生物促生劑修復(fù)城市河道黑臭水體的曝氣協(xié)同作用研究

吳霄琦

(安徽水安建設(shè)集團(tuán)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(qū)水系整治工作，分別在2013年～2017年間對城區(qū)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(jìn)行了整治。2019年開始，在前期水系整治成果的基礎(chǔ)上啟動(dòng)臨泉縣城區(qū)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(fù)措施對治理效率和效果至關(guān)重要，根據(jù)類似成功經(jīng)驗(yàn)，生物促生劑屬于城市河道黑臭水體微生物修復(fù)技術(shù)，將生物促生劑加入污染水體后通過促進(jìn)微生物生長達(dá)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(fù)方面已有較為廣泛的應(yīng)用。但是，在城市河道黑臭水體修復(fù)方面單獨(dú)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(yīng)用于河流湖泊治理修復(fù)的一種技術(shù)，曝氣治理成本主要受曝氣時(shí)間長短的影響，曝氣時(shí)間越短，則治理成本越低。本文主要對生物促生劑修復(fù)城市河道黑臭水體的曝氣協(xié)同作用進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)取樣

取樣在臨泉縣城區(qū)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(jìn)行，所采集樣本經(jīng)過初始污染濃度的分析發(fā)現(xiàn)，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(jī)質(zhì)含量為7.51%～8.84%。

為進(jìn)行生物促生劑修復(fù)臨泉縣城區(qū)河道黑臭水體曝氣協(xié)同效果對比分析，將試驗(yàn)過程中上覆水深和底泥厚度均設(shè)定為0.5 m，考慮到試驗(yàn)過程中檢測取水及蒸發(fā)等的影響，應(yīng)定時(shí)將所取臨泉縣城區(qū)水系原樣水注入試驗(yàn)裝置。為進(jìn)行城市黑臭水體生物促生劑修復(fù)過程中曝氣協(xié)同作用分析，及曝氣方式和曝氣量的量化確定，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組對照試驗(yàn)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(shí)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(xù)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(jìn)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(jìn)兼氣性微生物生長而達(dá)到上覆水和底泥污染物降解的作用。

2.2 試驗(yàn)儀器及裝置

試驗(yàn)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(yàn)裝置按直徑15 cm、高100 cm的圓柱形設(shè)計(jì)(見圖1)，且沿裝置長度方向按10 cm的間距開孔，將開關(guān)閥門設(shè)置在孔上以便進(jìn)行樣本收集。試驗(yàn)所使用的生物促生劑主要有嘧啶、嘌呤和礦物質(zhì)。曝氣處理裝置設(shè)置高度不影響河道底泥，光照通過白熾燈提供，且光照時(shí)間控制在10 h/d，試驗(yàn)溫度恒定在最容易產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象的25℃水平，試驗(yàn)時(shí)間60d，將圓柱形試驗(yàn)裝置用錫箔紙包裹，防止白熾燈直接照射底泥。在試驗(yàn)過程中每天都進(jìn)行上覆水體試驗(yàn)樣本COD、氨氮、總磷及底泥試驗(yàn)樣本有機(jī)質(zhì)等含量的監(jiān)測。

圖1 圓柱形試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 對上覆水COD的治理效果

根據(jù)圖2中臨泉縣城區(qū)水系河道上覆水COD治理結(jié)果，X1試驗(yàn)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(yàn)組因摻加生物促生劑而使COD濃度增大，到第45 d達(dá)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(dá)到43.1%；X3試驗(yàn)組摻加生物促生劑并連續(xù)曝氣處理下上覆水COD含量增加至第35d并達(dá)到峰值后快速下降，其對上覆水中COD的去除率達(dá)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(yàn)開始后的第35 d達(dá)到峰值，此后以與X3試驗(yàn)組相同的速率開始下降，試驗(yàn)過程對COD的去除率為45.9%。

圖2 上覆水COD治理結(jié)果

在試驗(yàn)水樣中摻加生物促生劑后導(dǎo)致COD含量上升并在較長時(shí)間段內(nèi)持續(xù)保持高水平，主要因底泥有機(jī)污染物釋放至上覆水體所致，在摻加生物促生劑后導(dǎo)致試驗(yàn)水體內(nèi)土著微生物快速生長并產(chǎn)生降解底泥的作用，加速底泥污染物釋放。在曝氣的協(xié)同作用下加速水體內(nèi)有機(jī)污染物降解的同時(shí)，導(dǎo)致COD含量降低，并使COD濃度峰值提前出現(xiàn)，使生物促生劑對黑臭水體的修復(fù)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(xù)曝氣處理的效果優(yōu)于間歇曝氣處理效果。

3.2 對上覆水氨氮的治理

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果，氨氮是城市河道黑臭水體主要評價(jià)因子之一，本次試驗(yàn)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(jī)氮發(fā)生氨化反應(yīng)后產(chǎn)生的氨氮。根據(jù)圖3中臨泉縣城區(qū)水系河道上覆水體氨氮治理結(jié)果，X1試驗(yàn)組在治理過程中氨氮含量也明顯變化，其經(jīng)過自然降解后對氨氮的去除率只有19.76%；X2試驗(yàn)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(shí)經(jīng)歷峰值后趨于下降，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束均保持較高水平，通過分析原因發(fā)現(xiàn)，生物促生劑的摻加使水樣內(nèi)微生物生長速度加快，同時(shí)也加快了氨氮分解速率，導(dǎo)致水樣內(nèi)溶解氧迅速消耗，底泥也持續(xù)發(fā)生厭氧分解反應(yīng)，進(jìn)而生成氨氮并不斷累積。X3和X4試驗(yàn)組氨氮含量變化趨勢十分接近，分別在試驗(yàn)開始后的30 d和20 d達(dá)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(dá)到98.9%和98.4%。充分表明，曝氣的協(xié)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(qiáng)，并使治理和修復(fù)時(shí)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(huán)境也能有效抑制[1]氨氮的產(chǎn)生并加速氨氮分解，達(dá)到治理黑臭水體的作用。

圖3 上覆水體氨氮治理結(jié)果

3.3 對上覆水總磷的治理

根據(jù)圖4中臨泉縣城區(qū)水系河道上覆水體總磷治理結(jié)果，X1試驗(yàn)組總磷含量在試驗(yàn)過程中并無十分顯著的變化，試驗(yàn)過程中總磷含量的降低率僅為1.96%；X2試驗(yàn)組總磷含量在試驗(yàn)開始后的第35 d達(dá)到峰值后持續(xù)降低，試驗(yàn)過程中總磷含量的降低率達(dá)到42.3%；X3試驗(yàn)組總磷含量整體比X2試驗(yàn)組低，而且試驗(yàn)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(wěn)定；X4試驗(yàn)組在試驗(yàn)開始后其總磷含量表現(xiàn)出與X3試驗(yàn)組相同的下降態(tài)勢，但是在試驗(yàn)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(wěn)定變化，整個(gè)試驗(yàn)過程對總磷的去除率達(dá)到74.1%，且間歇曝氣協(xié)同處理對總磷的去除效果整體優(yōu)于連續(xù)曝氣。

圖4 上覆水體總磷治理結(jié)果

污染水體內(nèi)的磷主要來自水體中原有、底泥有機(jī)磷轉(zhuǎn)化及底泥無機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)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(yàn)溫度、 pH值、 溶解氧、 微生物作用、

底泥懸浮作用、底棲動(dòng)物作用等的綜合影響。結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果，在底泥有機(jī)物發(fā)生好氧反應(yīng)后，其內(nèi)源磷因受到激發(fā)而快速釋放，供氧能有效抑制底泥內(nèi)源磷的釋放。在本試驗(yàn)開始后的前30 d，由于溶解氧較低，且底泥釋放內(nèi)源磷較多，間歇曝氣處理方式下試驗(yàn)水體內(nèi)的總磷含量比連續(xù)曝氣處理方式高，第30 d后，則出現(xiàn)相反的情況。厭氧-耗氧交替作用下會(huì)增強(qiáng)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(xié)同效果優(yōu)于連續(xù)曝氣。

3.4 對底泥有機(jī)質(zhì)的治理

根據(jù)圖5中臨泉縣城區(qū)水系河道底泥有機(jī)質(zhì)治理結(jié)果，X1試驗(yàn)組底泥有機(jī)質(zhì)含量無明顯變化，其余試驗(yàn)組底泥有機(jī)質(zhì)均呈下降趨勢，X2、X3、X4試驗(yàn)組有機(jī)質(zhì)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(xié)同作用顯然優(yōu)于連續(xù)曝氣。

圖5 底泥有機(jī)質(zhì)治理結(jié)果

4 結(jié)論

通過對上述臨泉縣城區(qū)水系河道黑臭水體生物促生劑處理及曝氣協(xié)同作用試驗(yàn)的綜合分析發(fā)現(xiàn)：(1)僅采用生物促生劑修復(fù)城市河道黑臭水體效果并不理想，而加入曝氣后協(xié)同治理能取得較好效果，試驗(yàn)過程結(jié)束后，試驗(yàn)水體中COD含量、氨氮、總磷及底泥有機(jī)質(zhì)等的降幅分別達(dá)到53.6%、98.9%、74.1%和25.4%；(2)間歇曝氣與連續(xù)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(jié)合臨泉縣城區(qū)水系實(shí)際情況，并綜合考慮設(shè)備及治理成本等方面，選擇生物促生劑修復(fù)城市河道黑臭水體和間歇曝氣協(xié)同的治理方案；(3)本文所提出的臨泉縣城區(qū)水系河道黑臭水體生物促生劑和曝氣協(xié)同修復(fù)措施能有效促進(jìn)上覆水體和底泥內(nèi)微生物的生長，為充分發(fā)揮該項(xiàng)修復(fù)措施的治理效果，應(yīng)進(jìn)行生物促生劑和曝氣協(xié)同作用下上覆水體和底泥內(nèi)微生物種類、數(shù)量變動(dòng)特征及微生物對黑臭水體的修復(fù)作用等的深入研究，以全面了解生物促生劑和曝氣協(xié)同的黑臭水體修復(fù)機(jī)理，對該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒指導(dǎo)。