组合生物技术对黑臭水体底泥原位修复的研究

桑建伟，黄家榜，朱守诚，朱棣杰，潘佳驹

（污水净化与生态修复材料安徽省重点实验室/合肥市东方美捷分子材料技术有限公司，安徽合肥230088）

随着我国城市化水平不断加快，城市污水不断排放而引起水体富营养化，甚至导致水体发黑发臭，严重影响人们的居住环境与生活，阻碍社会经济发展[1-2]。从黑臭水体的特点分析，水体中好氧性污染物质含量升高，导致水体严重缺氧，厌氧微生物作用消解有机污染物产生大量恶臭气体（如硫化氢、胺、氨和硫醇等），致使水体发臭[3-5]；水体中铁、锰等金属离子与S2-形成金属硫化物，致使水体发黑[6-8]。此外黑臭水体的底泥富含腐殖质，可不断分解释放悬浮颗粒，进一步加重水体黑臭。因此，除截留外源污染外，通过工程技术对黑臭污水与污泥进行原位修复是实现黑臭水体的环境质量改善和生态良性恢复的重要措施。

目前，黑臭水体的传统治理方法主要有化学法（絮凝、吸附等）[9-10]、物理法（截污、疏浚等）[11-12]和生物法[13-14]。物理法与化学法可为生物法提供先决条件，而生物法又往往以微生物、底栖动物、耐污水生植物为先锋生物先行应用[15]。本文通过将泥水分离材料TMD、生物氧化材料BiO2和工程微生物AOB 进行组合，应用于安徽省芜湖市镜湖区典型黑臭水体泥水净化与生态恢复小试实验，以期为该组合技术的后期研究与工程应用提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

黑臭水样和底泥分别取自安徽省芜湖市镜湖区文化路桥段黑臭河水与底泥，样品采集后迅速送至实验室置于4℃冰箱保存。泥水分离材料、生物氧化材料和工程微生物均为本公司自主研发产品（分别简称TMD、BiO2、AOB）。

由于自然黑臭水体不能长期保证水质稳定，为保证实验结果的重复性，采用人工配制黑臭水。黑臭水按参考文献进行少量修改后配制[16]：蛋白胨4.5 g，尿素0.65 g，柠檬酸铁0.3 g，Na2S 2.3 g，腐殖酸11.5 g，NaCl 0.8 g，黄胺酸0.1 g，污泥400 g，加水稀释至30 L 并搅拌均匀。

1.2 实验方法

1.2.1 人工黑臭水的脱黑除臭实验

配制人工黑臭水，依次量取500 mL 人工黑臭水至各烧杯中，并分别以0‰、0.5‰、0.75‰、1‰、1.5‰、2‰、2.5‰浓度梯度向烧杯中添加泥水分离材料TMD 与生物 氧 化 材 料BiO2，以0‰、0.01‰、0.025‰、0.05‰、0.075‰、0.1‰、0.25‰向烧杯中添加工程微生物AOB，搅拌均匀后静置48 h，取样测试其水质指标（COD、氨氮、TP、pH、TDS、ORP、水体色度、水体气味）。

1.2.2 黑臭底泥的消解实验

依次称取200 g 黑臭底泥至各烧杯中，并分别以0‰、0.2‰、0.5‰、1‰、1.5‰、2‰、3‰、4‰、5‰浓度梯度向烧杯中添加泥水分离材料TMD 与生物氧化材料BiO2，以0‰、0.02‰、0.05‰、0.1‰、0.15‰、0.2‰、0.3‰、0.4‰、0.5‰浓度梯度向烧杯中添加工程微生物AOB，搅拌均匀后静置48 h，测试其黑臭底泥的基本指标（pH、TDS、ORP、污泥厚度、污泥颜色、污泥气味）。

1.2.3 人工黑臭水与黑臭底泥原位修复模拟实验

依次向圆柱桶（直径20 cm，高40 cm）中填充黑臭底泥，并向其中加入7 L 人工黑臭水，分别以2.5‰浓度向圆柱桶中添加泥水分离材料TMD 与生物氧化材料BiO2，以0.25‰浓度向圆柱桶中添加工程微生物AOB，以2.5‰TMD、2.5‰BiO2、0.25‰AOB 对黑臭底泥进行点滴，搅拌上层人工黑臭水至均匀后静置48 h，测试人工黑臭水与黑臭底泥的基本指标（COD、氨氮、TP、DO、pH、TDS、ORP、水体色度、水体气味、污泥厚度、污泥颜色）。

1.3 分析和测试方法

定期取样进行检测，分析和测试其理化指标（COD、NH3-N、TP、pH、TDS、ORP 值及污泥厚度）[17]和感官指标（水体颜色、水体气味、污泥颜色、污泥气味）[18]。

2 结果与讨论

2.1 人工黑臭水的脱黑除臭实验

分别向上述人工黑臭水中添加不同浓度TMD、BiO2、AOB，搅拌均匀后静置48 h，观察并检测人工黑臭水的基本指标，结果如图2、表1、表2 和表3。在自然开放条件下，经过48 h 的净化作用，三组材料均可提高人工黑臭水的ORP 与TDS（TMD 与BiO2提高最为显著）；TMD 与BiO2随着添加浓度的上升可在不同程度上降低其pH 值；三组材料均可在一定程度上去除人工黑臭水的COD、NH3-N 和TP（图1 所示），其中TMD 材料的净化效果最好，COD、NH3-N 和TP 去除率最高分别可达94.59%、88.19%和93.67%，BiO2材料的净化效果次之，AOB 材料最弱，推测可能是由于人工黑臭水的pH 不稳定，温度低、时间短等原因不利于微生物的生长繁殖，从而对其净化效果无明显作用。此外，发现这三组材料对人工黑臭水的脱黑除臭作用具有优良效果，可改善水质透明度与色度，有助于微生物的生长与繁殖（图2 所示）。综上可知，泥水分离材料TMD 可有助于改善人工黑臭水的水质指标，脱黑除臭，增加水体透明透光度；生物氧化材料BiO2净化效果次之；工程微生物AOB 净化效果无显著作用。

表1 泥水分离材料TMD 对人工黑臭水的影响

2.2 黑臭底泥的消解实验

分别向上述黑臭底泥中添加不同浓度的TMD、BiO2、AOB，搅拌均匀后静置48 h，观察并检测黑臭底泥的基本指标，结果如图3、表4、表5 和表6。在自然开放条件下，经过48 h 的净化作用，三组材料均可提高黑臭底泥的ORP 与TDS（TMD 与BiO2提高最为显著），促进底泥土著有益微生物的快速繁殖，消解底泥腐殖质，使底泥变黄；TMD 与BiO2随着添加浓度的上升可在不同程度上降低其pH 值。此外，发现这三组材料对人工黑臭水的脱黑除臭作用具有优良效果，可促进底栖微生物繁殖代谢，消解底泥腐殖质，使污泥颜色变黄（图3 所示）。综上可知，生物氧化材料BiO2有助于底泥的脱黑除臭，提高ORP，增强底栖微生物繁殖代谢，消解底泥腐殖质，使泥层变黄；泥水分离材料TMD 净化效果次之；工程微生物AOB 净化效果无显著作用。

表3 工程微生物AOB 对人工黑臭水的影响

图1 不同浓度的三组材料对人工黑臭水COD、TP 和NH3-N 的去除率

图2 不同浓度的三组材料对人工黑臭水的影响

2.3 人工黑臭水与黑臭底泥原位修复模拟实验

分别向上述圆柱桶中的人工黑臭水与底泥添加不同组合材料TMD、BiO2、AOB，搅拌均匀后静置48 h，观察并检测人工黑臭水与底泥的基本指标，结果如图4 和图5。在自然开放条件下，经过48 h 的净化作用，单一材料中BiO2处理效果较好，作用9 d 后黑臭底泥已开始变黄，水体与泥层接触部分产生大量气泡，在阳光下可形成大量藻类，水体中开始出现少量浮游生物，18 d 全部变黄，并能有效去除水体COD、氨氮与总磷值，但水体呈黄色透明（如图4、图5 所示）；组合材料中人工黑臭水TMD、AOB 处理+黑臭底泥BiO2处理与人工黑臭水TMD 处理+黑臭底泥TMD、BiO2和AOB 处理两种组合净化效果较好，可有效降低水体COD、氨氮与总磷值，消解黑臭底泥腐殖质，致使污泥变黄脱黑除臭，比单一材料BiO2处理效果好，可有效去除水体颜色（如图4、图5 所示）。综上可知，单一生物氧化材料BiO2处理可有助于底泥的脱黑除臭，提高ORP，增强底栖微生物繁殖代谢，消解底泥腐殖质，使泥层变黄，但无法去除水体颜色；而组合材料解决水体颜色的同时，具有单一材料的所有特点。

表4 泥水分离材料TMD 对黑臭底泥的影响

表5 生物氧化材料BiO2 对黑臭底泥的影响

表6 工程微生物AOB 对黑臭污泥的影响

图3 不同浓度的三组材料对黑臭污泥的影响

3 结论

（1）在人工黑臭水的脱黑除臭实验中，三组材料均可提高人工黑臭水的ORP 与TDS，其中TMD 与BiO2材料提高最为显著；TMD 与BiO2随着添加浓度的上升可在不同程度上降低其pH 值；三组材料均可在一定程度上去除人工黑臭水的COD、NH3-N 和TP，其中TMD 材料的净化效果最好，COD、NH3-N 和TP 去除率最高分别可达94.59%、88.19%和93.67%，BiO2材料的净化效果次之，AOB 材料最弱。此外，发现这三组材料对人工黑臭水的脱黑除臭作用具有优良效果，可改善水质透明度与色度，有助于微生物的生长与繁殖。

图4 三组材料的不同组合对黑臭水与污泥的影响

图5 三组材料的不同组合对黑臭水与污泥的影响

（2）在黑臭底泥的消解实验中，三组材料均可提高黑臭底泥的ORP 与TDS，其中TMD 与BiO2提高最为显著，可促进底泥土著有益微生物的快速繁殖，消解底泥腐殖质，使底泥变黄；TMD 与BiO2随着添加浓度的上升可在不同程度上降低其pH 值。此外，发现这三组材料可有助于底泥的脱黑除臭，提高ORP，增强底栖微生物繁殖代谢，消解底泥腐殖质，使污泥颜色变黄。

（3）在人工黑臭水与黑臭底泥原位修复模拟试验中，单一材料中BiO2处理效果较好，作用9 d 后黑臭底泥已开始变黄，水体与泥层接触部位产生大量气泡，水体中开始出现少量浮游生物，18 d 全部变黄，并能有效去除水体COD、氨氮与总磷值，但水体显黄色透明；然而组合材料中人工黑臭水TMD、AOB 处理+黑臭底泥BiO2处理与人工黑臭水TMD 处理+黑臭底泥TMD、BiO2和AOB 处理这两种组合净化效果较好，可有效降低水体COD、氨氮与总磷值，消解黑臭底泥腐殖质，致使污泥变黄脱黑除臭，与单一材料BiO2处理相比，可有效去除水体颜色。

（4）在组合技术应用过程中,各种单项技术在发挥各自功效的同时得到了协调共生。泥水分离材料TMD可促进泥水分离，改善水质，增强水体透明度；生物氧化材料BiO2可快速提高水体溶解氧，水体中污染物的净化过程由厌氧发酵转化为好氧，促进底泥腐殖质消解，导致黑臭的二次污染物浓度随之降低；投加功能性微生物菌剂AOB 则使这一净化作用得到进一步强化。