底部曝氣對黑臭水體處理效果的實驗室模擬研究

文 倩，張清東，茍俊莉，張 魏，李文夢

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621000)

【研究意義】水污染防治行動計劃指出到2020年地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10 %以內，到2030年城市建成區黑臭水體總體得到消除，而現階段黑臭水體污染形勢依然嚴峻[1-3]。曝氣增氧因其投資少、見效快、占地面積小等優點被廣泛的運用于國內外黑臭水體治理中[4-5]。因此，探討最佳曝氣量和曝氣時間對治理黑臭水體具有指導意義?！厩叭搜芯窟M展】王美麗等[6]研究了曝氣對黑臭河道污染物釋放的影響，研究表明曝氣加速了底泥污染物釋放，隨著水體中DO量增加，水體污染物濃度快速下降。M Kim等[7]研究了不同曝氣深度對底泥產生擾動程度不同，但未探討曝氣對底泥修復效果。在黑臭水體治理中，關于曝氣量和曝氣時間對黑臭水體底泥處理效果的影響報道較少?！颈狙芯壳腥朦c】本研究建立一個底部曝氣系統，以曝氣量和曝氣時間為變量，以COD、NH3-N、TN、TP以及底泥有機質、生物降解能力、底泥厚度作為監測指標，探究曝氣對黑臭水體處理效果?！緮M解決的關鍵問題】為此，試驗主要考察靜置和底部曝氣過程中底泥與上覆水的理化性質及系統穩定性，以期為曝氣實際應用提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

1.1.1 水樣采集 水樣采自西南科技大學東區護校河(104°69′E，31°54′N)，采集方式按照地表水和污水監測技術規范(HJ/T 91-2002)要求執行。采集后的水樣經過濾，濾去藻類等浮游生物，減少對試驗的影響。

表1 試驗底泥及上覆水理化性

1.1.2 底泥采集 采用柱狀采樣器采集西南科技大學東區護校河(104°69′E，31°54′N)河床表層10 cm左右厚度的底泥，去除其中石塊、動植物殘體、塑料等雜物，混合均勻，濾去水分，裝入黑色塑料袋中。

1.2 試驗裝置

如圖1所示，反應裝置為自制透明有機玻璃柱(高×直徑：35 cm×20 cm)。圓筒底部鋪設厚度10 cm底泥，用虹吸法注入深度為20 cm上覆水，盡量避免底泥的擾動。底部曝氣將曝氣頭安置其底泥中間，使底泥充分懸浮。自底部開始每隔5 cm開孔(孔徑1 cm)，小孔裝有門閥供取樣使用。

1.3 試驗方法

1.3.1 曝氣量試驗 試驗設5組，1組為對照組，不進行任何處理；2～5組分別以0.5、1、2、4 L/min曝氣，在曝氣6 h條件下運行，曝氣結束前5 min取底泥與上覆水進行測定分析。

1.3.2 曝氣時間試驗 試驗設5組，A組為對照，不進行任何處理，B-E組以最佳曝氣量，分別曝氣3、6、9、12 h曝氣處理。每天曝氣結束前5 min取樣測定上覆水與底泥污染物含量。實驗過程中由于蒸發和取樣需及時補充上覆水，補充用水采自同一采樣地。

1.4 測定方法

1.4.1 水樣測定方法 COD：快速消解分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.4.2 底泥測定方法 底泥有機質的測定參考土壤有機質的檢測方法[8]，采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定有機碳含量后，再乘以“Van Bemmelen因數”1.724計算得出有機質的含量；削減效果(削減厚度)：測量法；生物降解能力G值[9]：取0.2 g底泥加入250 mL三角瓶中，再加入100 mL煮沸10 min的河水，置于恒溫振蕩培養箱振蕩6 h后，取30 mL水樣靜置30 min，檢測振蕩前后COD值，并計算生物降解能力G值，計算公式如下：

式中：G——生物降解能力kg/(kg·h)；C1,C2——試驗前后水體COD值，mg/L；V——河水體積，100 mL；q——底泥干重，0.2 g；t——振蕩時間，6 h。

2 結果與分析

2.1 曝氣量對底泥與上覆水中污染物處理效果

2.1.1 曝氣量對上覆水中污染物處理效果 COD反應了水體中受還原性物質污染的程度[10]。COD的去除主要是通過溶解氧(DO)與H2S、FeS、NH3等還原物質之間發生氧化還原反應來完成。圖2可得，0.5、1、2、4 L/min對COD去除率分別為24.96 %、32.73 %、51.68 %、42.52 %。試驗表明，水體DO水平較高時，更易氧化H2S、FeS、NH3等還原性污染物質，但DO過高時，會導致不能完全形成好氧-缺氧交替變化的環境，從而影響COD的去除效果。

水體中存在的大量N、P營養鹽是造成富營養化的重要原因，利用曝氣技術在一定程度上能減少N、P含量。從圖2可看出，曝氣對NH3-N、TN和TP均有去除效果，總體去除率依次為：2 L/min >4 L/min >1 L/min >0.5 L/min?？赡苋コЧc曝氣強度所產生氣泡數量有關，氣泡數量越多，氣泡易聚并形成體積較大氣泡，較大氣泡所受浮力大，上升速度快，HRT短，不利于長時間保持水體中DO含量，以致對污染物去除率低；而低強度曝氣產生的氣泡數量少，與氣液相界面接觸的面積小，不利于氧傳遞，從而對NH3-N、TN和TP降解緩慢。

圖2 不同底部曝氣量對上覆水污染物去除率Fig.2 Removal rate of overlying water pollutants with different bottom aeration

2.1.2 曝氣量對底泥中污染物處理效果 如圖3所示，0.5、1、2、4 L/min對有機質和底泥厚度的削減量分別為23.96 %、30.41 %、44.51 %、31.48 %和17.9 %、21.2 %、37.7 %、34.6 %，可見2 L/min的曝氣強度對有機質和底泥厚度降解效果最好。原因可能是曝氣強度越強，底泥擾動越劇烈，會使底泥與上覆水混合，混合后泥水混合物會再次沉降，這個過程中含水率有所下降，而底泥含水率低不利于氧的傳遞，因此2 L/min比4 L/min對有機質和底泥厚度削減效果更好；曝氣強度越弱，對底泥的攪動作用越不明顯，使少量有機質和底泥污染物釋放到上覆水中，從而影響黑臭底泥的降解效果。經曝氣2 L/min處理后的黑臭底泥由黑色變為褐色，氣味由強轉變為明顯，水體透明度較處理前有所提高。

2.1.3 曝氣量對生物降解能力的影響 底泥的生物降解能力(G值)可作為評定底泥微生物活性的重要指標，是對上覆水凈化能力的直接反應[11]。不同DO量對底泥活性恢復、提高降解能力的影響截然不同，致使底泥G值的增長幅度不同。如圖4所示，0.5、1、2、4 L/min的G值依次增長116.67 %、170.83 %、350 %、287.5 %，表明曝氣量為2 L/min時G值增長最快。

圖3 不同底部曝氣量對底泥污染物削減量Fig.3 Reduction of sediment pollutants with different bottom aeration

圖4 不同底部曝氣量對生物降解能力增長率的影響Fig.4 Effect of different bottom aeration on biodegradability rate

2.2 曝氣時間對底泥與上覆水中污染物處理效果

2.2.1 曝氣時間對上覆水中污染物處理效果 如圖5所示，曝氣3、6、9、12 h對上覆水中COD和TP去除率分別為31.27 %、48.93 %、55.81 %、42.7 %和26.6 %、50 %、67.02 %、38.3 %。曝氣產生氣泡中的氧通過氣-液傳質進入水體，使底泥與上覆水中DO含量升高，好氧微生物活性增強，但不同曝氣時間所產生的DO量不同，好氧微生物活性不一，從而對上覆水中COD和TP的凈化效果不同。曝氣9 h后COD和TP達到了《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)的Ⅳ類標準。

圖5 不同底部曝氣時間對上覆水污染物去除率Fig.5 Reduction of overlying water pollutants with different bottom aeration periods

圖6 不同底部曝氣時間對底泥污染物削減量Fig.6 Removal rate of sediment pollutants with different bottom aeration periods

2.2.2 曝氣時間對底泥中污染物處理效果 從圖6顯示，不同曝氣時間對底泥污染物削減量的影響。3、6、9、12 h對有機質和底泥厚度的削減量為：29.51 %、43.94 %、48.75 %、33.12 %和27.4 %、36.6 %、47.9 %、36 %。從削減量看，曝氣9 h對底泥有機質分解效果最好?？赡苁怯捎诋擠O水平較高時，在好氧菌的作用下有機質會快速降解；而DO含量低時，部分有機物也會得到降解，只是降解速度較慢。試驗結束后，經曝氣9 h的水體黑臭現象有所改善，底泥由黑色變為灰色，水體透明度提高，氣味由強轉變為弱。

2.2.3 曝氣時間對生物降解能力的影響 如圖7所示，3、6、9、12 h的G值增長率為228.57 %、319.05 %、452.38 %、357.14 %，其中，曝氣9 h時，G值提高了5.52倍，微生物G值恢復最快，反映出底部曝氣這一曝氣時間時，微生物更適宜在黑臭水體環境中生長繁殖。如前所述，不同DO量對底泥活性恢復、提高降解能力的影響不同，從而影響去除率。在底泥生物修復試驗中，底部曝氣的最佳曝氣時間為9 h，對生物氧化污染底泥、增強微生物降解有機污染物的能力起到較好的促進作用。

圖7 不同底部曝氣時間對生物降解能力增長率的影響Fig.7 Effect of biodegradability rate with different bottom aeration periods

圖8 不同底部曝氣量中污染物穩定的天數Fig.8 Days of pollutant stabilization in different bottom aeration

2.3 系統穩定性分析

2.3.1 曝氣量穩定性分析 在系統運行38 d后，各曝氣量組污染物濃度均趨于穩定。從圖8可以看出，污染物穩定天數長短為：2 L/min<4 L/min<1 L/min<0.5 L/min，2 L/min曝氣條件下COD、NH3-N、TN、TP以及生物降解能力、有機質、底泥厚度穩定天數分別為19、23、24、21、17、26、28 d。4 L/min的COD達到穩定天數比2 L/min短，可能是4 L/min的DO量大于2 L/min，最先充分氧化H2S、FeS、NH3等還原性污染物質。且如圖2所示，經2 L/min曝氣后，雖NH3-N去除率低于4 L/min，但總體污染物去除率最高，表明2 L/min的曝氣量對污染物降解效果最佳且運行天數最短。

2.3.2 曝氣時間穩定性分析 由圖9顯示，在最佳曝氣量下，不同曝氣時間污染物穩定所需天數。系統34 d后穩定，曝氣9 h除TP穩定天數高于12 h外，其余污染物穩定天數均低于其他曝氣時間組?？赡苁怯捎诘啄嘀械腜釋放主要受到DO、溫度和水擾動的影響，而曝氣12 h的DO量大于其他曝氣組，使底泥中P最先釋放到上覆水中，故此TP達到穩定天數最短。

3 討 論

通過曝氣量和曝氣時間對黑臭水體污染物降解效果可知，4種曝氣量和曝氣時間均能降低污染物含量，改善水質。但是，不同曝氣強度對上覆水污染物去除率及底泥削減量的影響差異大，試驗結果得出曝氣量為2 L/min對上覆水COD、NH3-N、TN、TP及底泥有機質、底泥厚度的修復效果最佳，G值增長率最大，試驗共運行28 d后穩定，證明了2 L/min的曝氣強度處理黑臭水體具有一定的可行性。

DO是反映水環境狀況的重要指標，可通過提高DO濃度，達到消除黑臭。但DO濃度過高，運行成本高；DO濃度低，達不到消除黑臭的目的。試驗中，曝氣9 h產生的DO濃度對黑臭水體降解效果較好，且運行24 d后污染物達到穩定，加快了修復進度。

圖9 不同底部曝氣時間中污染物穩定的天數Fig.9 Day of pollutant stabilization in different bottom aeration periods

4 結 論

研究結果表明，曝氣量為2 L/min、曝氣時間為9 h時，對黑臭水體處理效果最佳。上覆水中COD、NH3-N、TN及TP去除率分別達55.81 %、61.99 %、48.42 %、67.02 %，底泥有機質及底泥厚度削減量依次為48.75 %和47.9 %，生物降解能力提高到1.16 g/kg·h，試驗運行24 d后趨于穩定。經曝氣處理后的COD和TP可達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)的Ⅳ類標準，但單一底部曝氣法難以使各項指標達標，因此在實際工程運用中，底部曝氣方式也可與其他修復方法聯合使用。