滾筒式曝氣生態(tài)壩在黑臭河道生態(tài)治理的應(yīng)用研究

劉書(shū)敏，柴曉貞，路麗君，陳 俊

（1.上海尼普敦環(huán)境科技有限公司，上海 200092；2.濱州市海洋發(fā)展研究院，山東 濱州 256699；3.常州市排水管理處，江蘇 常州 213001）

0 引言

水體污染形勢(shì)隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展越來(lái)越嚴(yán)峻，許多生活污水和工業(yè)廢水等未經(jīng)處理或只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理直接排入河道[1]，隨著過(guò)量的有機(jī)污染物、氮、磷、有毒物質(zhì)的富集，污染負(fù)荷嚴(yán)重超過(guò)環(huán)境承載力[2]，大量厭氧微生物增殖，并釋放出H2S,NH3,CH4等臭味氣體[3]，水體不斷發(fā)黑、發(fā)臭，破壞了自然水體的功能和水生態(tài)平衡[4-5]，加劇了水資源的短缺，威脅到人類(lèi)身體健康。截至目前，我國(guó)已投入大量人力物力整治城市黑臭水體，取得了一定成效，但已修復(fù)水體存在修復(fù)效果不能長(zhǎng)效維持且部分水體存在二次惡化的風(fēng)險(xiǎn)[6]，因此，目前水體黑臭已成為我國(guó)城市河道污染問(wèn)題中亟待解決的一個(gè)重要水環(huán)境問(wèn)題。

針對(duì)黑臭河道的水體治理工作遵循 “控源截污、內(nèi)源清淤、水質(zhì)提升、清水補(bǔ)給、生態(tài)修復(fù)”技術(shù)路線，目前已開(kāi)展了大量防控研究工作，均取得較好的研究成果，如管網(wǎng)的截污納管及面源污染控制技術(shù)[7]、底泥原位[8]和異位處理及資源化技術(shù)[9]、調(diào)水換水[10]、人工曝氣技術(shù)[11]、化學(xué)藥劑投加[12]、水生動(dòng)植物修復(fù)[13]及微生物修復(fù)[14-17]等。

由于不同類(lèi)型水體存在較大生境異質(zhì)性，故在特定類(lèi)型水體中以往措施效果發(fā)揮存在局限性，如微生物修復(fù)受水動(dòng)力影響大[18-19]，部分城市管網(wǎng)歷史設(shè)置不合理[20-21]，短時(shí)期內(nèi)整改周期較長(zhǎng)，底泥疏浚工程量巨大，易造成底質(zhì)二次污染并伴隨底棲生態(tài)系統(tǒng)破壞[22]，頻繁河道換水調(diào)水難度大[23]，生態(tài)浮床技術(shù)均需占用一定岸線空間和水面空間，給城市河道水體保潔、河道疏浚帶來(lái)困難，以上種種因素制約著城市黑臭河道治理進(jìn)程。此外，較多技術(shù)研發(fā)只基于實(shí)驗(yàn)室原理探究，很少應(yīng)用于實(shí)際河道水體，而河道生境復(fù)雜且生態(tài)系統(tǒng)具有恢復(fù)力[24]，實(shí)驗(yàn)室污染物質(zhì)削減效果并不能真實(shí)反應(yīng)河道水體治理狀態(tài)。故針對(duì)控源截污規(guī)劃周期較長(zhǎng)，且亟待水質(zhì)提升的城市黑臭河道，可發(fā)揮穩(wěn)定水質(zhì)改善效果的裝置成為河道治理中的最佳選擇。

鑒于此，以上海市典型黑臭河道—夏長(zhǎng)浦河道為修復(fù)對(duì)象，采用滾筒式曝氣填料生態(tài)壩進(jìn)行原位處理，通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行組及空白對(duì)照組中溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（CODCr）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、二甲基三硫醚（DMTS）[25]、透明度（SD）和水體微生物[26]指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該裝置可有效消除水體黑臭，從而為我國(guó)黑臭水體的治理工作提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置運(yùn)行原理：由該裝置曝氣單元對(duì)黑臭河道進(jìn)行機(jī)械曝氣，增加水體中DO 含量，同時(shí)通過(guò)填料附著微生物膜的降解作用去除水體中N,P 和有機(jī)物等污染物，以增強(qiáng)河道水體的自凈能力。

滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。由圖1 可以看出，滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置由用于河道凈化的填料筒單元和用于為填料筒單元供氧的曝氣單元通過(guò)輸氣管連接組成。曝氣單元包括光伏板、控制轉(zhuǎn)換器和直流曝氣機(jī)，填料筒單元包括周壁設(shè)有若干通孔的筒體、填料層、帶孔隔板、浮力層、布孔金屬管和曝氣管，布孔金屬管置于筒體中央，以便于微孔曝氣管內(nèi)輸入的空氣均勻地?cái)U(kuò)散至浮力層和填料層，曝氣管穿設(shè)于布孔金屬管內(nèi)；浮力層由改性后的高分子材料制作成的懸浮填料球進(jìn)行填充，置于布孔金屬管外側(cè)，其內(nèi)填充有疏松多孔泡沫材料以及火山石、陶粒、沸石等材料，帶孔隔板置于浮力層外側(cè)，填料層置于帶孔隔板與筒體的周壁之間，曝氣管與輸氣管相連通。

圖1 滾筒式生態(tài)壩裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置曝氣單元采用以太陽(yáng)能為動(dòng)力的純太陽(yáng)能離網(wǎng)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇的光伏板功率為180 W，太陽(yáng)能板與地平線呈28 ～30°朝正南方布設(shè)，直流穩(wěn)壓控制器電壓為12 V，直流曝氣機(jī)功率為35 W，供氣量為80 L/min，曝氣產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)管道輸送至填料筒中部的微孔曝氣管中。該裝置中布孔金屬管的管徑為60 mm，其孔徑為5 mm，相鄰孔間距為100 mm，開(kāi)孔方式為上、下孔對(duì)開(kāi)。浮力層厚度為200 mm，填料層厚度為625 mm，浮力層由較多的有疏水多孔泡沫材料組成，填料層內(nèi)填有直徑為80 mm 的懸浮填料球，該球表面在水中可長(zhǎng)出一層可降解水體污染物的生物膜，并可不斷更新。該裝置柱狀筒體的外壁布設(shè)8 片翅片，相鄰翅片間夾角呈45°。翅片可帶動(dòng)柱狀筒體在河道水流推動(dòng)下做原位滾動(dòng)，凈化水質(zhì)的同時(shí)，帶動(dòng)水體流動(dòng)。

1.3 研究區(qū)域

夏長(zhǎng)浦河道位于上海市靜安區(qū)，平均寬度為15 m，規(guī)劃水深為2.5 m（因底泥淤積較深，實(shí)際水深為1 ～2 m）。由于河道沿線存在較多雨污混接排口，使得大量污水排入河道，導(dǎo)致河道水體發(fā)黑發(fā)臭。當(dāng)前沿線截污納管工作雖已完成，但水體黑臭現(xiàn)象并未減輕。此外，目前該河道一端為斷頭浜，另一端由閘門(mén)控制且平時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)，因水動(dòng)力條件較差，故水體自凈能力低，水體依然呈黑臭狀態(tài)。因此，選擇夏長(zhǎng)浦河道作為研究對(duì)象，通過(guò)探究滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置對(duì)其治理效果，以期為今后治理黑臭河道提供技術(shù)支撐。

將滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置置于河道斷面中央，且為該裝置的曝氣運(yùn)行進(jìn)行定時(shí)設(shè)置，確保該裝置每天曝氣8 h。試驗(yàn)點(diǎn)位選取該裝置布設(shè)點(diǎn)位S1 及空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位S2，2 點(diǎn)位相隔300 m避免相互影響。在河道水面下0.5 m 處，通過(guò)有機(jī)玻璃取樣器取水，每次將采集的3 個(gè)水樣進(jìn)行混合后再檢測(cè)水質(zhì)。裝置安裝過(guò)程難免造成沉積物擾動(dòng)，為降低底泥上翻導(dǎo)致的誤差，水質(zhì)檢測(cè)與分析從該裝置固定并穩(wěn)定運(yùn)行2 周后開(kāi)始，水質(zhì)檢測(cè)頻率為1 次/周，共進(jìn)行為期11 周水質(zhì)檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河道本底水質(zhì)

夏長(zhǎng)浦河道為上海市典型黑臭河道，根據(jù)河道現(xiàn)場(chǎng)勘察，水體呈黑灰色，底泥偶有上浮，河道散發(fā)刺鼻臭味。2020年6月對(duì)夏長(zhǎng)浦河道水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 夏長(zhǎng)浦河道水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

由表1 可以看出，河道水體中DO，CODCr，TN，NH4+-N，TP質(zhì)量濃度均值分別為0.43，30，16.95，13.15，1.64 mg/L，SD均值為20.5 cm，DMTS 質(zhì)量濃度均值為3 662 ng/L。參照2015年發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》[27]中的城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定夏長(zhǎng)浦河道河道SD，DO，NH4+-N 濃度已達(dá)到輕度黑臭標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明試驗(yàn)期間該河道水體處于輕度黑臭狀態(tài)。

2.2 滾筒式生態(tài)壩裝置對(duì)DO,CODCr 的治理效果

過(guò)量有機(jī)污染物排入河道，經(jīng)過(guò)氧化分解后消耗掉大量DO，使得水體成為厭氧環(huán)境，此時(shí)，厭氧微生物分解出大量含N,S 等有機(jī)物物質(zhì)，造成水體逐漸發(fā)黑發(fā)臭，因此，削減有機(jī)污染物及水體的快速?gòu)?fù)氧對(duì)消除水體黑臭至關(guān)重要。滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置對(duì)提升DO 及削減CODCr的效果見(jiàn)圖2。由圖2（a）可以看出，試驗(yàn)期間，河道S1樣點(diǎn)中DO 質(zhì)量濃度范圍在2.58 ～3.6 mg/L 之間，均值為3.30 mg/L，S2 樣點(diǎn)中DO 質(zhì)量濃度范圍在0.18 ～0.93 mg/L 之間，均值為0.54 mg/L。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空白S2 樣點(diǎn)中DO 濃度波動(dòng)較小，說(shuō)明河道自身復(fù)氧速度緩慢，該裝置微孔曝氣管內(nèi)輸入的空氣可有效提高河道中DO 水平。河道中有機(jī)物主要來(lái)源于降雨、土壤淋溶及人類(lèi)活動(dòng)的排放及底泥釋放等。有機(jī)污染可經(jīng)過(guò)食物鏈富集，對(duì)人體健康造成惡劣影響，故削減有機(jī)污染成為黑臭水體感官改善及居民身體安全保證的必要環(huán)節(jié)。由圖2(b)可知，河道S1 樣點(diǎn)中CODCr質(zhì)量濃度范圍在13.00 ～36.00 mg/L 之間，均值為23.08 mg/L，河道S2 樣點(diǎn)中CODCr質(zhì)量濃度范圍在25.00～35.00 mg/L 之間，均值為30.75 mg/L，CODCr削減率可達(dá)24.8%。該結(jié)果表明，該裝置曝氣可促進(jìn)河道中O2的傳遞與擴(kuò)散，避免水體出現(xiàn)缺氧或厭氧狀態(tài)，提高了細(xì)菌活性，加快有機(jī)污染物的分解。此外，該裝置懸浮掛膜材料不僅可強(qiáng)化微生物的生化作用，也對(duì)有機(jī)物的降解發(fā)揮著重要作用。

圖2 滾筒式生態(tài)壩裝置對(duì)提升DO 及削減CODCr 的效果

2.3 裝置對(duì)N,P 營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果

NH4+-N 超標(biāo)嚴(yán)重危害了水環(huán)境質(zhì)量，具體表現(xiàn)在水體的耗氧、富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象及非離子氨的毒害作用[28]。隨著生活污水、工業(yè)廢水的排放及農(nóng)業(yè)農(nóng)藥化肥的過(guò)量使用[29]，目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)河流中NH4+-N 含量超標(biāo)已經(jīng)取代了CODCr，成為了水體污染的首要污染物質(zhì)[30]。滾筒式生態(tài)壩裝置對(duì)N,P 的去除效果見(jiàn)圖3。

圖3 滾筒式生態(tài)壩裝置對(duì)N,P 的去除效果

由圖3（a）可以看出，S1 樣點(diǎn)中NH4+-N 質(zhì)量濃度范圍在5.38 ～12.98 mg/L 之間，平均值為8.94 mg/L，S2 樣點(diǎn)中NH4+-N 質(zhì)量濃度范圍在11.14 ～14.58 mg/L 之間，平均值為12.39 mg/L，該裝置對(duì)NH4+-N 的削減率為26.7%。由圖3（b）可以看出，S1 樣點(diǎn)中TN 質(zhì)量濃度范圍在11.39 ～18.72 mg/L 之間，平均值為14.85 mg/L，S2 樣點(diǎn)中TN 質(zhì)量濃度范圍在13.34 ～19.48 mg/L 之間，均值為16.63 mg/L，該裝置對(duì)TN 的削減率為10.4%。通過(guò)分析S2 樣點(diǎn)中氮元素形態(tài)，發(fā)現(xiàn)NH4+-N 在TN 含量中占比為75.9%，表明在厭氧的水環(huán)境下，含氮有機(jī)物氨化后并不能充分進(jìn)行硝化作用，而是以NH4+-N 的形式累積在水體中。對(duì)比分析2 組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該裝置對(duì)河道中TN 尤其是NH4+-N 具有較好地去除效果，分析氮元素去除的原因?yàn)槿芙庋跆嵘蟠龠M(jìn)了微生物的硝化速率以及隨著裝置曝氣加快了NH4+-N 吹脫[31]。

水體中磷元素是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素[32]，磷元素可促使水體內(nèi)的藻類(lèi)大量滋生[33]，導(dǎo)致維管束植物腐爛，最終河道黑臭[34]。因此，削減排入水體中磷元素含量可有效緩解水體向富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)甚至向黑臭河道狀態(tài)的演變[35]。由圖3（b）可以看出，S1 樣點(diǎn)中TP 質(zhì)量濃度范圍在0.86 ～1.86 mg/L 之間，平均值為1.19 mg/L，S2 樣點(diǎn)中TP 質(zhì)量濃度范圍在1.01 ～1.67 mg/L 之間，平均值為1.39 mg/L，該裝置對(duì)TP 的去除率為14.8%。對(duì)比2 組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該裝置可有效去除水體中磷元素，分析原因?yàn)樵撗b置的填料單元中填料為火山石、陶粒、沸石等，通過(guò)填料的物理和化學(xué)吸附水體中磷元素進(jìn)行降解，該裝置在水流的作用下均勻旋轉(zhuǎn)，也提高了自然河道的過(guò)濾效果。

2.4 裝置對(duì)透明度、嗅味的提升效果

黑臭水體沖擊力最大的感官效果為黑和臭，其中水體泛黑是由水體懸浮物、Fe、S 元素及FeS化合物導(dǎo)致[36]，水體發(fā)臭主要是由硫酸鹽還原菌、放線菌等微生物在厭氧條件下降解有機(jī)物生成[37]，其中主要致臭產(chǎn)物之一為二甲基三硫醚（DMTS）[38]。通過(guò)檢測(cè)SD及DMTS 來(lái)表征河道感官效果變化，具體見(jiàn)圖4。由圖4（a）可以看出，S1 樣點(diǎn)中SD范圍在53 ～69 cm 之間，平均值為63 cm，S2 樣點(diǎn)中SD范圍在32 ～49 cm 之間，平均值為38 cm，由此計(jì)算該裝置對(duì)SD的提升率為69.6%。由圖4（b）可以看出，S1 樣點(diǎn)中DMTS 濃度范圍在5 ～2 933 ng/L 之間，平均值為1 341 ng/L，S2 樣點(diǎn)中DMTS 濃度范圍在2 738 ～3 988 ng/L 之間，平均值為3 410 ng/L，由此計(jì)算該裝置對(duì)DMTS 的削減率為58.5%。對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)組與空白組發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期間該裝置運(yùn)行可有效提升水體透明度和削減致臭物質(zhì)，分析原因?yàn)樵撗b置曝氣可直接氧化水體中的嗅味物質(zhì)，同時(shí)，也可提高其揮發(fā)速率，揮發(fā)過(guò)程中部分物質(zhì)被裝置填料吸附，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)嗅味物質(zhì)的有效削減。

圖4 裝置對(duì)提升SD 及削減DMTS 效果

2.5 水體細(xì)菌對(duì)于黑臭消除的響應(yīng)

該裝置對(duì)黑臭水體具有較好的治理效果，主要原因?yàn)槠貧鈱?duì)有機(jī)物直接氧化。此外，水體中微生物群落結(jié)構(gòu)也對(duì)有機(jī)物削減尤為重要。水體中含有大量以細(xì)菌為主的微生物，為研究該裝置運(yùn)行對(duì)水體細(xì)菌群落組成的影響，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組細(xì)菌綱水平群落組成，具體見(jiàn)表2。由表2 可以看出，2組細(xì)菌群落組成相似，但實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌群落多樣性更高，2組細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌分別為γ-變形桿菌（Gammaproteobacteria）、α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）、放線菌綱（Actinobacteria）、酸微菌綱（Acidimicrobiia）及藍(lán)藻綱（Cyanobacteriia）。實(shí)驗(yàn)組中γ-變形桿菌等厭氧菌豐度明顯低于對(duì)照組，放線菌綱、酸微菌綱好氧菌豐度明顯高于對(duì)照組。且酸微菌綱中部分化能自養(yǎng)菌可將Fe(II)氧化為Fe(III)[39]，可促進(jìn)磷元素蓄閉在沉積物中。說(shuō)明該裝置可有效改善河道厭氧環(huán)境，使得水體中好氧菌豐度提高，優(yōu)化了水體微生物群落結(jié)構(gòu)及群落多樣性。

表2 裝置凈化前、后水體細(xì)菌群落組成（綱水平）

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)滾筒式曝氣填料生態(tài)壩裝置進(jìn)行原位水體治理效果分析，探究該裝置黑臭河道治理實(shí)際應(yīng)用效果及推廣的可行性，得出以下結(jié)論：

（1）該裝置可將水體中DO 質(zhì)量濃度由0.54 mg/L 提升至3.30 mg/L，CODCr質(zhì)量濃度由30.75 mg/L 降至23.08 mg/L，CODCr削減率可達(dá)24.8%?？捎行岣咚w中DO 含量，降低有機(jī)物濃度。

（2）該裝置對(duì)NH4+-N 的削減率為26.7%，對(duì)TN 的削減率為10.4%，對(duì)TP 的去除率為14.8%，可有效降低水體中N,P 負(fù)荷。

（3）該裝置可將河道SD由38 cm 提升至63 cm，DMTS 的削減率為58.5%，實(shí)現(xiàn)了河道感官效果上的去黑、去臭。

（4）該裝置可有效提升水體細(xì)菌多樣性，優(yōu)化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，可有效降低厭氧微生物豐度，提升放線菌綱、酸微菌綱好氧菌豐度。