生物促生劑修復城市河道黑臭水體的曝氣協同作用研究

吳霄琦

(安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230000)

1 前言

臨泉縣于2013年開始著手城區水系整治工作，分別在2013年～2017年間對城區十字河、阜臨河桃源河-姜尚大道段、于王溝臨鲖路-霞光大道段、育才河阜臨河-霞光大道段、白溝泉河-霞光大道段、臨艾河阜臨河-霞光大道段等河道進行了整治。2019年開始，在前期水系整治成果的基礎上啟動臨泉縣城區水系綜合整治(含黑臭水體治理)工程。

對于城市河道黑臭水體治理而言，所采取的治理修復措施對治理效率和效果至關重要，根據類似成功經驗，生物促生劑屬于城市河道黑臭水體微生物修復技術，將生物促生劑加入污染水體后通過促進微生物生長達到改善和凈化水體的目的。生物促生劑在地表水、土壤及底泥修復方面已有較為廣泛的應用。但是，在城市河道黑臭水體修復方面單獨使用生物促生劑對水體及底泥中的COD、氨氮、總磷等的去除效果并不理想。而曝氣是廣泛應用于河流湖泊治理修復的一種技術，曝氣治理成本主要受曝氣時間長短的影響，曝氣時間越短，則治理成本越低。本文主要對生物促生劑修復城市河道黑臭水體的曝氣協同作用進行研究。

2 試驗方案

2.1 試驗取樣

取樣在臨泉縣城區水系阜臨河桃源河至姜尚大道段、于王溝臨鲖路至霞光大道段、育才河阜臨河至霞光大道段、臨艾河阜臨河至霞光大道段等河段進行，所采集樣本經過初始污染濃度的分析發現，樣本中COD濃度為78 mg/L～96 mg/L，氨氮濃度為45.48 mg/L～83.29 mg/L，總磷濃度為0.75 mg/L～1.71 mg/L，底泥有機質含量為7.51%～8.84%。

為進行生物促生劑修復臨泉縣城區河道黑臭水體曝氣協同效果對比分析，將試驗過程中上覆水深和底泥厚度均設定為0.5 m，考慮到試驗過程中檢測取水及蒸發等的影響，應定時將所取臨泉縣城區水系原樣水注入試驗裝置。為進行城市黑臭水體生物促生劑修復過程中曝氣協同作用分析，及曝氣方式和曝氣量的量化確定，本試驗共設計4組對照試驗組，分別為：X1組為空白對照組；X2組為按0.05 mL/m3的體積比定時摻加生物促生劑；X3組為采用與X2組相同的方法摻加生物促生劑并連續曝氣處理，并使溶解氧濃度控制在8.0 mg/L水平；X4組為采用與X2組相同的方法摻加生物促生劑并考慮生物促生劑具有促進兼氣性微生物生長的作用，故按4 h/d的頻次間歇曝氣處理，使溶解氧濃度控制在2.0 mg/L～3.0 mg/L水平，以通過促進兼氣性微生物生長而達到上覆水和底泥污染物降解的作用。

2.2 試驗儀器及裝置

試驗儀器主要包括COD快速檢測儀、蒸汽滅菌器、溶氧儀、DHG型恒溫干燥箱等，試驗裝置按直徑15 cm、高100 cm的圓柱形設計(見圖1)，且沿裝置長度方向按10 cm的間距開孔，將開關閥門設置在孔上以便進行樣本收集。試驗所使用的生物促生劑主要有嘧啶、嘌呤和礦物質。曝氣處理裝置設置高度不影響河道底泥，光照通過白熾燈提供，且光照時間控制在10 h/d，試驗溫度恒定在最容易產生黑臭現象的25℃水平，試驗時間60d，將圓柱形試驗裝置用錫箔紙包裹，防止白熾燈直接照射底泥。在試驗過程中每天都進行上覆水體試驗樣本COD、氨氮、總磷及底泥試驗樣本有機質等含量的監測。

圖1 圓柱形試驗裝置

3 試驗結果及分析

3.1 對上覆水COD的治理效果

根據圖2中臨泉縣城區水系河道上覆水COD治理結果，X1試驗組在治理過程中并無十分明顯的變化，對COD的去除率最大僅為6.98%；X2試驗組因摻加生物促生劑而使COD濃度增大，到第45 d達到最大峰值后COD含量急速下降，其對上覆水中COD的去除率達到43.1%；X3試驗組摻加生物促生劑并連續曝氣處理下上覆水COD含量增加至第35d并達到峰值后快速下降，其對上覆水中COD的去除率達53.6%；X4組摻加生物促生劑并間歇曝氣處理后，上覆水COD含量也于試驗開始后的第35 d達到峰值，此后以與X3試驗組相同的速率開始下降，試驗過程對COD的去除率為45.9%。

圖2 上覆水COD治理結果

在試驗水樣中摻加生物促生劑后導致COD含量上升并在較長時間段內持續保持高水平，主要因底泥有機污染物釋放至上覆水體所致，在摻加生物促生劑后導致試驗水體內土著微生物快速生長并產生降解底泥的作用，加速底泥污染物釋放。在曝氣的協同作用下加速水體內有機污染物降解的同時，導致COD含量降低，并使COD濃度峰值提前出現，使生物促生劑對黑臭水體的修復速度加快。針對上覆水體中COD含量的整體作用而言，摻加生物促生劑并連續曝氣處理的效果優于間歇曝氣處理效果。

3.2 對上覆水氨氮的治理

結合相關研究結果，氨氮是城市河道黑臭水體主要評價因子之一，本次試驗上覆水樣中氨氮主要來自取樣水體中原有氨氮以及底泥中有機氮發生氨化反應后產生的氨氮。根據圖3中臨泉縣城區水系河道上覆水體氨氮治理結果，X1試驗組在治理過程中氨氮含量也明顯變化，其經過自然降解后對氨氮的去除率只有19.76%；X2試驗組因生物促生劑的摻加而使氨氮含量起初以較快速度增大，在第50 d時經歷峰值后趨于下降，直至實驗結束均保持較高水平，通過分析原因發現，生物促生劑的摻加使水樣內微生物生長速度加快，同時也加快了氨氮分解速率，導致水樣內溶解氧迅速消耗，底泥也持續發生厭氧分解反應，進而生成氨氮并不斷累積。X3和X4試驗組氨氮含量變化趨勢十分接近，分別在試驗開始后的30 d和20 d達到峰值后開始大幅度下降，對黑臭水體中氨氮的去除率分別達到98.9%和98.4%。充分表明，曝氣的協同作用使生物促生劑對黑臭水體中氨氮的去除效果有效增強，并使治理和修復時間大大縮短，主要原因在于，曝氣對黑臭水體中氨氮具有吹脫作用，曝氣所營造的好氧環境也能有效抑制[1]氨氮的產生并加速氨氮分解，達到治理黑臭水體的作用。

圖3 上覆水體氨氮治理結果

3.3 對上覆水總磷的治理

根據圖4中臨泉縣城區水系河道上覆水體總磷治理結果，X1試驗組總磷含量在試驗過程中并無十分顯著的變化，試驗過程中總磷含量的降低率僅為1.96%；X2試驗組總磷含量在試驗開始后的第35 d達到峰值后持續降低，試驗過程中總磷含量的降低率達到42.3%；X3試驗組總磷含量整體比X2試驗組低，而且試驗開始后總磷含量先呈降低趨勢，在第10 d后逐漸在較低水平趨于穩定；X4試驗組在試驗開始后其總磷含量表現出與X3試驗組相同的下降態勢，但是在試驗開始后的第10 d開始上升，第20 d開始下降，降至0.4 mg/L的水平后穩定變化，整個試驗過程對總磷的去除率達到74.1%，且間歇曝氣協同處理對總磷的去除效果整體優于連續曝氣。

圖4 上覆水體總磷治理結果

污染水體內的磷主要來自水體中原有、底泥有機磷轉化及底泥無機態磷轉化釋放、底泥溶解磷吸附釋放等渠道，底泥磷的釋放量主要受到試驗溫度、 pH值、 溶解氧、 微生物作用、

底泥懸浮作用、底棲動物作用等的綜合影響。結合相關研究結果，在底泥有機物發生好氧反應后，其內源磷因受到激發而快速釋放，供氧能有效抑制底泥內源磷的釋放。在本試驗開始后的前30 d，由于溶解氧較低，且底泥釋放內源磷較多，間歇曝氣處理方式下試驗水體內的總磷含量比連續曝氣處理方式高，第30 d后，則出現相反的情況。厭氧-耗氧交替作用下會增強聚磷菌作用，加速污染水體中磷的去除，所以，間歇曝氣去除總磷的協同效果優于連續曝氣。

3.4 對底泥有機質的治理

根據圖5中臨泉縣城區水系河道底泥有機質治理結果，X1試驗組底泥有機質含量無明顯變化，其余試驗組底泥有機質均呈下降趨勢，X2、X3、X4試驗組有機質含量降低幅度分別為4.9%、10.8%和25.4%，間歇曝氣對城市河道黑臭水體治理的協同作用顯然優于連續曝氣。

圖5 底泥有機質治理結果

4 結論

通過對上述臨泉縣城區水系河道黑臭水體生物促生劑處理及曝氣協同作用試驗的綜合分析發現：(1)僅采用生物促生劑修復城市河道黑臭水體效果并不理想，而加入曝氣后協同治理能取得較好效果，試驗過程結束后，試驗水體中COD含量、氨氮、總磷及底泥有機質等的降幅分別達到53.6%、98.9%、74.1%和25.4%；(2)間歇曝氣與連續曝氣治理效果較為接近，而間歇曝氣每天只需曝氣4 h，將溶解氧濃度控制在2.0 mg/L～3.0 mg/L范圍，所以結合臨泉縣城區水系實際情況，并綜合考慮設備及治理成本等方面，選擇生物促生劑修復城市河道黑臭水體和間歇曝氣協同的治理方案；(3)本文所提出的臨泉縣城區水系河道黑臭水體生物促生劑和曝氣協同修復措施能有效促進上覆水體和底泥內微生物的生長，為充分發揮該項修復措施的治理效果，應進行生物促生劑和曝氣協同作用下上覆水體和底泥內微生物種類、數量變動特征及微生物對黑臭水體的修復作用等的深入研究，以全面了解生物促生劑和曝氣協同的黑臭水體修復機理，對該技術的推廣應用提供借鑒指導。