微氣泡曝氣對模擬黑臭水體的治理效果

王 越，程婧雯，汪伯寧，于 琦，李 攀

(同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

我國許多流經城鎮的河段和城鎮內的溝渠塘壩很容易受到有機物和氮磷的污染，這些水體環境容量小，自凈能力弱，流動緩慢，很容易形成黑臭水體，影響周邊自然環境和居民生活，嚴重威脅水質安全。目前，對黑臭水體的治理，常用的方法有截污疏浚[1]、生物修復[2]和曝氣充氧[3-4]等手段。水體自然富氧和耗氧的嚴重失衡是水體黑臭化的主要原因之一，因而，曝氣充氧、提高溶解氧濃度是一種行之有效的治理手段。

微氣泡曝氣是一種新型的高效曝氣技術，已經在污水處理領域得到了較多的應用[5-6]。微氣泡是指直徑小于50 μm的氣泡，其具有比表面積大、內部壓力高、上浮速度慢等特點，與普通曝氣方式相比，采用微氣泡曝氣可以顯著提高氣體傳質速率[7]和持氣率[8]。本課題組的前期研究發現微氣泡在水中自然破裂時能產生羥基自由基[9]，微氣泡的水力空化處理對銅綠微囊藻的生長有明顯的抑制作用，也可以有效提高混凝沉淀除藻的效果[10]。因此，微氣泡用于黑臭河道的曝氣增氧不僅可以提高富氧的效率，還兼備抑藻的生態修復作用。目前，已有采用微氣泡曝氣處理黑臭河道廢水的研究[11]，但由于處理的時間短，不能獲得長期微氣泡曝氣對水生態環境的修復作用。因而，本文采用微氣泡曝氣和普通曝氣對模擬黑臭水體開展了長期修復治理工作，并對水質改善效果進行了評價和對比。

1 材料和方法

1.1 曝氣裝置及運行參數

本試驗分別使用微氣泡曝氣和普通曝氣兩種曝氣方式處理模擬黑臭水體，并進行對比。兩套裝置的水槽均為PVC材質，形狀為近似長方體，長約550 mm，寬約420 mm，正常運行時水深約280 mm，總水量約為60 L，水面下底泥厚度約為40 mm。微氣泡的產生方式為加壓溶氣-減壓釋放法，需要水泵進行連續的水循環，循環水量為4.8 L/min，不考慮短流的情況，整個水槽中水循環一次的時間約為12.5 min。為了防止出水對底泥產生攪動，微氣泡出水距離底泥高度約110 mm，且出水方向為水平；普通曝氣采用球形微孔曝氣頭，為了增加大氣泡在水中的停留時間，曝氣頭安裝在距底泥高度約40 mm處。微氣泡裝置在最佳運行氣水比下運行才能達到最好的微氣泡發生效果，因此，微氣泡裝置的曝氣量要明顯小于普通曝氣裝置的曝氣量，僅為0.12 L/min，單位體積內曝氣量為2 mL/(min·L)；而普通曝氣的曝氣量為1.3 L/min，單位體積內曝氣量為21.6 mL/(min·L) 。兩種曝氣采用的氣源均為空氣?？紤]到微氣泡發生裝置中水泵運行引起的水溫升高的問題，在本試驗中兩裝置皆采用間歇運行的方式。試驗期間兩裝置同步開啟同步關閉，每天從8∶00 am～7∶00 pm，每小時運行15 min，共運行12次。

1.2 模擬黑臭水體來源及水質

本試驗所使用的模擬黑臭水體來源為校園內一處富營養化水塘，加入一定量含有大量營養物質和腐殖質的河道底泥，充分攪拌混勻后靜置10 d，水中藻類和微生物繁殖，生態系統基本穩定。此時,該水體已呈深黃棕色，有臭味散出，透明度很低，根據《城市黑臭水體整治工作指南》對城市黑臭水體的明確定義，可以認為試驗水體已經形成了黑臭水體。此時兩裝置內水質如表1所示。

表1 初始水質

1.3 水質檢測方法

本文涉及的各項水質指標的檢測方法如下。

氨氮：納氏試劑分光光度法；TP：銻鉬抗分光光度法；透明度：塞氏盤法；TOC及TN：島津TOC—L；OD680：上海儀電UV765；濁度：哈希2100N；水溫及溶解氧：哈希HQ-30d。

2 結果與討論

2.1 運行期間水質變化

在25 d的運行中，持續對總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、OD680和濁度這六項水質指標進行檢測，取樣時間均為9∶00 pm，此時距曝氣結束已有接近2 h，因微氣泡氣浮作用而漂浮于水面的藻類已大部分靜沉，取樣點為水面下15 cm處。各水質指標隨時間的變化如圖1所示。

整個試驗期間，微氣泡曝氣系統的TOC濃度始終低于普通曝氣系統，如圖1(a)所示。初始運行的5 d內，曝氣提高了水中溶解氧，微生物大量繁殖，兩裝置內水中的TOC濃度均經歷了一個快速下降的過程。之后， TOC濃度持續緩慢下降，試驗末期微氣泡曝氣系統的TOC為18.2 mg/L，下降了76%。氨氮濃度的變化趨勢[圖1(c)]與TOC類似，微氣泡曝氣水體內氨氮濃度下降更為迅速，在18 d時，微氣泡曝氣水體的氨氮濃度已經降為0，而普通曝氣水體的氨氮濃度在第9 d之后不再變化。試驗末期，微氣泡曝氣水體內TN和TP濃度均低于普通曝氣水體，如圖1(b)和1(d)所示。另外，試驗中觀察到水中的TN和TP較高，且變化不大，可能是與試驗所取河道底泥上方水體為生活污水，含有大量的氮磷元素，可形成不易被降解的膠體有關。

圖1 兩裝置運行期間水質變化Fig.1 Changes of Water Quality during the Operation of Two Devices

在黑臭水體的修復過程中關注的重要水質指標是其表觀指標，本試驗中體現為OD680、濁度和透明度三個指標。OD680為含藻液在680 nm波長處的吸光值，可以間接反映藻細胞的數量。對試驗采用的水體進行鏡檢發現，銅綠微囊藻是一種優勢藻種，因此，用顯微鏡計數表示的藻細胞濃度與藻液在680 nm處的吸光值進行對比，發現二者之間呈良好的線性關系(圖2)。

OD680的變化如圖1(e)所示。微氣泡曝氣水箱內OD680在一周內迅速從0.03降低到0.01，并一直維持在較低水平，說明微氣泡曝氣可以有效除藻并抑制藻類繁殖，而普通曝氣系統內藻密度一直保持在模擬黑臭水體形成時的高濃度水平。本課題組在前期研究中發現微氣泡對于銅綠微囊藻的生長有顯著的抑制作用，用微氣泡曝氣處理10 min后的藻液密度在72 h后降低了88%；同時，電鏡觀察發現，藻細胞的結構均已發生破損[12-13]。需要說明的是，該試驗對處理后的藻液采用靜態培養，因而，被破壞而沉降的藻無法得到足夠的光照進行自我修復，加速了藻類的死亡；但在本試驗中，由于整個日照期間(8∶00 am～7∶00 pm)不斷間歇循環曝氣，藻類可以得到足夠的光照進行自我修復，死亡速度有所減緩。

圖2 銅綠微囊藻細胞密度與OD680關系Fig.2 Relationship between Cell Density of M.aeruginosa and OD680

水中濁度的變化如圖1(f)所示。隨著微氣泡曝氣對于藻類的去除效果逐漸顯著，濁度也出現了明顯的下降。兩裝置內水的透明度變化如表2所示。由于水深較淺，本試驗的透明度每5 cm劃分一次。試驗的中后期，微氣泡曝氣裝置內透明度大大提升，已經可以清楚地看到水池底部，而普通曝氣裝置內水的透明度基本沒有變化。試驗末期，由于各項水質指標均有所改善，兩裝置的水體已基本脫離黑臭。

表2 兩裝置內水的透明度

2.2 水溫與溶解氧

水溫和溶解氧也是影響水體黑臭和藻類繁殖的兩個重要水質指標。為此，本試驗監測了運行期間，一整天的水溫和溶解氧，監測時間為10∶00～21∶15，監測深度為水面下10 cm，在曝氣開始前和曝氣結束后進行監測。監測當天裝置運行時間為10∶00～20∶00。監測數據如圖3所示。

由于微氣泡曝氣需要水泵進行循環，因而水溫會所升高。在10∶00時，兩裝置內水溫均為26 ℃，開始曝氣裝置后，微氣泡裝置內水溫呈波動上升，曝氣裝置開啟的15 min內水溫持續上升，停止運行后有所下降，在8∶00 pm，水溫升至34 ℃，隨后曝氣停止，水溫不斷下降；普通曝氣裝置內水溫一直保持在26 ℃左右。一般來說，水溫34 ℃時藻類的生長速度高于26 ℃，而微氣泡裝置內的藻密度呈持續下降趨勢，可見，溫度并不是這兩種曝氣方式在藻類去除和控制效果產生差異的原因。

雖然水溫越高越不利于氣體溶解，但是微氣泡裝置內的溶解氧濃度始終高于普通曝氣裝置，且在曝氣停止后波動很小，而普通曝氣裝置內的溶解氧濃度在15 min的曝氣停止后下降較為明顯?？紤]到微氣泡曝氣本身的曝氣量只有普通曝氣的十分之一，由此可以推測，在實際黑臭河道水體的曝氣中如果采用微氣泡曝氣方式可以大大減少曝氣量。

2.3 停止運行后水質變化

運行期結束后，持續監測了8 d兩裝置內的水質變化情況(OD680、濁度和透明度)，OD680和濁度數據如圖4所示，透明度數據列于表2。在停止曝氣后，由于沒有了曝氣引起的水面攪動和持續通入的溶解氧，普通曝氣裝置內水中藻類迅速繁殖，形成水華，OD680和濁度大幅上升，水質迅速劣化；而微氣泡曝氣裝置內水中藻類繁殖速度非常緩慢，僅在水面四周貼近水槽的部位發現了少量的藻類，并在上層水中觀察到肉眼可見的浮游動物成群出現。研究表明，浮游生物對藻類繁殖有控制作用[14-15]，這可能是停止微氣泡曝氣后，藻密度OD680增長緩慢的因素之一，但是微氣泡曝氣促進浮游生物大量繁殖的原因尚需進一步研究。

圖4 兩裝置停止運行后水質變化Fig.4 Changes of Water Qualities after Stopping the Operation of Two Devices

3 結論

(1)與普通曝氣方式相比，微氣泡曝氣可以顯著降低該模擬黑臭水體的藻細胞濃度和濁度，從而提高透明度。

(2)在結束曝氣處理后，雖然水中仍有營養物質存在，但微氣泡系統內水質可以保持一段時間，而普通曝氣系統內水質會迅速惡化。

(3)試驗末期觀察到微氣泡曝氣系統內出現了大量浮游生物，表明微氣泡曝氣可以改善水體生態系統。

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