滾筒式曝氣生態壩在黑臭河道生態治理的應用研究

劉書敏，柴曉貞，路麗君，陳 俊

（1.上海尼普敦環境科技有限公司，上海 200092；2.濱州市海洋發展研究院，山東 濱州 256699；3.常州市排水管理處，江蘇 常州 213001）

0 引言

水體污染形勢隨著經濟與社會的快速發展越來越嚴峻，許多生活污水和工業廢水等未經處理或只經過簡單處理直接排入河道[1]，隨著過量的有機污染物、氮、磷、有毒物質的富集，污染負荷嚴重超過環境承載力[2]，大量厭氧微生物增殖，并釋放出H2S,NH3,CH4等臭味氣體[3]，水體不斷發黑、發臭，破壞了自然水體的功能和水生態平衡[4-5]，加劇了水資源的短缺，威脅到人類身體健康。截至目前，我國已投入大量人力物力整治城市黑臭水體，取得了一定成效，但已修復水體存在修復效果不能長效維持且部分水體存在二次惡化的風險[6]，因此，目前水體黑臭已成為我國城市河道污染問題中亟待解決的一個重要水環境問題。

針對黑臭河道的水體治理工作遵循 “控源截污、內源清淤、水質提升、清水補給、生態修復”技術路線，目前已開展了大量防控研究工作，均取得較好的研究成果，如管網的截污納管及面源污染控制技術[7]、底泥原位[8]和異位處理及資源化技術[9]、調水換水[10]、人工曝氣技術[11]、化學藥劑投加[12]、水生動植物修復[13]及微生物修復[14-17]等。

由于不同類型水體存在較大生境異質性，故在特定類型水體中以往措施效果發揮存在局限性，如微生物修復受水動力影響大[18-19]，部分城市管網歷史設置不合理[20-21]，短時期內整改周期較長，底泥疏浚工程量巨大，易造成底質二次污染并伴隨底棲生態系統破壞[22]，頻繁河道換水調水難度大[23]，生態浮床技術均需占用一定岸線空間和水面空間，給城市河道水體保潔、河道疏浚帶來困難，以上種種因素制約著城市黑臭河道治理進程。此外，較多技術研發只基于實驗室原理探究，很少應用于實際河道水體，而河道生境復雜且生態系統具有恢復力[24]，實驗室污染物質削減效果并不能真實反應河道水體治理狀態。故針對控源截污規劃周期較長，且亟待水質提升的城市黑臭河道，可發揮穩定水質改善效果的裝置成為河道治理中的最佳選擇。

鑒于此，以上海市典型黑臭河道—夏長浦河道為修復對象，采用滾筒式曝氣填料生態壩進行原位處理，通過監測裝置運行組及空白對照組中溶解氧（DO）、化學需氧量（CODCr）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、二甲基三硫醚（DMTS）[25]、透明度（SD）和水體微生物[26]指標并進行對比分析發現，該裝置可有效消除水體黑臭，從而為我國黑臭水體的治理工作提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

滾筒式曝氣填料生態壩裝置運行原理：由該裝置曝氣單元對黑臭河道進行機械曝氣，增加水體中DO 含量，同時通過填料附著微生物膜的降解作用去除水體中N,P 和有機物等污染物，以增強河道水體的自凈能力。

滾筒式曝氣填料生態壩裝置結構示意見圖1。由圖1 可以看出，滾筒式曝氣填料生態壩裝置由用于河道凈化的填料筒單元和用于為填料筒單元供氧的曝氣單元通過輸氣管連接組成。曝氣單元包括光伏板、控制轉換器和直流曝氣機，填料筒單元包括周壁設有若干通孔的筒體、填料層、帶孔隔板、浮力層、布孔金屬管和曝氣管，布孔金屬管置于筒體中央，以便于微孔曝氣管內輸入的空氣均勻地擴散至浮力層和填料層，曝氣管穿設于布孔金屬管內；浮力層由改性后的高分子材料制作成的懸浮填料球進行填充，置于布孔金屬管外側，其內填充有疏松多孔泡沫材料以及火山石、陶粒、沸石等材料，帶孔隔板置于浮力層外側，填料層置于帶孔隔板與筒體的周壁之間，曝氣管與輸氣管相連通。

圖1 滾筒式生態壩裝置結構示意

1.2 設計參數

滾筒式曝氣填料生態壩裝置曝氣單元采用以太陽能為動力的純太陽能離網供電系統，該系統選擇的光伏板功率為180 W，太陽能板與地平線呈28 ～30°朝正南方布設，直流穩壓控制器電壓為12 V，直流曝氣機功率為35 W，供氣量為80 L/min，曝氣產生的壓縮空氣經管道輸送至填料筒中部的微孔曝氣管中。該裝置中布孔金屬管的管徑為60 mm，其孔徑為5 mm，相鄰孔間距為100 mm，開孔方式為上、下孔對開。浮力層厚度為200 mm，填料層厚度為625 mm，浮力層由較多的有疏水多孔泡沫材料組成，填料層內填有直徑為80 mm 的懸浮填料球，該球表面在水中可長出一層可降解水體污染物的生物膜，并可不斷更新。該裝置柱狀筒體的外壁布設8 片翅片，相鄰翅片間夾角呈45°。翅片可帶動柱狀筒體在河道水流推動下做原位滾動，凈化水質的同時，帶動水體流動。

1.3 研究區域

夏長浦河道位于上海市靜安區，平均寬度為15 m，規劃水深為2.5 m（因底泥淤積較深，實際水深為1 ～2 m）。由于河道沿線存在較多雨污混接排口，使得大量污水排入河道，導致河道水體發黑發臭。當前沿線截污納管工作雖已完成，但水體黑臭現象并未減輕。此外，目前該河道一端為斷頭浜，另一端由閘門控制且平時呈關閉狀態，因水動力條件較差，故水體自凈能力低，水體依然呈黑臭狀態。因此，選擇夏長浦河道作為研究對象，通過探究滾筒式曝氣填料生態壩裝置對其治理效果，以期為今后治理黑臭河道提供技術支撐。

將滾筒式曝氣填料生態壩裝置置于河道斷面中央，且為該裝置的曝氣運行進行定時設置，確保該裝置每天曝氣8 h。試驗點位選取該裝置布設點位S1 及空白對照實驗點位S2，2 點位相隔300 m避免相互影響。在河道水面下0.5 m 處，通過有機玻璃取樣器取水，每次將采集的3 個水樣進行混合后再檢測水質。裝置安裝過程難免造成沉積物擾動，為降低底泥上翻導致的誤差，水質檢測與分析從該裝置固定并穩定運行2 周后開始，水質檢測頻率為1 次/周，共進行為期11 周水質檢測。

2 結果與分析

2.1 河道本底水質

夏長浦河道為上海市典型黑臭河道，根據河道現場勘察，水體呈黑灰色，底泥偶有上浮，河道散發刺鼻臭味。2020年6月對夏長浦河道水質進行檢測，檢測結果見表1。

表1 夏長浦河道水質檢測結果

由表1 可以看出，河道水體中DO，CODCr，TN，NH4+-N，TP質量濃度均值分別為0.43，30，16.95，13.15，1.64 mg/L，SD均值為20.5 cm，DMTS 質量濃度均值為3 662 ng/L。參照2015年發布的《城市黑臭水體整治工作指南》[27]中的城市黑臭水體污染程度分級標準，確定夏長浦河道河道SD，DO，NH4+-N 濃度已達到輕度黑臭標準，說明試驗期間該河道水體處于輕度黑臭狀態。

2.2 滾筒式生態壩裝置對DO,CODCr 的治理效果

過量有機污染物排入河道，經過氧化分解后消耗掉大量DO，使得水體成為厭氧環境，此時，厭氧微生物分解出大量含N,S 等有機物物質，造成水體逐漸發黑發臭，因此，削減有機污染物及水體的快速復氧對消除水體黑臭至關重要。滾筒式曝氣填料生態壩裝置對提升DO 及削減CODCr的效果見圖2。由圖2（a）可以看出，試驗期間，河道S1樣點中DO 質量濃度范圍在2.58 ～3.6 mg/L 之間，均值為3.30 mg/L，S2 樣點中DO 質量濃度范圍在0.18 ～0.93 mg/L 之間，均值為0.54 mg/L。通過對比發現，空白S2 樣點中DO 濃度波動較小，說明河道自身復氧速度緩慢，該裝置微孔曝氣管內輸入的空氣可有效提高河道中DO 水平。河道中有機物主要來源于降雨、土壤淋溶及人類活動的排放及底泥釋放等。有機污染可經過食物鏈富集，對人體健康造成惡劣影響，故削減有機污染成為黑臭水體感官改善及居民身體安全保證的必要環節。由圖2(b)可知，河道S1 樣點中CODCr質量濃度范圍在13.00 ～36.00 mg/L 之間，均值為23.08 mg/L，河道S2 樣點中CODCr質量濃度范圍在25.00～35.00 mg/L 之間，均值為30.75 mg/L，CODCr削減率可達24.8%。該結果表明，該裝置曝氣可促進河道中O2的傳遞與擴散，避免水體出現缺氧或厭氧狀態，提高了細菌活性，加快有機污染物的分解。此外，該裝置懸浮掛膜材料不僅可強化微生物的生化作用，也對有機物的降解發揮著重要作用。

圖2 滾筒式生態壩裝置對提升DO 及削減CODCr 的效果

2.3 裝置對N,P 營養鹽的去除效果

NH4+-N 超標嚴重危害了水環境質量，具體表現在水體的耗氧、富營養化現象及非離子氨的毒害作用[28]。隨著生活污水、工業廢水的排放及農業農藥化肥的過量使用[29]，目前，國內大多數河流中NH4+-N 含量超標已經取代了CODCr，成為了水體污染的首要污染物質[30]。滾筒式生態壩裝置對N,P 的去除效果見圖3。

圖3 滾筒式生態壩裝置對N,P 的去除效果

由圖3（a）可以看出，S1 樣點中NH4+-N 質量濃度范圍在5.38 ～12.98 mg/L 之間，平均值為8.94 mg/L，S2 樣點中NH4+-N 質量濃度范圍在11.14 ～14.58 mg/L 之間，平均值為12.39 mg/L，該裝置對NH4+-N 的削減率為26.7%。由圖3（b）可以看出，S1 樣點中TN 質量濃度范圍在11.39 ～18.72 mg/L 之間，平均值為14.85 mg/L，S2 樣點中TN 質量濃度范圍在13.34 ～19.48 mg/L 之間，均值為16.63 mg/L，該裝置對TN 的削減率為10.4%。通過分析S2 樣點中氮元素形態，發現NH4+-N 在TN 含量中占比為75.9%，表明在厭氧的水環境下，含氮有機物氨化后并不能充分進行硝化作用，而是以NH4+-N 的形式累積在水體中。對比分析2 組數據發現，該裝置對河道中TN 尤其是NH4+-N 具有較好地去除效果，分析氮元素去除的原因為溶解氧提升后促進了微生物的硝化速率以及隨著裝置曝氣加快了NH4+-N 吹脫[31]。

水體中磷元素是導致水體富營養化的關鍵因素[32]，磷元素可促使水體內的藻類大量滋生[33]，導致維管束植物腐爛，最終河道黑臭[34]。因此，削減排入水體中磷元素含量可有效緩解水體向富營養化狀態甚至向黑臭河道狀態的演變[35]。由圖3（b）可以看出，S1 樣點中TP 質量濃度范圍在0.86 ～1.86 mg/L 之間，平均值為1.19 mg/L，S2 樣點中TP 質量濃度范圍在1.01 ～1.67 mg/L 之間，平均值為1.39 mg/L，該裝置對TP 的去除率為14.8%。對比2 組數據發現，該裝置可有效去除水體中磷元素，分析原因為該裝置的填料單元中填料為火山石、陶粒、沸石等，通過填料的物理和化學吸附水體中磷元素進行降解，該裝置在水流的作用下均勻旋轉，也提高了自然河道的過濾效果。

2.4 裝置對透明度、嗅味的提升效果

黑臭水體沖擊力最大的感官效果為黑和臭，其中水體泛黑是由水體懸浮物、Fe、S 元素及FeS化合物導致[36]，水體發臭主要是由硫酸鹽還原菌、放線菌等微生物在厭氧條件下降解有機物生成[37]，其中主要致臭產物之一為二甲基三硫醚（DMTS）[38]。通過檢測SD及DMTS 來表征河道感官效果變化，具體見圖4。由圖4（a）可以看出，S1 樣點中SD范圍在53 ～69 cm 之間，平均值為63 cm，S2 樣點中SD范圍在32 ～49 cm 之間，平均值為38 cm，由此計算該裝置對SD的提升率為69.6%。由圖4（b）可以看出，S1 樣點中DMTS 濃度范圍在5 ～2 933 ng/L 之間，平均值為1 341 ng/L，S2 樣點中DMTS 濃度范圍在2 738 ～3 988 ng/L 之間，平均值為3 410 ng/L，由此計算該裝置對DMTS 的削減率為58.5%。對比分析實驗組與空白組發現，試驗期間該裝置運行可有效提升水體透明度和削減致臭物質，分析原因為該裝置曝氣可直接氧化水體中的嗅味物質，同時，也可提高其揮發速率，揮發過程中部分物質被裝置填料吸附，從而實現對嗅味物質的有效削減。

圖4 裝置對提升SD 及削減DMTS 效果

2.5 水體細菌對于黑臭消除的響應

該裝置對黑臭水體具有較好的治理效果，主要原因為曝氣對有機物直接氧化。此外，水體中微生物群落結構也對有機物削減尤為重要。水體中含有大量以細菌為主的微生物，為研究該裝置運行對水體細菌群落組成的影響，對比分析實驗組與對照組細菌綱水平群落組成，具體見表2。由表2 可以看出，2組細菌群落組成相似，但實驗組細菌群落多樣性更高，2組細菌優勢菌分別為γ-變形桿菌（Gammaproteobacteria）、α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）、放線菌綱（Actinobacteria）、酸微菌綱（Acidimicrobiia）及藍藻綱（Cyanobacteriia）。實驗組中γ-變形桿菌等厭氧菌豐度明顯低于對照組，放線菌綱、酸微菌綱好氧菌豐度明顯高于對照組。且酸微菌綱中部分化能自養菌可將Fe(II)氧化為Fe(III)[39]，可促進磷元素蓄閉在沉積物中。說明該裝置可有效改善河道厭氧環境，使得水體中好氧菌豐度提高，優化了水體微生物群落結構及群落多樣性。

表2 裝置凈化前、后水體細菌群落組成（綱水平）

3 結論

通過對滾筒式曝氣填料生態壩裝置進行原位水體治理效果分析，探究該裝置黑臭河道治理實際應用效果及推廣的可行性，得出以下結論：

（1）該裝置可將水體中DO 質量濃度由0.54 mg/L 提升至3.30 mg/L，CODCr質量濃度由30.75 mg/L 降至23.08 mg/L，CODCr削減率可達24.8%。可有效提高水體中DO 含量，降低有機物濃度。

（2）該裝置對NH4+-N 的削減率為26.7%，對TN 的削減率為10.4%，對TP 的去除率為14.8%，可有效降低水體中N,P 負荷。

（3）該裝置可將河道SD由38 cm 提升至63 cm，DMTS 的削減率為58.5%，實現了河道感官效果上的去黑、去臭。

（4）該裝置可有效提升水體細菌多樣性，優化細菌群落結構，可有效降低厭氧微生物豐度，提升放線菌綱、酸微菌綱好氧菌豐度。