曝氣+底泥改良劑修復黑臭水體污染底泥*

曹 琳 劉 煌 許國靜 王圖錦

(1.招商局生態環保科技有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

城市內河、湖庫受到人類生產生活的影響而遭受污染，過量的有機污染物被分解會迅速消耗水體中的溶解氧，復氧量遠低于耗氧量，使得水體處于缺氧甚至厭氧狀態，厭氧還原環境中產生大量FeS和MnS等致黑物質，同時微生物代謝產生大量硫醇、硫醚、有機胺、H2S和NH3等致臭氣體，使得水體呈黑臭狀態[1]。當前諸多城市內河、景觀湖庫水環境黑臭現象還較突出，嚴重損害城市人居環境，影響城市形象。對黑臭水體的治理迫在眉睫，這對于提高城市環境質量和人居生活水平具有重要意義。由于污染物進入水體后大量蓄積于底泥，使水體呈現內源污染現象，因此對污染底泥進行有效治理，是解決水體黑臭現象的關鍵。

底泥深層曝氣是一種國內外治理水體黑臭現象的常用技術，通過向深層底泥中強制曝氣，加速復氧過程，激活水體中的土著微生物群落，能強化污染物的好氧分解及轉化過程，抑制內源氮磷營養鹽的釋放，削減污染底泥厚度，達到修復黑臭水體的目的[2-4]。曝氣技術在黑臭水體治理中得到廣泛應用，但其應用方式較單一粗放，進一步深化研究曝氣技術與其他底泥修復技術的聯用，選擇更經濟可行、長久有效的底泥修復技術對黑臭水體的治理具有重要意義。

本研究采用黏土基質材料、復合微生物菌種、微生物營養素、稀土鑭等制備了一種復合的底泥改良劑，通過與曝氣技術聯用，以期迅速改善底泥理化性狀和氧化性，在消除底泥黑臭現象的同時，穩固底泥中營養鹽成分，抑制營養鹽的過量釋放，從而達到長效治理水體污染的目的。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置和材料

本實驗裝置采用內部直徑30 cm、高50 cm的塑料桶，每個桶底部鋪設10 cm厚的底泥，覆水30 cm，具體見圖1。上覆水采自一景觀水池，經過200 μm孔徑的篩網過濾后注入實驗裝置中。底泥采集自重慶市望月湖，使用前采用1 cm孔徑的篩網去除底泥中的枯枝、石塊等雜質，攪拌混勻后分裝于實驗裝置中。底泥理化性狀見表1。底泥呈松散泥漿狀，有明顯的黑臭特征，含水率高達76%，氮磷營養鹽及有機質含量較高，硫化物和Fe2+分別達到395、136 mg/kg，pH呈中性。

表1 底泥的理化特征

圖1 實驗裝置示意圖

底泥改良劑的制備：配制1 L 5 μmol/L的LaCl3溶液，加入20 g膨潤土后連續攪拌5 h，靜置熟化24h，再用Na2CO3溶液調pH至8左右，繼續攪拌1 h，離心并洗滌后加入10 mL復合芽孢桿菌菌液(細菌成分為枯草芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌，總菌濃度為2×109個/mL)，攪拌混勻，最后使用冷凍干燥法干燥制得。

1.2 實驗方法

1.2.1 底泥修復方法

底泥修復實驗設置4個處理(見表2)。實驗期間每日靜置1 h后取底泥分析理化指標變化特征，包括硫化物、有機質、Fe2+和氨氮含量，以及熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性，修復完成后分析底泥中磷形態變化特征。

表2 實驗設計

1.2.2 曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復的影響

底泥改良劑劑量設置為20 g，實驗10 d后考察曝氣量(0～0.4 L/min)對底泥修復效果的影響；曝氣量設置為0.2 L/min，實驗10 d后考察底泥改良劑劑量(0～40 g)對底泥修復效果的影響。

1.2.3 修復底泥對沉水植物生長的影響

選用G1～G4修復完成后的底泥栽種沉水植物。購買長勢健壯一致的苦草(Vallisnerianatans)和伊樂藻(Elodeanuttallii)幼苗，采用扦插方式分桶種植，苦草、伊樂藻每桶分別種植15、20株。4個處理分別設置3個重復，2021年3月20日種植，4月20日收獲，共30 d。植株取出后用清水洗凈，測定植株分枝數、植株鮮質量、植株地上/地下部分鮮質量、丙二醛(MDA)含量等。

1.3 檢測方法

底泥理化指標參照文獻[5]進行測試。底泥中的磷形態劃分為弱吸附態磷(NH4Cl-P)、可還原態磷(BD-P)、有機磷(Org-P)、金屬氧化物結合態磷(NaOH-P)、鈣結合態磷(HCl-P)和殘渣態磷(Ref-P)，參照文獻[6]進行分析。植株鮮質量和MDA含量參照文獻[7]進行測定。FDA水解酶活性參照文獻[8]進行檢測。

植株相對生長率(RGR，g/(g·d))計算公式[9]如下：

(1)

式中：Wi、Wf分別為實驗前、后植株的鮮質量，g；D為實驗時間，d。

1.4 數據分析

使用Excel 2003軟件對數據進行統計分析，使用SPSS 15.0軟件對數據組進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 修復方式對底泥理化性質的影響

不同修復方式處理后底泥黑臭性狀發生不同變化，G1和G3底泥仍舊呈現黑臭特征，而G2和G4底泥黑臭現象得到徹底消除，底泥呈黃褐色，無臭味。修復過程中底泥的理化特征變化見圖2。G1底泥理化性質無較大變化，各項污染物含量仍舊很高。G2經過處理，至修復結束，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至68、41、20 mg/kg，有機質降低至5.28%，降幅分別為83%、70%、53%、22%。曝氣消除底泥黑臭的原理在于致黑致臭物質與硫酸鹽還原菌、鐵還原菌、甲烷氧化菌等厭氧微生物的代謝息息相關，曝氣能改變底泥中的氧化還原電位，使得底泥由厭氧還原狀態轉變為氧化狀態，抑制這類厭氧菌的生長，從而阻斷致黑致臭物質的生成[10-11]。同時，曝氣能顯著提高底泥中與有機污染物降解相關的好氧微生物種群數量，氧化分解黑臭底泥中的硫化物、硫醚、硫醇等致黑致臭物質，從而消除底泥黑臭現象[12-13]。G4對黑臭底泥修復效果優于G2，前期污染物去除快于G2，表明底泥改良劑能加速污染物的去除，底泥黑臭現象得到快速消除；同時，G4對污染物的最終去除率也高于G2，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至45、38、13 mg/kg，有機質降低至5.11%，降幅分別為89%、72%、70%、25%。可見，底泥改良劑對于底泥修復具有一定促進作用，這主要是因為底泥改良劑中的芽孢桿菌發揮了重要作用，芽孢桿菌含有豐富的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，能加速氧化分解有機污染物和氨氮[14-15]。由于芽孢桿菌是一類好氧細菌，其氧化分解作用離不開好氧環境，使用過程施加曝氣措施能顯著發揮菌種的氧化性能，而在缺乏充足氧氣條件下單用底泥改良劑對底泥并無顯著修復效果，使得G3的黑臭現象未能消除。

圖2 修復過程中底泥的理化特征變化

曝氣是消除底泥黑臭現象的關鍵，曝氣量對黑臭底泥的修復效果必然具有重要影響，同時底泥改良劑性能的發揮也依賴于曝氣條件，選擇合適的曝氣量及底泥改良劑劑量對于黑臭底泥的有效修復和成本控制具有重要價值。曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復的影響見圖3。隨著曝氣量的增大，污染物去除率逐漸提高，當曝氣量達到0.2 L/min后，再增大曝氣量對污染物去除率的提高幅度較小。因此，采用0.2 L/min的曝氣量能取得良好的修復效果，有效消除底泥黑臭現象。底泥改良劑的引入對于污染物的去除效果具有一定提升作用，尤其是加大底泥改良劑劑量對氨氮去除的提高幅度較大，當底泥改良劑劑量為20 g時，氨氮去除率比無底泥改良劑時提高了17百分點。超過20 g后再增大底泥改良劑劑量，對污染物去除率的提升幅度減小。綜合來看，底泥黑臭治理宜選用0.2 L/min曝氣量和20 g底泥改良劑。

圖3 曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復的影響

2.2 修復前后底泥磷形態變化特征

磷在底泥中的賦存形態是影響磷穩定性、釋放風險及生物有效性的關鍵性因素。底泥中的活性磷組分(包括NH4Cl-P、BD-P和Org-P)是穩定性較差的磷形態，容易因水環境因素變化的影響而向上覆水釋放，NaOH-P、HCl-P和Ref-P是底泥中惰性較高的組分，難以被生物利用，穩定性較高，不容易釋放[16-18]。修復前后底泥磷形態的變化見圖4。相比修復前，G1底泥磷形態未有明顯變化；G2的BD-P大幅度降低，降幅為43%，而NaOH-P和HCl-P增加明顯，增幅分別為18%和25%，可見曝氣對底泥中磷的穩定化具有一定效果，這與文獻[19]、[20]報道一致，曝氣創造的氧化環境促進鐵錳等金屬離子形成氧化態鐵錳，吸附鈍化內源磷形成穩定性更高的磷形態；底泥改良劑強化了底泥磷形態向HCl-P的轉變，G3和G4的HCl-P明顯增長，增幅分別為53%和73%。底泥改良劑對磷的穩定化機制主要是底泥改良劑中稀土鑭成分對活性磷具有很強的親和力，能反應生成穩定的磷鑭鐠礦，磷鑭鐠礦的老化進一步生成更穩定的獨居石(LaPO4)，被稀土鑭固定的磷在分級提取過程以HCl-P形式存在，使得底泥中的磷形態發生變化[21]。

圖4 修復前后底泥磷形態的變化

2.3 修復前后底泥FDA水解酶活性變化特征

FDA水解酶活性是評價微生物生物氧化性能的重要指標，能反映底泥對污染物的生物氧化能力。由圖5可見，G2、G4的FDA水解酶活性逐漸上升，最高分別達到288、295 μg/(g·h)，之后又有所下降。G4的FDA水解酶活性上升更快速，說明底泥改良劑中高活性微生物菌種的引入有助于迅速提升底泥FDA水解酶活性。未曝氣的G1和G3，FDA水解酶活性并無較大變化，可見即使引入高活性菌種，強烈厭氧環境也不利于其增殖及提高底泥微生物活性。

圖5 修復過程中底泥FDA水解酶活性的變化

2.4 修復底泥對植株生長的影響

2.4.1 植株的生長情況

由表3可見，經曝氣處理，G2和G4植株均達到100%成活率，而G1的伊樂藻、苦草的成活率僅為65%、80%。G2植株的鮮質量、相對生長速率和伊樂藻的分枝數均高于G1和G3。曝氣能提高植株的成活率，促進植株的生長，其原因在于曝氣處理后，底泥從厭氧還原狀態轉為好氧狀態，增強了底泥的氧化性，解除了對植株生長的抑制作用[22-23]。對比G2和G4，添加底泥改良劑對植株的生長具有一定影響。G2的植株結束鮮質量、相對生長率均顯著高于G4(P<0.05)。添加底泥改良劑后植株生長速度受到一定抑制，其原因在于底泥改良劑增強了底泥中磷形態的穩定性，磷更難被植株所吸收利用，而植株的過度生長受到抑制這對于水生態系統的平衡穩定是有利的。

表3 植物的生長特征

2.4.2 植株形態特征

由圖6可見，G2和G4的植株地下、地上部分鮮質量均高于G1和G3，尤其是地上部分增長量較大。對比G2和G4，G4中伊樂藻、苦草的地上部分鮮質量(91、78 g)低于G2(126、96 g)；G4中伊樂藻、苦草根冠比(0.23、0.18)顯著高于G2(0.09、0.12)(P<0.05)，底泥改良劑提高了植株的根冠比。其原因為底泥改良劑的引入，對底泥中磷的固定化作用更強，使得底泥生物可利用性磷含量低于G2，這促進了植株根系的發育，以利于植株從底質環境中吸收充足的營養鹽。這與文獻[24]、[25]報道相符，在低營養底質環境中，沉水植物的生長受到脅迫，迫使植株分配較多的鮮質量于根部，促進了根系的生長，而一定程度上抑制了地上組織的生長，使得根冠比偏高。

圖6 植株形態特征

2.4.3 植株MDA

植株生長處于衰老階段或是受到環境因素脅迫時，細胞膜脂常發生過氧化作用，造成細胞膜損傷，MDA是細胞膜脂過氧化的重要產物之一，通過測定MDA含量可反映植株細胞膜脂過氧化強度和受破壞程度，掌握植株健康狀況[26-27]。G1、G2、G3、G4中伊樂藻的MDA分別為32.6、18.0、34.5、19.5 μmol/g，苦草的MDA分別為16.5、13.5、15.1、12.6 μmol/g。可見，由于底質環境的改善，植株生長受到脅迫作用減弱，使得G2和G4的植株MDA顯著低于G1和G3(P<0.05)。同時，環境因素對不同植株生長的脅迫影響存在差異，G1中苦草MDA比G2高22%，伊樂藻高81%，可見相比伊樂藻，苦草對污染底泥的抗逆性更強，更能抵抗不利底質環境對它的影響。

3 結 論

(1) 底泥采用曝氣+底泥改良劑方式進行修復，消除了底泥黑臭狀態，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至45、38、13 mg/kg，有機質降低至5.11%，降幅分別為89%、72%、70%、25%。底泥中磷形態的穩定化趨勢明顯，不穩定性磷形態向穩定性磷形態尤其是HCl-P轉變，HCl-P增幅達到73%。底泥微生物活性得到大幅提升，FDA水解酶活性最高達到295 μg/(g·h)。

(2) 苦草較伊樂藻對黑臭底泥有著更強的耐受能力，G1的苦草成活率(80%)高于伊樂藻(65%)。曝氣+底泥改良劑修復后的底泥解除了對伊樂藻和苦草的生長抑制作用，成活率均達到100%，鮮質量增長，植株MDA顯著低于G1。

(3) 曝氣+底泥改良劑處理下，由于底泥改良劑對磷的固定作用，修復后的底泥相比G2，磷的生物可利用性降低，使得G4植株鮮質量增長低于G2，根冠比高于G2。