組合生物技術(shù)對(duì)黑臭水體底泥原位修復(fù)的研究

桑建偉，黃家榜，朱守誠，朱棣杰，潘佳駒

（污水凈化與生態(tài)修復(fù)材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/合肥市東方美捷分子材料技術(shù)有限公司，安徽合肥230088）

隨著我國(guó)城市化水平不斷加快，城市污水不斷排放而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，甚至導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，嚴(yán)重影響人們的居住環(huán)境與生活，阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。從黑臭水體的特點(diǎn)分析，水體中好氧性污染物質(zhì)含量升高，導(dǎo)致水體嚴(yán)重缺氧，厭氧微生物作用消解有機(jī)污染物產(chǎn)生大量惡臭氣體（如硫化氫、胺、氨和硫醇等），致使水體發(fā)臭[3-5]；水體中鐵、錳等金屬離子與S2-形成金屬硫化物，致使水體發(fā)黑[6-8]。此外黑臭水體的底泥富含腐殖質(zhì)，可不斷分解釋放懸浮顆粒，進(jìn)一步加重水體黑臭。因此，除截留外源污染外，通過工程技術(shù)對(duì)黑臭污水與污泥進(jìn)行原位修復(fù)是實(shí)現(xiàn)黑臭水體的環(huán)境質(zhì)量改善和生態(tài)良性恢復(fù)的重要措施。

目前，黑臭水體的傳統(tǒng)治理方法主要有化學(xué)法（絮凝、吸附等）[9-10]、物理法（截污、疏浚等）[11-12]和生物法[13-14]。物理法與化學(xué)法可為生物法提供先決條件，而生物法又往往以微生物、底棲動(dòng)物、耐污水生植物為先鋒生物先行應(yīng)用[15]。本文通過將泥水分離材料TMD、生物氧化材料BiO2和工程微生物AOB 進(jìn)行組合，應(yīng)用于安徽省蕪湖市鏡湖區(qū)典型黑臭水體泥水凈化與生態(tài)恢復(fù)小試實(shí)驗(yàn)，以期為該組合技術(shù)的后期研究與工程應(yīng)用提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

黑臭水樣和底泥分別取自安徽省蕪湖市鏡湖區(qū)文化路橋段黑臭河水與底泥，樣品采集后迅速送至實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰箱保存。泥水分離材料、生物氧化材料和工程微生物均為本公司自主研發(fā)產(chǎn)品（分別簡(jiǎn)稱TMD、BiO2、AOB）。

由于自然黑臭水體不能長(zhǎng)期保證水質(zhì)穩(wěn)定，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，采用人工配制黑臭水。黑臭水按參考文獻(xiàn)進(jìn)行少量修改后配制[16]：蛋白胨4.5 g，尿素0.65 g，檸檬酸鐵0.3 g，Na2S 2.3 g，腐殖酸11.5 g，NaCl 0.8 g，黃胺酸0.1 g，污泥400 g，加水稀釋至30 L 并攪拌均勻。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 人工黑臭水的脫黑除臭實(shí)驗(yàn)

配制人工黑臭水，依次量取500 mL 人工黑臭水至各燒杯中，并分別以0‰、0.5‰、0.75‰、1‰、1.5‰、2‰、2.5‰濃度梯度向燒杯中添加泥水分離材料TMD 與生物 氧 化 材 料BiO2，以0‰、0.01‰、0.025‰、0.05‰、0.075‰、0.1‰、0.25‰向燒杯中添加工程微生物AOB，攪拌均勻后靜置48 h，取樣測(cè)試其水質(zhì)指標(biāo)（COD、氨氮、TP、pH、TDS、ORP、水體色度、水體氣味）。

1.2.2 黑臭底泥的消解實(shí)驗(yàn)

依次稱取200 g 黑臭底泥至各燒杯中，并分別以0‰、0.2‰、0.5‰、1‰、1.5‰、2‰、3‰、4‰、5‰濃度梯度向燒杯中添加泥水分離材料TMD 與生物氧化材料BiO2，以0‰、0.02‰、0.05‰、0.1‰、0.15‰、0.2‰、0.3‰、0.4‰、0.5‰濃度梯度向燒杯中添加工程微生物AOB，攪拌均勻后靜置48 h，測(cè)試其黑臭底泥的基本指標(biāo)（pH、TDS、ORP、污泥厚度、污泥顏色、污泥氣味）。

1.2.3 人工黑臭水與黑臭底泥原位修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)

依次向圓柱桶（直徑20 cm，高40 cm）中填充黑臭底泥，并向其中加入7 L 人工黑臭水，分別以2.5‰濃度向圓柱桶中添加泥水分離材料TMD 與生物氧化材料BiO2，以0.25‰濃度向圓柱桶中添加工程微生物AOB，以2.5‰TMD、2.5‰BiO2、0.25‰AOB 對(duì)黑臭底泥進(jìn)行點(diǎn)滴，攪拌上層人工黑臭水至均勻后靜置48 h，測(cè)試人工黑臭水與黑臭底泥的基本指標(biāo)（COD、氨氮、TP、DO、pH、TDS、ORP、水體色度、水體氣味、污泥厚度、污泥顏色）。

1.3 分析和測(cè)試方法

定期取樣進(jìn)行檢測(cè)，分析和測(cè)試其理化指標(biāo)（COD、NH3-N、TP、pH、TDS、ORP 值及污泥厚度）[17]和感官指標(biāo)（水體顏色、水體氣味、污泥顏色、污泥氣味）[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工黑臭水的脫黑除臭實(shí)驗(yàn)

分別向上述人工黑臭水中添加不同濃度TMD、BiO2、AOB，攪拌均勻后靜置48 h，觀察并檢測(cè)人工黑臭水的基本指標(biāo)，結(jié)果如圖2、表1、表2 和表3。在自然開放條件下，經(jīng)過48 h 的凈化作用，三組材料均可提高人工黑臭水的ORP 與TDS（TMD 與BiO2提高最為顯著）；TMD 與BiO2隨著添加濃度的上升可在不同程度上降低其pH 值；三組材料均可在一定程度上去除人工黑臭水的COD、NH3-N 和TP（圖1 所示），其中TMD 材料的凈化效果最好，COD、NH3-N 和TP 去除率最高分別可達(dá)94.59%、88.19%和93.67%，BiO2材料的凈化效果次之，AOB 材料最弱，推測(cè)可能是由于人工黑臭水的pH 不穩(wěn)定，溫度低、時(shí)間短等原因不利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而對(duì)其凈化效果無明顯作用。此外，發(fā)現(xiàn)這三組材料對(duì)人工黑臭水的脫黑除臭作用具有優(yōu)良效果，可改善水質(zhì)透明度與色度，有助于微生物的生長(zhǎng)與繁殖（圖2 所示）。綜上可知，泥水分離材料TMD 可有助于改善人工黑臭水的水質(zhì)指標(biāo)，脫黑除臭，增加水體透明透光度；生物氧化材料BiO2凈化效果次之；工程微生物AOB 凈化效果無顯著作用。

表1 泥水分離材料TMD 對(duì)人工黑臭水的影響

2.2 黑臭底泥的消解實(shí)驗(yàn)

分別向上述黑臭底泥中添加不同濃度的TMD、BiO2、AOB，攪拌均勻后靜置48 h，觀察并檢測(cè)黑臭底泥的基本指標(biāo)，結(jié)果如圖3、表4、表5 和表6。在自然開放條件下，經(jīng)過48 h 的凈化作用，三組材料均可提高黑臭底泥的ORP 與TDS（TMD 與BiO2提高最為顯著），促進(jìn)底泥土著有益微生物的快速繁殖，消解底泥腐殖質(zhì)，使底泥變黃；TMD 與BiO2隨著添加濃度的上升可在不同程度上降低其pH 值。此外，發(fā)現(xiàn)這三組材料對(duì)人工黑臭水的脫黑除臭作用具有優(yōu)良效果，可促進(jìn)底棲微生物繁殖代謝，消解底泥腐殖質(zhì)，使污泥顏色變黃（圖3 所示）。綜上可知，生物氧化材料BiO2有助于底泥的脫黑除臭，提高ORP，增強(qiáng)底棲微生物繁殖代謝，消解底泥腐殖質(zhì)，使泥層變黃；泥水分離材料TMD 凈化效果次之；工程微生物AOB 凈化效果無顯著作用。

表3 工程微生物AOB 對(duì)人工黑臭水的影響

圖1 不同濃度的三組材料對(duì)人工黑臭水COD、TP 和NH3-N 的去除率

圖2 不同濃度的三組材料對(duì)人工黑臭水的影響

2.3 人工黑臭水與黑臭底泥原位修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)

分別向上述圓柱桶中的人工黑臭水與底泥添加不同組合材料TMD、BiO2、AOB，攪拌均勻后靜置48 h，觀察并檢測(cè)人工黑臭水與底泥的基本指標(biāo)，結(jié)果如圖4 和圖5。在自然開放條件下，經(jīng)過48 h 的凈化作用，單一材料中BiO2處理效果較好，作用9 d 后黑臭底泥已開始變黃，水體與泥層接觸部分產(chǎn)生大量氣泡，在陽光下可形成大量藻類，水體中開始出現(xiàn)少量浮游生物，18 d 全部變黃，并能有效去除水體COD、氨氮與總磷值，但水體呈黃色透明（如圖4、圖5 所示）；組合材料中人工黑臭水TMD、AOB 處理+黑臭底泥BiO2處理與人工黑臭水TMD 處理+黑臭底泥TMD、BiO2和AOB 處理兩種組合凈化效果較好，可有效降低水體COD、氨氮與總磷值，消解黑臭底泥腐殖質(zhì)，致使污泥變黃脫黑除臭，比單一材料BiO2處理效果好，可有效去除水體顏色（如圖4、圖5 所示）。綜上可知，單一生物氧化材料BiO2處理可有助于底泥的脫黑除臭，提高ORP，增強(qiáng)底棲微生物繁殖代謝，消解底泥腐殖質(zhì)，使泥層變黃，但無法去除水體顏色；而組合材料解決水體顏色的同時(shí)，具有單一材料的所有特點(diǎn)。

表4 泥水分離材料TMD 對(duì)黑臭底泥的影響

表5 生物氧化材料BiO2 對(duì)黑臭底泥的影響

表6 工程微生物AOB 對(duì)黑臭污泥的影響

圖3 不同濃度的三組材料對(duì)黑臭污泥的影響

3 結(jié)論

（1）在人工黑臭水的脫黑除臭實(shí)驗(yàn)中，三組材料均可提高人工黑臭水的ORP 與TDS，其中TMD 與BiO2材料提高最為顯著；TMD 與BiO2隨著添加濃度的上升可在不同程度上降低其pH 值；三組材料均可在一定程度上去除人工黑臭水的COD、NH3-N 和TP，其中TMD 材料的凈化效果最好，COD、NH3-N 和TP 去除率最高分別可達(dá)94.59%、88.19%和93.67%，BiO2材料的凈化效果次之，AOB 材料最弱。此外，發(fā)現(xiàn)這三組材料對(duì)人工黑臭水的脫黑除臭作用具有優(yōu)良效果，可改善水質(zhì)透明度與色度，有助于微生物的生長(zhǎng)與繁殖。

圖4 三組材料的不同組合對(duì)黑臭水與污泥的影響

圖5 三組材料的不同組合對(duì)黑臭水與污泥的影響

（2）在黑臭底泥的消解實(shí)驗(yàn)中，三組材料均可提高黑臭底泥的ORP 與TDS，其中TMD 與BiO2提高最為顯著，可促進(jìn)底泥土著有益微生物的快速繁殖，消解底泥腐殖質(zhì)，使底泥變黃；TMD 與BiO2隨著添加濃度的上升可在不同程度上降低其pH 值。此外，發(fā)現(xiàn)這三組材料可有助于底泥的脫黑除臭，提高ORP，增強(qiáng)底棲微生物繁殖代謝，消解底泥腐殖質(zhì)，使污泥顏色變黃。

（3）在人工黑臭水與黑臭底泥原位修復(fù)模擬試驗(yàn)中，單一材料中BiO2處理效果較好，作用9 d 后黑臭底泥已開始變黃，水體與泥層接觸部位產(chǎn)生大量氣泡，水體中開始出現(xiàn)少量浮游生物，18 d 全部變黃，并能有效去除水體COD、氨氮與總磷值，但水體顯黃色透明；然而組合材料中人工黑臭水TMD、AOB 處理+黑臭底泥BiO2處理與人工黑臭水TMD 處理+黑臭底泥TMD、BiO2和AOB 處理這兩種組合凈化效果較好，可有效降低水體COD、氨氮與總磷值，消解黑臭底泥腐殖質(zhì)，致使污泥變黃脫黑除臭，與單一材料BiO2處理相比，可有效去除水體顏色。

（4）在組合技術(shù)應(yīng)用過程中,各種單項(xiàng)技術(shù)在發(fā)揮各自功效的同時(shí)得到了協(xié)調(diào)共生。泥水分離材料TMD可促進(jìn)泥水分離，改善水質(zhì)，增強(qiáng)水體透明度；生物氧化材料BiO2可快速提高水體溶解氧，水體中污染物的凈化過程由厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為好氧，促進(jìn)底泥腐殖質(zhì)消解，導(dǎo)致黑臭的二次污染物濃度隨之降低；投加功能性微生物菌劑AOB 則使這一凈化作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化。