均維持在25℃左右，即最易產(chǎn)生黑臭現象的溫度范圍。實(shí)驗中使用連續曝氣與間歇曝氣2種方式與生物促生劑聯(lián)合作用，探索曝氣對生物促生劑修復城市黑臭河道水體的影響以便確定使用何種曝氣方式比較經(jīng)濟、可行，整個(gè)實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行60d。

取樣和分析：筆者前期對竹排沖河道的研究表明，竹排沖水體黑臭的嗅闊值與溶解氧（D0）、化學(xué)需氧量（C0D）和氨氮（NH3-N）等有較大相關(guān)性，所以在氮的去除方面重點(diǎn)考察氨氮的去除情況。每天監測水體中溶解氧（D0）、溫度（T）、pH及底泥厚度。定期取樣監測上覆水化學(xué)需氧量（C0D）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）及底泥有機質(zhì)。各指標檢測方法參照相關(guān)文獻。通過(guò)對各類(lèi)指標的監測，研究曝氣對實(shí)驗效果的影響。

2 結果與討論

2.1 上覆水改善效果

2.1.1 對水體C0D的影響

由圖2可見(jiàn)，A組C0D在實(shí)驗過(guò)程中基本穩定，至實(shí)驗結束時(shí)C0D去除率僅為7.5%;B組在添加了生物促生劑后C0D濃度有所上升，在第45天時(shí)經(jīng)歷了峰值后有下降趨勢，至實(shí)驗結束時(shí)C0D去除率為42.6%;C組生物促生劑與連續曝氣協(xié)同作用，C0D濃度在第35天經(jīng)歷了峰值后開(kāi)始下降，至實(shí)驗結束時(shí)C0D去除率為54.0%;D組生物促生劑與間歇曝氣協(xié)同作用，C0D濃度在第35天經(jīng)歷了峰值后開(kāi)始下降，至實(shí)驗結束時(shí)C0D去除率為46.8%，但D組C0D濃度峰值較B組和C組要小。生物促生劑聯(lián)合曝氣處理2個(gè)月的C0D去除率為40.0%～55.0%，與上海上澳塘鼓風(fēng)曝氣處理和蘇州河純氧曝氣處理C0D的去除率相當。由實(shí)驗結果可見(jiàn)，添加生物促生劑后上覆水中C0D濃度有所上升且在較長(cháng)時(shí)間里保持較高水平，這一結果與其他研究人員的研究結果相似。在處理前期，上覆水C0D濃度上升，可能是底泥有機污染物釋放至水中的結果。生物促生劑的添加使土著(zhù)微生物迅速生長(cháng)并對底泥進(jìn)行降解，加之底棲動(dòng)物的擾動(dòng)等，都會(huì )促進(jìn)底泥污染物釋放至水體中。而曝氣的使用一方面可以加快水體有機污染物的降解，降低C0D的峰值，另一方面也提前了峰值出現時(shí)間，即加快了生物促生劑對水體的修復速度。使用生物促生劑加曝氣的方法C0D去除率稍高于單獨使用藥劑的處理方法，而使用連續曝氣時(shí)C0D去除率又略高于間歇曝氣，但上覆水中C0D濃度及峰值也略高于間歇曝氣。

2.1.2 對NH3-N的影響

前期研究表明，NH-N是竹排沖河道黑臭的主要評價(jià)因子之一，而TN與嗅闊值的相關(guān)性不大，因而本研究采用NH3-N而非TN作為考察指標。上覆水中氨氮主要來(lái)自2個(gè)部分，一是實(shí)驗前水體中原有氨氮，二是底泥中有機氮經(jīng)氨化反應所產(chǎn)生的氨氮。由圖3可見(jiàn)，空白對照組（A組）NH3-N濃度無(wú)較大變化至實(shí)驗結束時(shí)去除率僅為20.4%，主要原因是在沒(méi)有外源污染進(jìn)入的情況下自然降解使NH3-N濃度降低，但由于沒(méi)有足夠的氧氣提供給氨氮氧化分解，氨氮的去除率較低。B組添加生物促生劑后NH3-N濃度有較大幅度變化，總體呈上升趨勢，在第50天時(shí)經(jīng)歷了峰值后有下降趨勢，但至實(shí)驗結束時(shí)NH3-N濃度仍保持在較高水平，較初始值增長(cháng)了60.3%。主要原因是生物促生劑的添加，加速了微生物的生長(cháng)，在實(shí)驗開(kāi)始時(shí)加快了氨氮的氧化分解，但隨著(zhù)實(shí)驗的進(jìn)行，水中溶解氧被迅速消耗，底泥發(fā)生厭氧分解，其中的有機氮被氨化細菌分解產(chǎn)生氨氮，使水中氨氮積累并增加，整個(gè)實(shí)驗過(guò)程氨氮濃度也隨著(zhù)發(fā)生兩降兩升的變化過(guò)程。C組和D組變化趨勢相近，NH3-N濃度分別在第30天和第20天開(kāi)始大幅下降，至實(shí)驗結束時(shí)NH3-N去除率分別為99.2%和98.7%。可見(jiàn)曝氣大大提升了生物促生劑對NH3-N的去除效果，極大地縮短了修復時(shí)間。曝氣對水體中NH3-N有一定的吹脫作用，且曝氣營(yíng)造的好氧環(huán)境也抑制了NH3-N的產(chǎn)生、加快了氨氮的分解，從而有利于消除水體黑臭。

2.1.3 對TP的影響

由圖4可見(jiàn)，A組TP濃度總體變化不大;B組TP濃度在第35天經(jīng)歷峰值后有所下降，至實(shí)驗結束時(shí)去除率為43.9%;C組TP濃度總體低于B組，去除率為63.3%;D組TP濃度在第20天達到峰值后呈下降趨勢，從第50天開(kāi)始保持平穩，至實(shí)驗結束時(shí)去除率為73.3%。可見(jiàn)曝氣有利于生物促生劑對TP的去除，而間歇曝氣促進(jìn)了兼氣型微生物的生長(cháng)，對TP的去除效果要優(yōu)于連續曝氣。水體中磷的主要來(lái)源有：水體自身原有的磷、底泥有機磷轉化為可溶性磷釋放、底泥非溶解性無(wú)機態(tài)磷轉化為溶解性磷釋放和底泥溶解性磷脫吸附釋放。影響底泥磷釋放的因素包括溫度、pH、氧化還原條件（溶解氧）、微生物作用、以及底泥懸浮擾動(dòng)、底棲動(dòng)物機械擾動(dòng)等。研究表明，底泥有機物在好氧狀態(tài)下，能加速其內源磷的釋放;也有研究人員認為，供氧可以抑制底泥磷的釋放。由圖4可見(jiàn)，實(shí)驗前30d，間歇曝氣水體TP高于連續曝氣，可能是由于溶氧較低而導致底泥釋放較多內源磷。第30天后，間歇曝氣水體TP低于連續曝氣。一般認為，厭氧-好氧交替有利于水中磷的去除，因為厭氧-好氧交替時(shí)聚磷菌的作用得到了增強，這也可能是間歇曝氣除磷效果好于連續曝氣的原因。

2.1.4 對pH的影響

由圖5可見(jiàn)，空白對照A組pH較為穩定，無(wú)較大變化，其他組均有上升，上升幅度大小依次是C組＞D組＞B組。有研究表明，上覆水pH的升高有利于底泥內源磷的釋放，而生物促生劑可以提高水體pH，增加底泥內源磷的釋放，而曝氣的使用則加大了pH上升的幅度，且連續曝氣時(shí)pH上升幅度大于間歇曝氣，這可能也是連續曝氣輔助作用時(shí)上覆水TP去除效果不如間歇曝氣的原因。

2.2 底泥修復效果

2.2.1 底泥削減效果

由圖6可見(jiàn)，空白對照A組在實(shí)驗中底泥厚度僅有小幅變化（0.90cm），其他組均有大幅降低，實(shí)驗60d后底泥減量大小依次為B組4.26cm、C組5.80cm、D組5.49cm。可見(jiàn)生物促生劑對底泥有較好的減量作用，而曝氣提升了生物促生劑對底泥的削減效果，原因可能是曝氣加快了某些微生物的生長(cháng)，從而加快了對底泥的降解速度。此外，從圖6還可以看到30～50d兩個(gè)曝氣組的底泥削減速度明顯加快，可能是由于底泥中的微生物經(jīng)過(guò)了30d的馴化后進(jìn)入對數生長(cháng)期，此后速度加快趨勢減緩，可能是微生物數量逐漸接近頂峰，微生物生長(cháng)接近平穩期。

2.2.2 底泥有機質(zhì)削減效果

有機質(zhì)污染是水體發(fā)生黑臭的三大機理之一，有機質(zhì)的降解將有利于消除水體黑臭。由圖7可見(jiàn)，A組有機質(zhì)在實(shí)驗過(guò)程中基本保持穩定;其他組在實(shí)驗進(jìn)行60d后有機質(zhì)削減率分別為B組9.6%、C組9.3%、D組10.5%。且由圖7可見(jiàn)B、C、D3組有機質(zhì)削減速率均在實(shí)驗30d后開(kāi)始增大，這與上覆水中各污染物的去除及底泥厚度削減變化趨勢一致。此外，間歇曝氣更有利于促進(jìn)生物促生劑對底泥有機質(zhì)的降解，因為間歇曝氣有利于兼氣型微生物的生長(cháng)，與所用生物促生劑有協(xié)同作用。

由以上分析可見(jiàn)，曝氣提升了生物促生劑對上覆水和底泥的修復效果，各指標實(shí)驗前后變化見(jiàn)表1。

從表1中可直觀(guān)地看出，經(jīng)過(guò)60d的修復，生物促生劑能夠較好的去除黑臭河道水體中C0D、TP和有機質(zhì)，而曝氣可以提高以上污染物的去除率；生物促生劑會(huì )大幅度增加水體中的氨氮濃度，曝氣則可以大幅度消減氨氮濃度，去除率約達到99.0%。使用生物促生劑對城市河道黑臭水體進(jìn)行修復時(shí)會(huì )導致水中各類(lèi)營(yíng)養物質(zhì)在較長(cháng)時(shí)間內保持在較高水平，但曝氣的使用則可大大彌補這一缺陷，有利于上覆水中各類(lèi)污染物的去除，且曝氣可提升水體pH，有利于底泥內源磷的釋放。在曝氣方式上間歇曝氣與連續曝氣的處理結果相近，且間歇曝氣時(shí)水中TP的去除和底泥有機質(zhì)的降解要優(yōu)于連續曝氣，因為間歇曝氣有利于兼氣性微生物的生長(cháng)，與所用生物促生劑具有協(xié)同作用，而間歇曝氣的成本卻只有連續曝氣的1I8。因此，在實(shí)際應用中使用低強度的間歇曝氣與生物促生劑協(xié)同作用更經(jīng)濟、可行。此外，從以上分析中還可以看到，各指標在實(shí)驗進(jìn)行30d后變化幅度開(kāi)始增大，說(shuō)明使用生物促生劑與曝氣協(xié)同處理城市河道黑臭水體時(shí)微生物馴化周期約為30d。

3 結論

使用曝氣協(xié)同生物促生劑修復城市河道黑臭水體，結果表明：

（1）生物促生劑對城市河道黑臭水體有良好的改善效果，而曝氣的使用則提升了生物促生劑對黑臭水體的改善效果。使用間歇曝氣協(xié)同生物促生劑作用時(shí)，實(shí)驗60d后，上覆水C0D去除率達到46.8%；NH3-N、TP濃度分別由地表水劣V類(lèi)變?yōu)镮II類(lèi)，去除率分別達98.7%和73.3%；上覆水pH由7.61提高至7.92左右，對底泥內源磷的釋放具有促進(jìn)作用；底泥削減達5.49cm，底泥有機碳削減率達10.5%。

（2）使用間歇曝氣方式可以達到與持續曝氣方式相近甚至更好的處理效果。每天曝氣3h，控制水體溶氧濃度在2～3mgIL之間，有利于兼氣型微生物的生長(cháng)，與所用生物促生劑有協(xié)同作用。

 （3）生物促生劑與間歇曝氣聯(lián)合使用修復城市黑臭河道水體時(shí)微生物馴化周期約為30d。

 （4）生物促生劑的主要作用為促進(jìn)上覆水及底泥中微生物的生長(cháng),以此修復黑臭水體。因此對生物促生劑與曝氣聯(lián)合作用過(guò)程中上覆水及底泥中微生物的種類(lèi)、數量及各微生物的作用開(kāi)展進(jìn)一步分析,了解生物促生劑修復與曝氣聯(lián)合作用的深層機理,對實(shí)際工程應用將具有重要的指導意義。此方面的研究還有待深入。