劉建林

摘 要：本研究以廣州市某河涌為試驗(yàn)區(qū)域，采用微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)原位消減試驗(yàn)區(qū)河涌黑臭底泥。結(jié)果表明，在無(wú)截污、自然狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)3個(gè)月試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)河涌的黑臭底泥厚度減少44%～58%，底泥的含水量、有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)碳和污染物含量等顯著減少。同時(shí)，水體透明度和溶解氧含量顯著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均顯著降低。微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)黑臭底泥的原位消減，并顯著改善水質(zhì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：微納米曝氣;生物膜技術(shù);黑臭底泥;原位消減

中圖分類(lèi)號(hào)：X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）05-0149-06

Abstract： In this study， a river in Guangzhou was used as a test area， and micro-nano aeration combined with biofilm technology was used to reduce the black odor in the test area in situ. The results show that in a non-intercepted， natural state， after three months of testing， the thickness of the black odor in the river in the test area decreased by 44% to 58%， the water content， organic matter， organic carbon and pollutant content of the sediment decreased significantly. At the same time， water body transparency and dissolved oxygen content increased significantly， ammonia nitrogen content， COD， SS， TP all significantly decreased. Micro-nano aeration combined with biofilm technology can effectively achieve the in-situ reduction of black odorous sediments and significantly improve water quality indicators.

Keywords： micro-nano aeration;biofilm technology;black odorous sediment;in situ reduction

由于城市建設(shè)和人口的快速增長(zhǎng)，城市河涌的污染狀況日益嚴(yán)峻，河涌黑臭問(wèn)題凸顯[1]。從城市黑臭河涌的成因來(lái)看，受污染底泥的內(nèi)源釋放是引起水體水質(zhì)惡化和黑臭的重要原因[2-4]。但目前對(duì)于黑臭河涌的治理報(bào)道多見(jiàn)于對(duì)水污染的治理，而沒(méi)重視黑臭底泥對(duì)上覆水的二次污染問(wèn)題，沒(méi)有從根本上將污染物從水體清除[5-6]。

目前，解決水體黑臭的主要途徑有截污納管、河道清淤、引水補(bǔ)水、曝氣充氧、微生物生態(tài)化治理等技術(shù)[7-9]。其中，微納米曝氣技術(shù)是一種新型的水體曝氣充氧技術(shù)，其在黑臭水體治理工程中具有占地面積小、成本低、效率高的明顯優(yōu)勢(shì)，因而備受關(guān)注[10]，但將其單一應(yīng)用于黑臭水體治理時(shí)對(duì)上覆水的治理效果較差[11]。生物膜技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于污水處理和水廠原水預(yù)處理中，被認(rèn)為是較科學(xué)的黑臭水體原位修復(fù)治理方式，具有環(huán)境友好、生態(tài)節(jié)能的特點(diǎn)，但需要通過(guò)曝氣等手段營(yíng)造出一個(gè)比較好的水環(huán)境，才能持續(xù)性生態(tài)化治理[12]。微納米曝氣具有良好的氧傳遞性，為附著于膜表面的微生物提供充分氧氣，促使生物膜的健康生長(zhǎng)，可更好地發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。目前，綜合應(yīng)用兩種技術(shù)原位消減底泥并同時(shí)關(guān)注底泥和上覆水凈化的研究還鮮有報(bào)道。

為此，本研究擬將微納米曝氣與生物膜技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于試驗(yàn)區(qū)黑臭河涌的底泥消減治理，探索適合于城市黑臭河涌的底泥原位消減方案，為城市水環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)河涌概況

本文選取的河涌為廣州市荔灣區(qū)一管道式河流——駟馬涌，它是一條集防洪排澇、景觀美化功能為一體的河涌，總長(zhǎng)約2.633 km，主要為明涌及箱涵。非汛期階段，水域相對(duì)靜止，但泄洪期間在河涌實(shí)施或采用的所有技術(shù)手段都要經(jīng)得起泄洪考驗(yàn)。駟馬涌?jī)砂峨m都已鋪設(shè)截污管，但是沿途仍有大量污水排口，污水直接排入河涌，導(dǎo)致河涌上游水體嚴(yán)重黑臭，對(duì)周邊居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較大影響，急需治理。

該河涌底泥密度較低，屬較疏松類(lèi)型，含水率為73%～78%，底泥質(zhì)地總體上屬偏砂土。河涌底泥的厚度范圍從上游到下游基本保持在0.4～1.2 m，其中大段淤積厚度保持在0.7 m左右，受水文因素和人類(lèi)活動(dòng)的影響，下游底泥厚度大于上游。

1.2 曝氣和生物膜裝置的布置

1.2.1 微納米曝氣裝置。實(shí)施的試驗(yàn)河涌共布置20臺(tái)微納米曝氣裝置，平均間距約為90 m，形成20個(gè)微生態(tài)強(qiáng)化凈化區(qū)，如圖1所示。

微納米曝氣裝置工作壓力為0.4～0.5 MPa，氣泡發(fā)生量為16 L/m，設(shè)備功率為0.75 kW，氣泡粒徑為0.2～4 μm，氣泡上升速度為4～8 mm/s，含氣率為84%～90%，進(jìn)氣方式為負(fù)壓進(jìn)氣。

1.2.2 生物膜反應(yīng)器。生物膜反應(yīng)器裝置主要由曝氣膜組件和微生物膜兩部分組成。試驗(yàn)河涌生物膜反應(yīng)器采用5.5 kW沉水式風(fēng)機(jī)供氣，經(jīng)PVC供氣管道輸送至生物膜套件，生物膜臨界水力負(fù)荷可達(dá)5 m3/（m2·h）。本試驗(yàn)沿河涌共布置700套。

1.3 底泥和水質(zhì)監(jiān)測(cè)

本研究對(duì)試驗(yàn)河涌底泥和水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，分別在河涌上、中、下游設(shè)置取樣點(diǎn)，每個(gè)河段平均3個(gè)取樣點(diǎn)，取平均值。取樣時(shí)間從2018年3月1日至7月30日，每隔30 d采樣1次，每次采樣時(shí)間在16：00—17：00。

1.4 底泥和水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

底泥監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：底泥厚度、含水量、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、總鎘（Cd）、總鉛（Pb）、總鎳（Ni）等指標(biāo)。上覆水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N。除底泥厚度和DO現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定外，其余指標(biāo)均為現(xiàn)場(chǎng)取樣后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

底泥厚度的測(cè)定采用標(biāo)桿法，底泥含水量、有機(jī)物、有機(jī)碳及重金屬含量的測(cè)定參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）。

DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N等的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）[13]，pH值、DO、ORP和T為YSI（美國(guó)，YSI Professional Plus）現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)，濁度為數(shù)字式濁度儀（上海，WGZ-1）測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)的整理采用Origin8.6軟件完成;采用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析，所得數(shù)值均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥厚度變化

圖2為微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)處理試驗(yàn)河涌期間底泥厚度隨時(shí)間的變化情況。由圖2可知，從開(kāi)始到30 d的時(shí)間，試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)底泥厚度的下降趨勢(shì)不顯著，而30～90 d期間試驗(yàn)河涌的底泥厚度呈極顯著性下降趨勢(shì)，其中上中游的底泥厚度的下降幅度為44%左右，下游底泥的下降幅度高達(dá)58%。經(jīng)過(guò)90 d后，各階段的底泥厚度下降速度沒(méi)有顯著變化。

生物膜原位修復(fù)技術(shù)用于黑水治理，主要利用附著于膜表面的微生物對(duì)底泥和上覆水中污染物的降解作用[14]。處理初期，生物膜上的微生物處于適應(yīng)期和生長(zhǎng)初期，其對(duì)有機(jī)物等污染物的降解作用小，因此，出現(xiàn)在0～30 d內(nèi)各河段底泥的厚度變化不顯著的現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)30 d微納米曝氣，水體提供了大量DO，在良好的好氧環(huán)境下，生物膜上的好氧微生物大量繁殖，底泥中的有機(jī)物等得到高效的分解，這可能是30～90 d期間試驗(yàn)河涌上中下游底泥厚度顯著下降的原因。但隨著底泥有機(jī)質(zhì)的減少，生物膜上的微生物繁殖速度減弱，90 d后各河段底泥厚度的變化不顯著。此外，120～150 d內(nèi)的底泥厚度稍出現(xiàn)上浮，該微量上浮可能跟此時(shí)間區(qū)間為夏季六七月份有關(guān)，廣州六七月份降雨量大，降雨泄洪帶來(lái)的淤泥會(huì)造成底泥厚度增加。

2.2 底泥含水量

河涌底泥含水率的差異主要受底泥的顆粒組成及底泥有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響，底泥顆粒質(zhì)地越輕或有機(jī)質(zhì)含量越高時(shí)，含水率越高[15]。該河涌底泥的成分比較復(fù)雜，底泥中生活有機(jī)物垃圾數(shù)量很大，底泥密度較低，屬較疏松類(lèi)型。微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)處理試驗(yàn)河涌期間，底泥含水量隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，試驗(yàn)河涌上中下游各河段的底泥含水量變化跟底泥厚度的變化趨勢(shì)類(lèi)似，從開(kāi)始到30 d的時(shí)間，底泥含水量的下降趨勢(shì)不顯著，而30～90 d期間顯著性下降。這說(shuō)明隨著微納米曝氣向水體中大量輸送氧氣，生物膜上的好氧微生物大幅降解底泥中的有機(jī)物，試驗(yàn)河涌上中下游底泥含水量出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。但在90～150 d內(nèi)，上中下游河段底泥含水量的上升幅度高于底泥厚度的變化，估計(jì)是由六七月份的降雨泄洪所引起的。

2.3 底泥中有機(jī)物和有機(jī)碳的含量

該試驗(yàn)河涌底泥中生活有機(jī)物垃圾含量高，受水文因素的影響，從上游到下游底泥有機(jī)物和有機(jī)碳含量逐漸增加。由圖4、圖5可以看出，經(jīng)微納米曝氣和生物膜技術(shù)處理后，試驗(yàn)河涌上中下游各河段的底泥有機(jī)物和有機(jī)碳的含量變化趨勢(shì)類(lèi)似，人工曝氣對(duì)水體的循環(huán)流動(dòng)作用有利于有機(jī)物的氧化分解。從開(kāi)始到30 d的時(shí)間，底泥有機(jī)物和有機(jī)碳的含量下降趨勢(shì)不顯著，而處理30 d后，二者含量均顯著下降，至150 d時(shí)底泥中有機(jī)物和有機(jī)碳的降解率分別達(dá)到40%左右，其含量變化的特征也驗(yàn)證了上述關(guān)于生物膜上的好氧微生物適應(yīng)期和大幅生長(zhǎng)期降解底泥有機(jī)物規(guī)律的推論。而且，在90～150 d內(nèi)，上中下游河段底泥有機(jī)物和有機(jī)碳含量的變化受六七月份降雨泄洪的影響不大。

2.4 上覆水的透明度

依據(jù)報(bào)道，曝氣初期底泥的上翻及其釋放的污染物會(huì)造成上覆水透明度升高[16]。筆者在微納米曝氣處理初期（0～12 d）也觀察到示范河涌的中下游水面上形成氣泡和底泥翻涌現(xiàn)象明顯，覆水透明度暫時(shí)上浮動(dòng)，但隨后逐漸變清。由圖6可以看出，項(xiàng)目實(shí)施的前三個(gè)月試驗(yàn)河涌的上覆水透明度顯著性增加，特別是60 d后，各階段的透明度分別由最初的10～20 cm變化到30～40 cm，參考同一階段底泥有機(jī)物含量等的變化，此時(shí)生物膜上的微生物已開(kāi)始大量生長(zhǎng)并對(duì)有機(jī)物等進(jìn)行降解處理。處理三個(gè)月后，各河段水質(zhì)透明度增加顯著，特別是上游清澈見(jiàn)底。但在90～150 d內(nèi)，受六七月份的降雨泄洪影響，上中下游河段上覆水的透明度均有所下降。

2.5 上覆水的DO值

溶解氧是與河道氧化還原電位、微生物的種類(lèi)與活性、有機(jī)物的降解等密切相關(guān)的一個(gè)重要水質(zhì)指標(biāo)，直接影響各污染物指標(biāo)的變化[17]。由圖7可以看出，在五個(gè)月的治理期間，上覆水的DO一直呈上升趨勢(shì)，反映出微納米曝氣于水體提供的良好氧溶性。30～120 d內(nèi)，各河段上覆水的DO分別達(dá)到7～8 mg/L，促使該階段生物膜上的好氧微生物大幅生長(zhǎng)。而且，上中下游河段上覆水的DO基本不受六七月份降雨泄洪的影響。

2.6 上覆水的COD值

河道上覆水COD受底泥的影響較大，底泥不斷釋放的有機(jī)物會(huì)造成上覆水COD升高[18]。初期處理時(shí)微納米曝氣擾動(dòng)底泥，促進(jìn)其向上覆水體釋放有機(jī)物的速率。但同時(shí)曝氣也促使生物膜上的好氧微生物快速生長(zhǎng)繁殖，活性增強(qiáng)，作用于底泥有機(jī)物。由圖8可以看出，0～30天內(nèi)，各河段上覆水的COD下降幅度顯著低于后期，估計(jì)是受初期底泥上翻的影響。在30～60天內(nèi)，隨著曝氣的持續(xù)進(jìn)行，上覆水體中DO濃度升高，好氧微生物活性增強(qiáng)，提高了上覆水體COD下降速率，各河段上覆水的COD濃度由50～70mg/L降到20～40mg/L。同樣，上中下游河段上覆水的COD濃度受六七月份降雨泄洪的影響不顯著。

2.7 上覆水的TP和SS

由圖9可以看出，0～30 d內(nèi)，各河段上覆水的TP值開(kāi)始顯著下降，可能是在好氧條件下，底泥中磷的釋放作用受到抑制。隨著處理的進(jìn)行，30～120 d內(nèi)SS值的下降幅度更顯著。此階段較高DO濃度下，硝化細(xì)菌等好氧性細(xì)菌活性較強(qiáng)，生物合成代謝作用旺盛，水體中總磷濃度出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象。整個(gè)期間，各河段上覆水TP值去除效率為73%左右。

處理初期，微納米曝氣處理對(duì)底泥的擾動(dòng)，導(dǎo)致上覆水體中污染物含量的升高，而此階段生物膜上的微生物尚未大量發(fā)揮其對(duì)污染物的降解作用。故在0～30 d內(nèi)，各河段上覆水的SS值變化幅度較小，如圖10所示。隨著曝氣的持續(xù)進(jìn)行，各河段上覆水的SS值開(kāi)始顯著下降。此外，六七月份降雨泄洪對(duì)上中下游河段上覆水SS值影響較大。

2.8 上覆水的NH4+-N

研究發(fā)現(xiàn)，河道水體的氮循環(huán)與水體DO濃度密切相關(guān)，人工曝氣對(duì)水體的循環(huán)流動(dòng)作用有利于氮的轉(zhuǎn)化[19]。而且，隨著水體DO濃度增加，硝化細(xì)菌的活性增強(qiáng)，把NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3-或者NO2-，使得上覆水中NH4+-N濃度大幅度下降[20-21]。如圖11所示，在處理初期階段，除了上游河段，中下游河段水體中NH4+-N值并未出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。在30 d后，試驗(yàn)河涌水體中NH4+-N值顯著下降，特別是60～120 d內(nèi)，NH4+-N去除率為78%左右。

3 結(jié)論

微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)有效減少了試驗(yàn)區(qū)河涌的黑臭底泥厚度、底泥的含水量、有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)碳和污染物含量等。水體透明度和溶解氧含量顯著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均顯著降低。微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)黑臭底泥的原位消減，并顯著改善水質(zhì)指標(biāo)。

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