底部曝气对黑臭水体处理效果的实验室模拟研究

文 倩，张清东，苟俊莉，张 魏，李文梦

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621000)

【研究意义】水污染防治行动计划指出到2020年地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10 %以内，到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除，而现阶段黑臭水体污染形势依然严峻[1-3]。曝气增氧因其投资少、见效快、占地面积小等优点被广泛的运用于国内外黑臭水体治理中[4-5]。因此，探讨最佳曝气量和曝气时间对治理黑臭水体具有指导意义。【前人研究进展】王美丽等[6]研究了曝气对黑臭河道污染物释放的影响，研究表明曝气加速了底泥污染物释放，随着水体中DO量增加，水体污染物浓度快速下降。M Kim等[7]研究了不同曝气深度对底泥产生扰动程度不同，但未探讨曝气对底泥修复效果。在黑臭水体治理中，关于曝气量和曝气时间对黑臭水体底泥处理效果的影响报道较少。【本研究切入点】本研究建立一个底部曝气系统，以曝气量和曝气时间为变量，以COD、NH3-N、TN、TP以及底泥有机质、生物降解能力、底泥厚度作为监测指标，探究曝气对黑臭水体处理效果。【拟解决的关键问题】为此，试验主要考察静置和底部曝气过程中底泥与上覆水的理化性质及系统稳定性，以期为曝气实际应用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

1.1.1 水样采集 水样采自西南科技大学东区护校河(104°69′E，31°54′N)，采集方式按照地表水和污水监测技术规范(HJ/T 91-2002)要求执行。采集后的水样经过滤，滤去藻类等浮游生物，减少对试验的影响。

表1 试验底泥及上覆水理化性

1.1.2 底泥采集 采用柱状采样器采集西南科技大学东区护校河(104°69′E，31°54′N)河床表层10 cm左右厚度的底泥，去除其中石块、动植物残体、塑料等杂物，混合均匀，滤去水分，装入黑色塑料袋中。

1.2 试验装置

如图1所示，反应装置为自制透明有机玻璃柱(高×直径：35 cm×20 cm)。圆筒底部铺设厚度10 cm底泥，用虹吸法注入深度为20 cm上覆水，尽量避免底泥的扰动。底部曝气将曝气头安置其底泥中间，使底泥充分悬浮。自底部开始每隔5 cm开孔(孔径1 cm)，小孔装有门阀供取样使用。

1.3 试验方法

1.3.1 曝气量试验 试验设5组，1组为对照组，不进行任何处理；2～5组分别以0.5、1、2、4 L/min曝气，在曝气6 h条件下运行，曝气结束前5 min取底泥与上覆水进行测定分析。

1.3.2 曝气时间试验 试验设5组，A组为对照，不进行任何处理，B-E组以最佳曝气量，分别曝气3、6、9、12 h曝气处理。每天曝气结束前5 min取样测定上覆水与底泥污染物含量。实验过程中由于蒸发和取样需及时补充上覆水，补充用水采自同一采样地。

1.4 测定方法

1.4.1 水样测定方法 COD：快速消解分光光度法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TP：钼酸铵分光光度法。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.4.2 底泥测定方法 底泥有机质的测定参考土壤有机质的检测方法[8]，采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定有机碳含量后，再乘以“Van Bemmelen因数”1.724计算得出有机质的含量；削减效果(削减厚度)：测量法；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，置于恒温振荡培养箱振荡6 h后，取30 mL水样静置30 min，检测振荡前后COD值，并计算生物降解能力G值，计算公式如下：

式中：G——生物降解能力kg/(kg·h)；C1,C2——试验前后水体COD值，mg/L；V——河水体积，100 mL；q——底泥干重，0.2 g；t——振荡时间，6 h。

2 结果与分析

2.1 曝气量对底泥与上覆水中污染物处理效果

2.1.1 曝气量对上覆水中污染物处理效果 COD反应了水体中受还原性物质污染的程度[10]。COD的去除主要是通过溶解氧(DO)与H2S、FeS、NH3等还原物质之间发生氧化还原反应来完成。图2可得，0.5、1、2、4 L/min对COD去除率分别为24.96 %、32.73 %、51.68 %、42.52 %。试验表明，水体DO水平较高时，更易氧化H2S、FeS、NH3等还原性污染物质，但DO过高时，会导致不能完全形成好氧-缺氧交替变化的环境，从而影响COD的去除效果。

水体中存在的大量N、P营养盐是造成富营养化的重要原因，利用曝气技术在一定程度上能减少N、P含量。从图2可看出，曝气对NH3-N、TN和TP均有去除效果，总体去除率依次为：2 L/min >4 L/min >1 L/min >0.5 L/min。可能去除效果与曝气强度所产生气泡数量有关，气泡数量越多，气泡易聚并形成体积较大气泡，较大气泡所受浮力大，上升速度快，HRT短，不利于长时间保持水体中DO含量，以致对污染物去除率低；而低强度曝气产生的气泡数量少，与气液相界面接触的面积小，不利于氧传递，从而对NH3-N、TN和TP降解缓慢。

图2 不同底部曝气量对上覆水污染物去除率Fig.2 Removal rate of overlying water pollutants with different bottom aeration

2.1.2 曝气量对底泥中污染物处理效果 如图3所示，0.5、1、2、4 L/min对有机质和底泥厚度的削减量分别为23.96 %、30.41 %、44.51 %、31.48 %和17.9 %、21.2 %、37.7 %、34.6 %，可见2 L/min的曝气强度对有机质和底泥厚度降解效果最好。原因可能是曝气强度越强，底泥扰动越剧烈，会使底泥与上覆水混合，混合后泥水混合物会再次沉降，这个过程中含水率有所下降，而底泥含水率低不利于氧的传递，因此2 L/min比4 L/min对有机质和底泥厚度削减效果更好；曝气强度越弱，对底泥的搅动作用越不明显，使少量有机质和底泥污染物释放到上覆水中，从而影响黑臭底泥的降解效果。经曝气2 L/min处理后的黑臭底泥由黑色变为褐色，气味由强转变为明显，水体透明度较处理前有所提高。

2.1.3 曝气量对生物降解能力的影响 底泥的生物降解能力(G值)可作为评定底泥微生物活性的重要指标，是对上覆水净化能力的直接反应[11]。不同DO量对底泥活性恢复、提高降解能力的影响截然不同，致使底泥G值的增长幅度不同。如图4所示，0.5、1、2、4 L/min的G值依次增长116.67 %、170.83 %、350 %、287.5 %，表明曝气量为2 L/min时G值增长最快。

图3 不同底部曝气量对底泥污染物削减量Fig.3 Reduction of sediment pollutants with different bottom aeration

图4 不同底部曝气量对生物降解能力增长率的影响Fig.4 Effect of different bottom aeration on biodegradability rate

2.2 曝气时间对底泥与上覆水中污染物处理效果

2.2.1 曝气时间对上覆水中污染物处理效果 如图5所示，曝气3、6、9、12 h对上覆水中COD和TP去除率分别为31.27 %、48.93 %、55.81 %、42.7 %和26.6 %、50 %、67.02 %、38.3 %。曝气产生气泡中的氧通过气-液传质进入水体，使底泥与上覆水中DO含量升高，好氧微生物活性增强，但不同曝气时间所产生的DO量不同，好氧微生物活性不一，从而对上覆水中COD和TP的净化效果不同。曝气9 h后COD和TP达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的Ⅳ类标准。

图5 不同底部曝气时间对上覆水污染物去除率Fig.5 Reduction of overlying water pollutants with different bottom aeration periods

图6 不同底部曝气时间对底泥污染物削减量Fig.6 Removal rate of sediment pollutants with different bottom aeration periods

2.2.2 曝气时间对底泥中污染物处理效果 从图6显示，不同曝气时间对底泥污染物削减量的影响。3、6、9、12 h对有机质和底泥厚度的削减量为：29.51 %、43.94 %、48.75 %、33.12 %和27.4 %、36.6 %、47.9 %、36 %。从削减量看，曝气9 h对底泥有机质分解效果最好。可能是由于当DO水平较高时，在好氧菌的作用下有机质会快速降解；而DO含量低时，部分有机物也会得到降解，只是降解速度较慢。试验结束后，经曝气9 h的水体黑臭现象有所改善，底泥由黑色变为灰色，水体透明度提高，气味由强转变为弱。

2.2.3 曝气时间对生物降解能力的影响 如图7所示，3、6、9、12 h的G值增长率为228.57 %、319.05 %、452.38 %、357.14 %，其中，曝气9 h时，G值提高了5.52倍，微生物G值恢复最快，反映出底部曝气这一曝气时间时，微生物更适宜在黑臭水体环境中生长繁殖。如前所述，不同DO量对底泥活性恢复、提高降解能力的影响不同，从而影响去除率。在底泥生物修复试验中，底部曝气的最佳曝气时间为9 h，对生物氧化污染底泥、增强微生物降解有机污染物的能力起到较好的促进作用。

图7 不同底部曝气时间对生物降解能力增长率的影响Fig.7 Effect of biodegradability rate with different bottom aeration periods

图8 不同底部曝气量中污染物稳定的天数Fig.8 Days of pollutant stabilization in different bottom aeration

2.3 系统稳定性分析

2.3.1 曝气量稳定性分析 在系统运行38 d后，各曝气量组污染物浓度均趋于稳定。从图8可以看出，污染物稳定天数长短为：2 L/min<4 L/min<1 L/min<0.5 L/min，2 L/min曝气条件下COD、NH3-N、TN、TP以及生物降解能力、有机质、底泥厚度稳定天数分别为19、23、24、21、17、26、28 d。4 L/min的COD达到稳定天数比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等还原性污染物质。且如图2所示，经2 L/min曝气后，虽NH3-N去除率低于4 L/min，但总体污染物去除率最高，表明2 L/min的曝气量对污染物降解效果最佳且运行天数最短。

2.3.2 曝气时间稳定性分析 由图9显示，在最佳曝气量下，不同曝气时间污染物稳定所需天数。系统34 d后稳定，曝气9 h除TP稳定天数高于12 h外，其余污染物稳定天数均低于其他曝气时间组。可能是由于底泥中的P释放主要受到DO、温度和水扰动的影响，而曝气12 h的DO量大于其他曝气组，使底泥中P最先释放到上覆水中，故此TP达到稳定天数最短。

3 讨 论

通过曝气量和曝气时间对黑臭水体污染物降解效果可知，4种曝气量和曝气时间均能降低污染物含量，改善水质。但是，不同曝气强度对上覆水污染物去除率及底泥削减量的影响差异大，试验结果得出曝气量为2 L/min对上覆水COD、NH3-N、TN、TP及底泥有机质、底泥厚度的修复效果最佳，G值增长率最大，试验共运行28 d后稳定，证明了2 L/min的曝气强度处理黑臭水体具有一定的可行性。

DO是反映水环境状况的重要指标，可通过提高DO浓度，达到消除黑臭。但DO浓度过高，运行成本高；DO浓度低，达不到消除黑臭的目的。试验中，曝气9 h产生的DO浓度对黑臭水体降解效果较好，且运行24 d后污染物达到稳定，加快了修复进度。

图9 不同底部曝气时间中污染物稳定的天数Fig.9 Day of pollutant stabilization in different bottom aeration periods

4 结 论

研究结果表明，曝气量为2 L/min、曝气时间为9 h时，对黑臭水体处理效果最佳。上覆水中COD、NH3-N、TN及TP去除率分别达55.81 %、61.99 %、48.42 %、67.02 %，底泥有机质及底泥厚度削减量依次为48.75 %和47.9 %，生物降解能力提高到1.16 g/kg·h，试验运行24 d后趋于稳定。经曝气处理后的COD和TP可达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的Ⅳ类标准，但单一底部曝气法难以使各项指标达标，因此在实际工程运用中，底部曝气方式也可与其他修复方法联合使用。