曝氣+底泥改良劑修復(fù)黑臭水體污染底泥*

曹 琳 劉 煌 許國靜 王圖錦

(1.招商局生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰荆貞c 400067；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

城市內(nèi)河、湖庫受到人類生產(chǎn)生活的影響而遭受污染，過量的有機(jī)污染物被分解會迅速消耗水體中的溶解氧，復(fù)氧量遠(yuǎn)低于耗氧量，使得水體處于缺氧甚至厭氧狀態(tài)，厭氧還原環(huán)境中產(chǎn)生大量FeS和MnS等致黑物質(zhì)，同時(shí)微生物代謝產(chǎn)生大量硫醇、硫醚、有機(jī)胺、H2S和NH3等致臭氣體，使得水體呈黑臭狀態(tài)[1]。當(dāng)前諸多城市內(nèi)河、景觀湖庫水環(huán)境黑臭現(xiàn)象還較突出，嚴(yán)重?fù)p害城市人居環(huán)境，影響城市形象。對黑臭水體的治理迫在眉睫，這對于提高城市環(huán)境質(zhì)量和人居生活水平具有重要意義。由于污染物進(jìn)入水體后大量蓄積于底泥，使水體呈現(xiàn)內(nèi)源污染現(xiàn)象，因此對污染底泥進(jìn)行有效治理，是解決水體黑臭現(xiàn)象的關(guān)鍵。

底泥深層曝氣是一種國內(nèi)外治理水體黑臭現(xiàn)象的常用技術(shù)，通過向深層底泥中強(qiáng)制曝氣，加速復(fù)氧過程，激活水體中的土著微生物群落，能強(qiáng)化污染物的好氧分解及轉(zhuǎn)化過程，抑制內(nèi)源氮磷營養(yǎng)鹽的釋放，削減污染底泥厚度，達(dá)到修復(fù)黑臭水體的目的[2-4]。曝氣技術(shù)在黑臭水體治理中得到廣泛應(yīng)用，但其應(yīng)用方式較單一粗放，進(jìn)一步深化研究曝氣技術(shù)與其他底泥修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用，選擇更經(jīng)濟(jì)可行、長久有效的底泥修復(fù)技術(shù)對黑臭水體的治理具有重要意義。

本研究采用黏土基質(zhì)材料、復(fù)合微生物菌種、微生物營養(yǎng)素、稀土鑭等制備了一種復(fù)合的底泥改良劑，通過與曝氣技術(shù)聯(lián)用，以期迅速改善底泥理化性狀和氧化性，在消除底泥黑臭現(xiàn)象的同時(shí)，穩(wěn)固底泥中營養(yǎng)鹽成分，抑制營養(yǎng)鹽的過量釋放，從而達(dá)到長效治理水體污染的目的。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

本實(shí)驗(yàn)裝置采用內(nèi)部直徑30 cm、高50 cm的塑料桶，每個(gè)桶底部鋪設(shè)10 cm厚的底泥，覆水30 cm，具體見圖1。上覆水采自一景觀水池，經(jīng)過200 μm孔徑的篩網(wǎng)過濾后注入實(shí)驗(yàn)裝置中。底泥采集自重慶市望月湖，使用前采用1 cm孔徑的篩網(wǎng)去除底泥中的枯枝、石塊等雜質(zhì)，攪拌混勻后分裝于實(shí)驗(yàn)裝置中。底泥理化性狀見表1。底泥呈松散泥漿狀，有明顯的黑臭特征，含水率高達(dá)76%，氮磷營養(yǎng)鹽及有機(jī)質(zhì)含量較高，硫化物和Fe2+分別達(dá)到395、136 mg/kg，pH呈中性。

表1 底泥的理化特征

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

底泥改良劑的制備：配制1 L 5 μmol/L的LaCl3溶液，加入20 g膨潤土后連續(xù)攪拌5 h，靜置熟化24h，再用Na2CO3溶液調(diào)pH至8左右，繼續(xù)攪拌1 h，離心并洗滌后加入10 mL復(fù)合芽孢桿菌菌液(細(xì)菌成分為枯草芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌，總菌濃度為2×109個(gè)/mL)，攪拌混勻，最后使用冷凍干燥法干燥制得。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 底泥修復(fù)方法

底泥修復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理(見表2)。實(shí)驗(yàn)期間每日靜置1 h后取底泥分析理化指標(biāo)變化特征，包括硫化物、有機(jī)質(zhì)、Fe2+和氨氮含量，以及熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性，修復(fù)完成后分析底泥中磷形態(tài)變化特征。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復(fù)的影響

底泥改良劑劑量設(shè)置為20 g，實(shí)驗(yàn)10 d后考察曝氣量(0～0.4 L/min)對底泥修復(fù)效果的影響；曝氣量設(shè)置為0.2 L/min，實(shí)驗(yàn)10 d后考察底泥改良劑劑量(0～40 g)對底泥修復(fù)效果的影響。

1.2.3 修復(fù)底泥對沉水植物生長的影響

選用G1～G4修復(fù)完成后的底泥栽種沉水植物。購買長勢健壯一致的苦草(Vallisnerianatans)和伊樂藻(Elodeanuttallii)幼苗，采用扦插方式分桶種植，苦草、伊樂藻每桶分別種植15、20株。4個(gè)處理分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)，2021年3月20日種植，4月20日收獲，共30 d。植株取出后用清水洗凈，測定植株分枝數(shù)、植株鮮質(zhì)量、植株地上/地下部分鮮質(zhì)量、丙二醛(MDA)含量等。

1.3 檢測方法

底泥理化指標(biāo)參照文獻(xiàn)[5]進(jìn)行測試。底泥中的磷形態(tài)劃分為弱吸附態(tài)磷(NH4Cl-P)、可還原態(tài)磷(BD-P)、有機(jī)磷(Org-P)、金屬氧化物結(jié)合態(tài)磷(NaOH-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(HCl-P)和殘?jiān)鼞B(tài)磷(Ref-P)，參照文獻(xiàn)[6]進(jìn)行分析。植株鮮質(zhì)量和MDA含量參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行測定。FDA水解酶活性參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行檢測。

植株相對生長率(RGR，g/(g·d))計(jì)算公式[9]如下：

(1)

式中：Wi、Wf分別為實(shí)驗(yàn)前、后植株的鮮質(zhì)量，g；D為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，d。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS 15.0軟件對數(shù)據(jù)組進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)方式對底泥理化性質(zhì)的影響

不同修復(fù)方式處理后底泥黑臭性狀發(fā)生不同變化，G1和G3底泥仍舊呈現(xiàn)黑臭特征，而G2和G4底泥黑臭現(xiàn)象得到徹底消除，底泥呈黃褐色，無臭味。修復(fù)過程中底泥的理化特征變化見圖2。G1底泥理化性質(zhì)無較大變化，各項(xiàng)污染物含量仍舊很高。G2經(jīng)過處理，至修復(fù)結(jié)束，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至68、41、20 mg/kg，有機(jī)質(zhì)降低至5.28%，降幅分別為83%、70%、53%、22%。曝氣消除底泥黑臭的原理在于致黑致臭物質(zhì)與硫酸鹽還原菌、鐵還原菌、甲烷氧化菌等厭氧微生物的代謝息息相關(guān)，曝氣能改變底泥中的氧化還原電位，使得底泥由厭氧還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸癄顟B(tài)，抑制這類厭氧菌的生長，從而阻斷致黑致臭物質(zhì)的生成[10-11]。同時(shí)，曝氣能顯著提高底泥中與有機(jī)污染物降解相關(guān)的好氧微生物種群數(shù)量，氧化分解黑臭底泥中的硫化物、硫醚、硫醇等致黑致臭物質(zhì)，從而消除底泥黑臭現(xiàn)象[12-13]。G4對黑臭底泥修復(fù)效果優(yōu)于G2，前期污染物去除快于G2，表明底泥改良劑能加速污染物的去除，底泥黑臭現(xiàn)象得到快速消除；同時(shí)，G4對污染物的最終去除率也高于G2，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至45、38、13 mg/kg，有機(jī)質(zhì)降低至5.11%，降幅分別為89%、72%、70%、25%。可見，底泥改良劑對于底泥修復(fù)具有一定促進(jìn)作用，這主要是因?yàn)榈啄喔牧紕┲械难挎邨U菌發(fā)揮了重要作用，芽孢桿菌含有豐富的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，能加速氧化分解有機(jī)污染物和氨氮[14-15]。由于芽孢桿菌是一類好氧細(xì)菌，其氧化分解作用離不開好氧環(huán)境，使用過程施加曝氣措施能顯著發(fā)揮菌種的氧化性能，而在缺乏充足氧氣條件下單用底泥改良劑對底泥并無顯著修復(fù)效果，使得G3的黑臭現(xiàn)象未能消除。

圖2 修復(fù)過程中底泥的理化特征變化

曝氣是消除底泥黑臭現(xiàn)象的關(guān)鍵，曝氣量對黑臭底泥的修復(fù)效果必然具有重要影響，同時(shí)底泥改良劑性能的發(fā)揮也依賴于曝氣條件，選擇合適的曝氣量及底泥改良劑劑量對于黑臭底泥的有效修復(fù)和成本控制具有重要價(jià)值。曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復(fù)的影響見圖3。隨著曝氣量的增大，污染物去除率逐漸提高，當(dāng)曝氣量達(dá)到0.2 L/min后，再增大曝氣量對污染物去除率的提高幅度較小。因此，采用0.2 L/min的曝氣量能取得良好的修復(fù)效果，有效消除底泥黑臭現(xiàn)象。底泥改良劑的引入對于污染物的去除效果具有一定提升作用，尤其是加大底泥改良劑劑量對氨氮去除的提高幅度較大，當(dāng)?shù)啄喔牧紕﹦┝繛?0 g時(shí)，氨氮去除率比無底泥改良劑時(shí)提高了17百分點(diǎn)。超過20 g后再增大底泥改良劑劑量，對污染物去除率的提升幅度減小。綜合來看，底泥黑臭治理宜選用0.2 L/min曝氣量和20 g底泥改良劑。

圖3 曝氣量和底泥改良劑劑量對底泥修復(fù)的影響

2.2 修復(fù)前后底泥磷形態(tài)變化特征

磷在底泥中的賦存形態(tài)是影響磷穩(wěn)定性、釋放風(fēng)險(xiǎn)及生物有效性的關(guān)鍵性因素。底泥中的活性磷組分(包括NH4Cl-P、BD-P和Org-P)是穩(wěn)定性較差的磷形態(tài)，容易因水環(huán)境因素變化的影響而向上覆水釋放，NaOH-P、HCl-P和Ref-P是底泥中惰性較高的組分，難以被生物利用，穩(wěn)定性較高，不容易釋放[16-18]。修復(fù)前后底泥磷形態(tài)的變化見圖4。相比修復(fù)前，G1底泥磷形態(tài)未有明顯變化；G2的BD-P大幅度降低，降幅為43%，而NaOH-P和HCl-P增加明顯，增幅分別為18%和25%，可見曝氣對底泥中磷的穩(wěn)定化具有一定效果，這與文獻(xiàn)[19]、[20]報(bào)道一致，曝氣創(chuàng)造的氧化環(huán)境促進(jìn)鐵錳等金屬離子形成氧化態(tài)鐵錳，吸附鈍化內(nèi)源磷形成穩(wěn)定性更高的磷形態(tài)；底泥改良劑強(qiáng)化了底泥磷形態(tài)向HCl-P的轉(zhuǎn)變，G3和G4的HCl-P明顯增長，增幅分別為53%和73%。底泥改良劑對磷的穩(wěn)定化機(jī)制主要是底泥改良劑中稀土鑭成分對活性磷具有很強(qiáng)的親和力，能反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷鑭鐠礦，磷鑭鐠礦的老化進(jìn)一步生成更穩(wěn)定的獨(dú)居石(LaPO4)，被稀土鑭固定的磷在分級提取過程以HCl-P形式存在，使得底泥中的磷形態(tài)發(fā)生變化[21]。

圖4 修復(fù)前后底泥磷形態(tài)的變化

2.3 修復(fù)前后底泥FDA水解酶活性變化特征

FDA水解酶活性是評價(jià)微生物生物氧化性能的重要指標(biāo)，能反映底泥對污染物的生物氧化能力。由圖5可見，G2、G4的FDA水解酶活性逐漸上升，最高分別達(dá)到288、295 μg/(g·h)，之后又有所下降。G4的FDA水解酶活性上升更快速，說明底泥改良劑中高活性微生物菌種的引入有助于迅速提升底泥FDA水解酶活性。未曝氣的G1和G3，F(xiàn)DA水解酶活性并無較大變化，可見即使引入高活性菌種，強(qiáng)烈厭氧環(huán)境也不利于其增殖及提高底泥微生物活性。

圖5 修復(fù)過程中底泥FDA水解酶活性的變化

2.4 修復(fù)底泥對植株生長的影響

2.4.1 植株的生長情況

由表3可見，經(jīng)曝氣處理，G2和G4植株均達(dá)到100%成活率，而G1的伊樂藻、苦草的成活率僅為65%、80%。G2植株的鮮質(zhì)量、相對生長速率和伊樂藻的分枝數(shù)均高于G1和G3。曝氣能提高植株的成活率，促進(jìn)植株的生長，其原因在于曝氣處理后，底泥從厭氧還原狀態(tài)轉(zhuǎn)為好氧狀態(tài)，增強(qiáng)了底泥的氧化性，解除了對植株生長的抑制作用[22-23]。對比G2和G4，添加底泥改良劑對植株的生長具有一定影響。G2的植株結(jié)束鮮質(zhì)量、相對生長率均顯著高于G4(P<0.05)。添加底泥改良劑后植株生長速度受到一定抑制，其原因在于底泥改良劑增強(qiáng)了底泥中磷形態(tài)的穩(wěn)定性，磷更難被植株所吸收利用，而植株的過度生長受到抑制這對于水生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定是有利的。

表3 植物的生長特征

2.4.2 植株形態(tài)特征

由圖6可見，G2和G4的植株地下、地上部分鮮質(zhì)量均高于G1和G3，尤其是地上部分增長量較大。對比G2和G4，G4中伊樂藻、苦草的地上部分鮮質(zhì)量(91、78 g)低于G2(126、96 g)；G4中伊樂藻、苦草根冠比(0.23、0.18)顯著高于G2(0.09、0.12)(P<0.05)，底泥改良劑提高了植株的根冠比。其原因?yàn)榈啄喔牧紕┑囊?，對底泥中磷的固定化作用更?qiáng)，使得底泥生物可利用性磷含量低于G2，這促進(jìn)了植株根系的發(fā)育，以利于植株從底質(zhì)環(huán)境中吸收充足的營養(yǎng)鹽。這與文獻(xiàn)[24]、[25]報(bào)道相符，在低營養(yǎng)底質(zhì)環(huán)境中，沉水植物的生長受到脅迫，迫使植株分配較多的鮮質(zhì)量于根部，促進(jìn)了根系的生長，而一定程度上抑制了地上組織的生長，使得根冠比偏高。

圖6 植株形態(tài)特征

2.4.3 植株MDA

植株生長處于衰老階段或是受到環(huán)境因素脅迫時(shí)，細(xì)胞膜脂常發(fā)生過氧化作用，造成細(xì)胞膜損傷，MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的重要產(chǎn)物之一，通過測定MDA含量可反映植株細(xì)胞膜脂過氧化強(qiáng)度和受破壞程度，掌握植株健康狀況[26-27]。G1、G2、G3、G4中伊樂藻的MDA分別為32.6、18.0、34.5、19.5 μmol/g，苦草的MDA分別為16.5、13.5、15.1、12.6 μmol/g?？梢?，由于底質(zhì)環(huán)境的改善，植株生長受到脅迫作用減弱，使得G2和G4的植株MDA顯著低于G1和G3(P<0.05)。同時(shí)，環(huán)境因素對不同植株生長的脅迫影響存在差異，G1中苦草MDA比G2高22%，伊樂藻高81%，可見相比伊樂藻，苦草對污染底泥的抗逆性更強(qiáng)，更能抵抗不利底質(zhì)環(huán)境對它的影響。

3 結(jié) 論

(1) 底泥采用曝氣+底泥改良劑方式進(jìn)行修復(fù)，消除了底泥黑臭狀態(tài)，硫化物、Fe2+、氨氮分別降低至45、38、13 mg/kg，有機(jī)質(zhì)降低至5.11%，降幅分別為89%、72%、70%、25%。底泥中磷形態(tài)的穩(wěn)定化趨勢明顯，不穩(wěn)定性磷形態(tài)向穩(wěn)定性磷形態(tài)尤其是HCl-P轉(zhuǎn)變，HCl-P增幅達(dá)到73%。底泥微生物活性得到大幅提升，F(xiàn)DA水解酶活性最高達(dá)到295 μg/(g·h)。

(2) 苦草較伊樂藻對黑臭底泥有著更強(qiáng)的耐受能力，G1的苦草成活率(80%)高于伊樂藻(65%)。曝氣+底泥改良劑修復(fù)后的底泥解除了對伊樂藻和苦草的生長抑制作用，成活率均達(dá)到100%，鮮質(zhì)量增長，植株MDA顯著低于G1。

(3) 曝氣+底泥改良劑處理下，由于底泥改良劑對磷的固定作用，修復(fù)后的底泥相比G2，磷的生物可利用性降低，使得G4植株鮮質(zhì)量增長低于G2，根冠比高于G2。