底部曝氣對黑臭水體處理效果的實驗室模擬研究

文 倩，張清東，茍俊莉，張 魏，李文夢

(西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621000)

【研究意義】水污染防治行動計劃指出到2020年地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10 %以內(nèi)，到2030年城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除，而現(xiàn)階段黑臭水體污染形勢依然嚴峻[1-3]。曝氣增氧因其投資少、見效快、占地面積小等優(yōu)點被廣泛的運用于國內(nèi)外黑臭水體治理中[4-5]。因此，探討最佳曝氣量和曝氣時間對治理黑臭水體具有指導意義。【前人研究進展】王美麗等[6]研究了曝氣對黑臭河道污染物釋放的影響，研究表明曝氣加速了底泥污染物釋放，隨著水體中DO量增加，水體污染物濃度快速下降。M Kim等[7]研究了不同曝氣深度對底泥產(chǎn)生擾動程度不同，但未探討曝氣對底泥修復效果。在黑臭水體治理中，關(guān)于曝氣量和曝氣時間對黑臭水體底泥處理效果的影響報道較少?！颈狙芯壳腥朦c】本研究建立一個底部曝氣系統(tǒng)，以曝氣量和曝氣時間為變量，以COD、NH3-N、TN、TP以及底泥有機質(zhì)、生物降解能力、底泥厚度作為監(jiān)測指標，探究曝氣對黑臭水體處理效果。【擬解決的關(guān)鍵問題】為此，試驗主要考察靜置和底部曝氣過程中底泥與上覆水的理化性質(zhì)及系統(tǒng)穩(wěn)定性，以期為曝氣實際應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

1.1.1 水樣采集 水樣采自西南科技大學東區(qū)護校河(104°69′E，31°54′N)，采集方式按照地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(HJ/T 91-2002)要求執(zhí)行。采集后的水樣經(jīng)過濾，濾去藻類等浮游生物，減少對試驗的影響。

表1 試驗底泥及上覆水理化性

1.1.2 底泥采集 采用柱狀采樣器采集西南科技大學東區(qū)護校河(104°69′E，31°54′N)河床表層10 cm左右厚度的底泥，去除其中石塊、動植物殘體、塑料等雜物，混合均勻，濾去水分，裝入黑色塑料袋中。

1.2 試驗裝置

如圖1所示，反應裝置為自制透明有機玻璃柱(高×直徑：35 cm×20 cm)。圓筒底部鋪設(shè)厚度10 cm底泥，用虹吸法注入深度為20 cm上覆水，盡量避免底泥的擾動。底部曝氣將曝氣頭安置其底泥中間，使底泥充分懸浮。自底部開始每隔5 cm開孔(孔徑1 cm)，小孔裝有門閥供取樣使用。

1.3 試驗方法

1.3.1 曝氣量試驗 試驗設(shè)5組，1組為對照組，不進行任何處理；2～5組分別以0.5、1、2、4 L/min曝氣，在曝氣6 h條件下運行，曝氣結(jié)束前5 min取底泥與上覆水進行測定分析。

1.3.2 曝氣時間試驗 試驗設(shè)5組，A組為對照，不進行任何處理，B-E組以最佳曝氣量，分別曝氣3、6、9、12 h曝氣處理。每天曝氣結(jié)束前5 min取樣測定上覆水與底泥污染物含量。實驗過程中由于蒸發(fā)和取樣需及時補充上覆水，補充用水采自同一采樣地。

1.4 測定方法

1.4.1 水樣測定方法 COD：快速消解分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.4.2 底泥測定方法 底泥有機質(zhì)的測定參考土壤有機質(zhì)的檢測方法[8]，采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定有機碳含量后，再乘以“Van Bemmelen因數(shù)”1.724計算得出有機質(zhì)的含量；削減效果(削減厚度)：測量法；生物降解能力G值[9]：取0.2 g底泥加入250 mL三角瓶中，再加入100 mL煮沸10 min的河水，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱振蕩6 h后，取30 mL水樣靜置30 min，檢測振蕩前后COD值，并計算生物降解能力G值，計算公式如下：

式中：G——生物降解能力kg/(kg·h)；C1,C2——試驗前后水體COD值，mg/L；V——河水體積，100 mL；q——底泥干重，0.2 g；t——振蕩時間，6 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 曝氣量對底泥與上覆水中污染物處理效果

2.1.1 曝氣量對上覆水中污染物處理效果 COD反應了水體中受還原性物質(zhì)污染的程度[10]。COD的去除主要是通過溶解氧(DO)與H2S、FeS、NH3等還原物質(zhì)之間發(fā)生氧化還原反應來完成。圖2可得，0.5、1、2、4 L/min對COD去除率分別為24.96 %、32.73 %、51.68 %、42.52 %。試驗表明，水體DO水平較高時，更易氧化H2S、FeS、NH3等還原性污染物質(zhì)，但DO過高時，會導致不能完全形成好氧-缺氧交替變化的環(huán)境，從而影響COD的去除效果。

水體中存在的大量N、P營養(yǎng)鹽是造成富營養(yǎng)化的重要原因，利用曝氣技術(shù)在一定程度上能減少N、P含量。從圖2可看出，曝氣對NH3-N、TN和TP均有去除效果，總體去除率依次為：2 L/min >4 L/min >1 L/min >0.5 L/min。可能去除效果與曝氣強度所產(chǎn)生氣泡數(shù)量有關(guān)，氣泡數(shù)量越多，氣泡易聚并形成體積較大氣泡，較大氣泡所受浮力大，上升速度快，HRT短，不利于長時間保持水體中DO含量，以致對污染物去除率低；而低強度曝氣產(chǎn)生的氣泡數(shù)量少，與氣液相界面接觸的面積小，不利于氧傳遞，從而對NH3-N、TN和TP降解緩慢。

圖2 不同底部曝氣量對上覆水污染物去除率Fig.2 Removal rate of overlying water pollutants with different bottom aeration

2.1.2 曝氣量對底泥中污染物處理效果 如圖3所示，0.5、1、2、4 L/min對有機質(zhì)和底泥厚度的削減量分別為23.96 %、30.41 %、44.51 %、31.48 %和17.9 %、21.2 %、37.7 %、34.6 %，可見2 L/min的曝氣強度對有機質(zhì)和底泥厚度降解效果最好。原因可能是曝氣強度越強，底泥擾動越劇烈，會使底泥與上覆水混合，混合后泥水混合物會再次沉降，這個過程中含水率有所下降，而底泥含水率低不利于氧的傳遞，因此2 L/min比4 L/min對有機質(zhì)和底泥厚度削減效果更好；曝氣強度越弱，對底泥的攪動作用越不明顯，使少量有機質(zhì)和底泥污染物釋放到上覆水中，從而影響黑臭底泥的降解效果。經(jīng)曝氣2 L/min處理后的黑臭底泥由黑色變?yōu)楹稚?，氣味由強轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@，水體透明度較處理前有所提高。

2.1.3 曝氣量對生物降解能力的影響 底泥的生物降解能力(G值)可作為評定底泥微生物活性的重要指標，是對上覆水凈化能力的直接反應[11]。不同DO量對底泥活性恢復、提高降解能力的影響截然不同，致使底泥G值的增長幅度不同。如圖4所示，0.5、1、2、4 L/min的G值依次增長116.67 %、170.83 %、350 %、287.5 %，表明曝氣量為2 L/min時G值增長最快。

圖3 不同底部曝氣量對底泥污染物削減量Fig.3 Reduction of sediment pollutants with different bottom aeration

圖4 不同底部曝氣量對生物降解能力增長率的影響Fig.4 Effect of different bottom aeration on biodegradability rate

2.2 曝氣時間對底泥與上覆水中污染物處理效果

2.2.1 曝氣時間對上覆水中污染物處理效果 如圖5所示，曝氣3、6、9、12 h對上覆水中COD和TP去除率分別為31.27 %、48.93 %、55.81 %、42.7 %和26.6 %、50 %、67.02 %、38.3 %。曝氣產(chǎn)生氣泡中的氧通過氣-液傳質(zhì)進入水體，使底泥與上覆水中DO含量升高，好氧微生物活性增強，但不同曝氣時間所產(chǎn)生的DO量不同，好氧微生物活性不一，從而對上覆水中COD和TP的凈化效果不同。曝氣9 h后COD和TP達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的Ⅳ類標準。

圖5 不同底部曝氣時間對上覆水污染物去除率Fig.5 Reduction of overlying water pollutants with different bottom aeration periods

圖6 不同底部曝氣時間對底泥污染物削減量Fig.6 Removal rate of sediment pollutants with different bottom aeration periods

2.2.2 曝氣時間對底泥中污染物處理效果 從圖6顯示，不同曝氣時間對底泥污染物削減量的影響。3、6、9、12 h對有機質(zhì)和底泥厚度的削減量為：29.51 %、43.94 %、48.75 %、33.12 %和27.4 %、36.6 %、47.9 %、36 %。從削減量看，曝氣9 h對底泥有機質(zhì)分解效果最好。可能是由于當DO水平較高時，在好氧菌的作用下有機質(zhì)會快速降解；而DO含量低時，部分有機物也會得到降解，只是降解速度較慢。試驗結(jié)束后，經(jīng)曝氣9 h的水體黑臭現(xiàn)象有所改善，底泥由黑色變?yōu)榛疑?，水體透明度提高，氣味由強轉(zhuǎn)變?yōu)槿酢?/p>

2.2.3 曝氣時間對生物降解能力的影響 如圖7所示，3、6、9、12 h的G值增長率為228.57 %、319.05 %、452.38 %、357.14 %，其中，曝氣9 h時，G值提高了5.52倍，微生物G值恢復最快，反映出底部曝氣這一曝氣時間時，微生物更適宜在黑臭水體環(huán)境中生長繁殖。如前所述，不同DO量對底泥活性恢復、提高降解能力的影響不同，從而影響去除率。在底泥生物修復試驗中，底部曝氣的最佳曝氣時間為9 h，對生物氧化污染底泥、增強微生物降解有機污染物的能力起到較好的促進作用。

圖7 不同底部曝氣時間對生物降解能力增長率的影響Fig.7 Effect of biodegradability rate with different bottom aeration periods

圖8 不同底部曝氣量中污染物穩(wěn)定的天數(shù)Fig.8 Days of pollutant stabilization in different bottom aeration

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

2.3.1 曝氣量穩(wěn)定性分析 在系統(tǒng)運行38 d后，各曝氣量組污染物濃度均趨于穩(wěn)定。從圖8可以看出，污染物穩(wěn)定天數(shù)長短為：2 L/min<4 L/min<1 L/min<0.5 L/min，2 L/min曝氣條件下COD、NH3-N、TN、TP以及生物降解能力、有機質(zhì)、底泥厚度穩(wěn)定天數(shù)分別為19、23、24、21、17、26、28 d。4 L/min的COD達到穩(wěn)定天數(shù)比2 L/min短，可能是4 L/min的DO量大于2 L/min，最先充分氧化H2S、FeS、NH3等還原性污染物質(zhì)。且如圖2所示，經(jīng)2 L/min曝氣后，雖NH3-N去除率低于4 L/min，但總體污染物去除率最高，表明2 L/min的曝氣量對污染物降解效果最佳且運行天數(shù)最短。

2.3.2 曝氣時間穩(wěn)定性分析 由圖9顯示，在最佳曝氣量下，不同曝氣時間污染物穩(wěn)定所需天數(shù)。系統(tǒng)34 d后穩(wěn)定，曝氣9 h除TP穩(wěn)定天數(shù)高于12 h外，其余污染物穩(wěn)定天數(shù)均低于其他曝氣時間組?？赡苁怯捎诘啄嘀械腜釋放主要受到DO、溫度和水擾動的影響，而曝氣12 h的DO量大于其他曝氣組，使底泥中P最先釋放到上覆水中，故此TP達到穩(wěn)定天數(shù)最短。

3 討 論

通過曝氣量和曝氣時間對黑臭水體污染物降解效果可知，4種曝氣量和曝氣時間均能降低污染物含量，改善水質(zhì)。但是，不同曝氣強度對上覆水污染物去除率及底泥削減量的影響差異大，試驗結(jié)果得出曝氣量為2 L/min對上覆水COD、NH3-N、TN、TP及底泥有機質(zhì)、底泥厚度的修復效果最佳，G值增長率最大，試驗共運行28 d后穩(wěn)定，證明了2 L/min的曝氣強度處理黑臭水體具有一定的可行性。

DO是反映水環(huán)境狀況的重要指標，可通過提高DO濃度，達到消除黑臭。但DO濃度過高，運行成本高；DO濃度低，達不到消除黑臭的目的。試驗中，曝氣9 h產(chǎn)生的DO濃度對黑臭水體降解效果較好，且運行24 d后污染物達到穩(wěn)定，加快了修復進度。

圖9 不同底部曝氣時間中污染物穩(wěn)定的天數(shù)Fig.9 Day of pollutant stabilization in different bottom aeration periods

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，曝氣量為2 L/min、曝氣時間為9 h時，對黑臭水體處理效果最佳。上覆水中COD、NH3-N、TN及TP去除率分別達55.81 %、61.99 %、48.42 %、67.02 %，底泥有機質(zhì)及底泥厚度削減量依次為48.75 %和47.9 %，生物降解能力提高到1.16 g/kg·h，試驗運行24 d后趨于穩(wěn)定。經(jīng)曝氣處理后的COD和TP可達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的Ⅳ類標準，但單一底部曝氣法難以使各項指標達標，因此在實際工程運用中，底部曝氣方式也可與其他修復方法聯(lián)合使用。