微納米曝氣結合生物膜技術在黑臭河涌底泥原位消減中的應用

劉建林

摘 要：本研究以廣州市某河涌為試驗區域，采用微納米曝氣結合生物膜技術原位消減試驗區河涌黑臭底泥。結果表明，在無截污、自然狀態下，經過3個月試驗，試驗區河涌的黑臭底泥厚度減少44%～58%，底泥的含水量、有機物質、有機碳和污染物含量等顯著減少。同時，水體透明度和溶解氧含量顯著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均顯著降低。微納米曝氣結合生物膜技術可有效實現黑臭底泥的原位消減，并顯著改善水質指標。

關鍵詞：微納米曝氣;生物膜技術;黑臭底泥;原位消減

中圖分類號：X52文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0149-06

Abstract： In this study， a river in Guangzhou was used as a test area， and micro-nano aeration combined with biofilm technology was used to reduce the black odor in the test area in situ. The results show that in a non-intercepted， natural state， after three months of testing， the thickness of the black odor in the river in the test area decreased by 44% to 58%， the water content， organic matter， organic carbon and pollutant content of the sediment decreased significantly. At the same time， water body transparency and dissolved oxygen content increased significantly， ammonia nitrogen content， COD， SS， TP all significantly decreased. Micro-nano aeration combined with biofilm technology can effectively achieve the in-situ reduction of black odorous sediments and significantly improve water quality indicators.

Keywords： micro-nano aeration;biofilm technology;black odorous sediment;in situ reduction

由于城市建設和人口的快速增長，城市河涌的污染狀況日益嚴峻，河涌黑臭問題凸顯[1]。從城市黑臭河涌的成因來看，受污染底泥的內源釋放是引起水體水質惡化和黑臭的重要原因[2-4]。但目前對于黑臭河涌的治理報道多見于對水污染的治理，而沒重視黑臭底泥對上覆水的二次污染問題，沒有從根本上將污染物從水體清除[5-6]。

目前，解決水體黑臭的主要途徑有截污納管、河道清淤、引水補水、曝氣充氧、微生物生態化治理等技術[7-9]。其中，微納米曝氣技術是一種新型的水體曝氣充氧技術，其在黑臭水體治理工程中具有占地面積小、成本低、效率高的明顯優勢，因而備受關注[10]，但將其單一應用于黑臭水體治理時對上覆水的治理效果較差[11]。生物膜技術已被廣泛應用于污水處理和水廠原水預處理中，被認為是較科學的黑臭水體原位修復治理方式，具有環境友好、生態節能的特點，但需要通過曝氣等手段營造出一個比較好的水環境，才能持續性生態化治理[12]。微納米曝氣具有良好的氧傳遞性，為附著于膜表面的微生物提供充分氧氣，促使生物膜的健康生長，可更好地發揮二者的優勢。目前，綜合應用兩種技術原位消減底泥并同時關注底泥和上覆水凈化的研究還鮮有報道。

為此，本研究擬將微納米曝氣與生物膜技術結合起來應用于試驗區黑臭河涌的底泥消減治理，探索適合于城市黑臭河涌的底泥原位消減方案，為城市水環境治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗河涌概況

本文選取的河涌為廣州市荔灣區一管道式河流——駟馬涌，它是一條集防洪排澇、景觀美化功能為一體的河涌，總長約2.633 km，主要為明涌及箱涵。非汛期階段，水域相對靜止，但泄洪期間在河涌實施或采用的所有技術手段都要經得起泄洪考驗。駟馬涌兩岸雖都已鋪設截污管，但是沿途仍有大量污水排口，污水直接排入河涌，導致河涌上游水體嚴重黑臭，對周邊居民生產生活產生了較大影響，急需治理。

該河涌底泥密度較低，屬較疏松類型，含水率為73%～78%，底泥質地總體上屬偏砂土。河涌底泥的厚度范圍從上游到下游基本保持在0.4～1.2 m，其中大段淤積厚度保持在0.7 m左右，受水文因素和人類活動的影響，下游底泥厚度大于上游。

1.2 曝氣和生物膜裝置的布置

1.2.1 微納米曝氣裝置。實施的試驗河涌共布置20臺微納米曝氣裝置，平均間距約為90 m，形成20個微生態強化凈化區，如圖1所示。

微納米曝氣裝置工作壓力為0.4～0.5 MPa，氣泡發生量為16 L/m，設備功率為0.75 kW，氣泡粒徑為0.2～4 μm，氣泡上升速度為4～8 mm/s，含氣率為84%～90%，進氣方式為負壓進氣。

1.2.2 生物膜反應器。生物膜反應器裝置主要由曝氣膜組件和微生物膜兩部分組成。試驗河涌生物膜反應器采用5.5 kW沉水式風機供氣，經PVC供氣管道輸送至生物膜套件，生物膜臨界水力負荷可達5 m3/（m2·h）。本試驗沿河涌共布置700套。

1.3 底泥和水質監測

本研究對試驗河涌底泥和水質進行檢測，分別在河涌上、中、下游設置取樣點，每個河段平均3個取樣點，取平均值。取樣時間從2018年3月1日至7月30日，每隔30 d采樣1次，每次采樣時間在16：00—17：00。

1.4 底泥和水質指標測定

底泥監測指標為：底泥厚度、含水量、有機質、有機碳、總鎘（Cd）、總鉛（Pb）、總鎳（Ni）等指標。上覆水質監測項目包括：DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N。除底泥厚度和DO現場直接測定外，其余指標均為現場取樣后帶回實驗室測定。

底泥厚度的測定采用標桿法，底泥含水量、有機物、有機碳及重金屬含量的測定參考《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）。

DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N等的測定方法參考《水和廢水監測分析方法》（第4版）[13]，pH值、DO、ORP和T為YSI（美國，YSI Professional Plus）現場讀數，濁度為數字式濁度儀（上海，WGZ-1）測定。

1.5 數據處理方法

數據的整理采用Origin8.6軟件完成;采用SPSS軟件統計分析，所得數值均為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 底泥厚度變化

圖2為微納米曝氣結合生物膜技術處理試驗河涌期間底泥厚度隨時間的變化情況。由圖2可知，從開始到30 d的時間，試驗場內底泥厚度的下降趨勢不顯著，而30～90 d期間試驗河涌的底泥厚度呈極顯著性下降趨勢，其中上中游的底泥厚度的下降幅度為44%左右，下游底泥的下降幅度高達58%。經過90 d后，各階段的底泥厚度下降速度沒有顯著變化。

生物膜原位修復技術用于黑水治理，主要利用附著于膜表面的微生物對底泥和上覆水中污染物的降解作用[14]。處理初期，生物膜上的微生物處于適應期和生長初期，其對有機物等污染物的降解作用小，因此，出現在0～30 d內各河段底泥的厚度變化不顯著的現象。而經過30 d微納米曝氣，水體提供了大量DO，在良好的好氧環境下，生物膜上的好氧微生物大量繁殖，底泥中的有機物等得到高效的分解，這可能是30～90 d期間試驗河涌上中下游底泥厚度顯著下降的原因。但隨著底泥有機質的減少，生物膜上的微生物繁殖速度減弱，90 d后各河段底泥厚度的變化不顯著。此外，120～150 d內的底泥厚度稍出現上浮，該微量上浮可能跟此時間區間為夏季六七月份有關，廣州六七月份降雨量大，降雨泄洪帶來的淤泥會造成底泥厚度增加。

2.2 底泥含水量

河涌底泥含水率的差異主要受底泥的顆粒組成及底泥有機質含量等因素的影響，底泥顆粒質地越輕或有機質含量越高時，含水率越高[15]。該河涌底泥的成分比較復雜，底泥中生活有機物垃圾數量很大，底泥密度較低，屬較疏松類型。微納米曝氣結合生物膜技術處理試驗河涌期間，底泥含水量隨時間的變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，試驗河涌上中下游各河段的底泥含水量變化跟底泥厚度的變化趨勢類似，從開始到30 d的時間，底泥含水量的下降趨勢不顯著，而30～90 d期間顯著性下降。這說明隨著微納米曝氣向水體中大量輸送氧氣，生物膜上的好氧微生物大幅降解底泥中的有機物，試驗河涌上中下游底泥含水量出現顯著下降的趨勢。但在90～150 d內，上中下游河段底泥含水量的上升幅度高于底泥厚度的變化，估計是由六七月份的降雨泄洪所引起的。

2.3 底泥中有機物和有機碳的含量

該試驗河涌底泥中生活有機物垃圾含量高，受水文因素的影響，從上游到下游底泥有機物和有機碳含量逐漸增加。由圖4、圖5可以看出，經微納米曝氣和生物膜技術處理后，試驗河涌上中下游各河段的底泥有機物和有機碳的含量變化趨勢類似，人工曝氣對水體的循環流動作用有利于有機物的氧化分解。從開始到30 d的時間，底泥有機物和有機碳的含量下降趨勢不顯著，而處理30 d后，二者含量均顯著下降，至150 d時底泥中有機物和有機碳的降解率分別達到40%左右，其含量變化的特征也驗證了上述關于生物膜上的好氧微生物適應期和大幅生長期降解底泥有機物規律的推論。而且，在90～150 d內，上中下游河段底泥有機物和有機碳含量的變化受六七月份降雨泄洪的影響不大。

2.4 上覆水的透明度

依據報道，曝氣初期底泥的上翻及其釋放的污染物會造成上覆水透明度升高[16]。筆者在微納米曝氣處理初期（0～12 d）也觀察到示范河涌的中下游水面上形成氣泡和底泥翻涌現象明顯，覆水透明度暫時上浮動，但隨后逐漸變清。由圖6可以看出，項目實施的前三個月試驗河涌的上覆水透明度顯著性增加，特別是60 d后，各階段的透明度分別由最初的10～20 cm變化到30～40 cm，參考同一階段底泥有機物含量等的變化，此時生物膜上的微生物已開始大量生長并對有機物等進行降解處理。處理三個月后，各河段水質透明度增加顯著，特別是上游清澈見底。但在90～150 d內，受六七月份的降雨泄洪影響，上中下游河段上覆水的透明度均有所下降。

2.5 上覆水的DO值

溶解氧是與河道氧化還原電位、微生物的種類與活性、有機物的降解等密切相關的一個重要水質指標，直接影響各污染物指標的變化[17]。由圖7可以看出，在五個月的治理期間，上覆水的DO一直呈上升趨勢，反映出微納米曝氣于水體提供的良好氧溶性。30～120 d內，各河段上覆水的DO分別達到7～8 mg/L，促使該階段生物膜上的好氧微生物大幅生長。而且，上中下游河段上覆水的DO基本不受六七月份降雨泄洪的影響。

2.6 上覆水的COD值

河道上覆水COD受底泥的影響較大，底泥不斷釋放的有機物會造成上覆水COD升高[18]。初期處理時微納米曝氣擾動底泥，促進其向上覆水體釋放有機物的速率。但同時曝氣也促使生物膜上的好氧微生物快速生長繁殖，活性增強，作用于底泥有機物。由圖8可以看出，0～30天內，各河段上覆水的COD下降幅度顯著低于后期，估計是受初期底泥上翻的影響。在30～60天內，隨著曝氣的持續進行，上覆水體中DO濃度升高，好氧微生物活性增強，提高了上覆水體COD下降速率，各河段上覆水的COD濃度由50～70mg/L降到20～40mg/L。同樣，上中下游河段上覆水的COD濃度受六七月份降雨泄洪的影響不顯著。

2.7 上覆水的TP和SS

由圖9可以看出，0～30 d內，各河段上覆水的TP值開始顯著下降，可能是在好氧條件下，底泥中磷的釋放作用受到抑制。隨著處理的進行，30～120 d內SS值的下降幅度更顯著。此階段較高DO濃度下，硝化細菌等好氧性細菌活性較強，生物合成代謝作用旺盛，水體中總磷濃度出現了下降的現象。整個期間，各河段上覆水TP值去除效率為73%左右。

處理初期，微納米曝氣處理對底泥的擾動，導致上覆水體中污染物含量的升高，而此階段生物膜上的微生物尚未大量發揮其對污染物的降解作用。故在0～30 d內，各河段上覆水的SS值變化幅度較小，如圖10所示。隨著曝氣的持續進行，各河段上覆水的SS值開始顯著下降。此外，六七月份降雨泄洪對上中下游河段上覆水SS值影響較大。

2.8 上覆水的NH4+-N

研究發現，河道水體的氮循環與水體DO濃度密切相關，人工曝氣對水體的循環流動作用有利于氮的轉化[19]。而且，隨著水體DO濃度增加，硝化細菌的活性增強，把NH4+-N轉化為NO3-或者NO2-，使得上覆水中NH4+-N濃度大幅度下降[20-21]。如圖11所示，在處理初期階段，除了上游河段，中下游河段水體中NH4+-N值并未出現明顯下降趨勢。在30 d后，試驗河涌水體中NH4+-N值顯著下降，特別是60～120 d內，NH4+-N去除率為78%左右。

3 結論

微納米曝氣結合生物膜技術有效減少了試驗區河涌的黑臭底泥厚度、底泥的含水量、有機物質、有機碳和污染物含量等。水體透明度和溶解氧含量顯著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均顯著降低。微納米曝氣結合生物膜技術可有效實現黑臭底泥的原位消減，并顯著改善水質指標。

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