生物促生剂修复城市河道黑臭水体的曝气协同作用研究

吴霄琦

(安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230000)

1 前言

临泉县于2013年开始着手城区水系整治工作，分别在2013年～2017年间对城区十字河、阜临河桃源河-姜尚大道段、于王沟临鲖路-霞光大道段、育才河阜临河-霞光大道段、白沟泉河-霞光大道段、临艾河阜临河-霞光大道段等河道进行了整治。2019年开始，在前期水系整治成果的基础上启动临泉县城区水系综合整治(含黑臭水体治理)工程。

对于城市河道黑臭水体治理而言，所采取的治理修复措施对治理效率和效果至关重要，根据类似成功经验，生物促生剂属于城市河道黑臭水体微生物修复技术，将生物促生剂加入污染水体后通过促进微生物生长达到改善和净化水体的目的。生物促生剂在地表水、土壤及底泥修复方面已有较为广泛的应用。但是，在城市河道黑臭水体修复方面单独使用生物促生剂对水体及底泥中的COD、氨氮、总磷等的去除效果并不理想。而曝气是广泛应用于河流湖泊治理修复的一种技术，曝气治理成本主要受曝气时间长短的影响，曝气时间越短，则治理成本越低。本文主要对生物促生剂修复城市河道黑臭水体的曝气协同作用进行研究。

2 试验方案

2.1 试验取样

取样在临泉县城区水系阜临河桃源河至姜尚大道段、于王沟临鲖路至霞光大道段、育才河阜临河至霞光大道段、临艾河阜临河至霞光大道段等河段进行，所采集样本经过初始污染浓度的分析发现，样本中COD浓度为78 mg/L～96 mg/L，氨氮浓度为45.48 mg/L～83.29 mg/L，总磷浓度为0.75 mg/L～1.71 mg/L，底泥有机质含量为7.51%～8.84%。

为进行生物促生剂修复临泉县城区河道黑臭水体曝气协同效果对比分析，将试验过程中上覆水深和底泥厚度均设定为0.5 m，考虑到试验过程中检测取水及蒸发等的影响，应定时将所取临泉县城区水系原样水注入试验装置。为进行城市黑臭水体生物促生剂修复过程中曝气协同作用分析，及曝气方式和曝气量的量化确定，本试验共设计4组对照试验组，分别为：X1组为空白对照组；X2组为按0.05 mL/m3的体积比定时掺加生物促生剂；X3组为采用与X2组相同的方法掺加生物促生剂并连续曝气处理，并使溶解氧浓度控制在8.0 mg/L水平；X4组为采用与X2组相同的方法掺加生物促生剂并考虑生物促生剂具有促进兼气性微生物生长的作用，故按4 h/d的频次间歇曝气处理，使溶解氧浓度控制在2.0 mg/L～3.0 mg/L水平，以通过促进兼气性微生物生长而达到上覆水和底泥污染物降解的作用。

2.2 试验仪器及装置

试验仪器主要包括COD快速检测仪、蒸汽灭菌器、溶氧仪、DHG型恒温干燥箱等，试验装置按直径15 cm、高100 cm的圆柱形设计(见图1)，且沿装置长度方向按10 cm的间距开孔，将开关阀门设置在孔上以便进行样本收集。试验所使用的生物促生剂主要有嘧啶、嘌呤和矿物质。曝气处理装置设置高度不影响河道底泥，光照通过白炽灯提供，且光照时间控制在10 h/d，试验温度恒定在最容易产生黑臭现象的25℃水平，试验时间60d，将圆柱形试验装置用锡箔纸包裹，防止白炽灯直接照射底泥。在试验过程中每天都进行上覆水体试验样本COD、氨氮、总磷及底泥试验样本有机质等含量的监测。

图1 圆柱形试验装置

3 试验结果及分析

3.1 对上覆水COD的治理效果

根据图2中临泉县城区水系河道上覆水COD治理结果，X1试验组在治理过程中并无十分明显的变化，对COD的去除率最大仅为6.98%；X2试验组因掺加生物促生剂而使COD浓度增大，到第45 d达到最大峰值后COD含量急速下降，其对上覆水中COD的去除率达到43.1%；X3试验组掺加生物促生剂并连续曝气处理下上覆水COD含量增加至第35d并达到峰值后快速下降，其对上覆水中COD的去除率达53.6%；X4组掺加生物促生剂并间歇曝气处理后，上覆水COD含量也于试验开始后的第35 d达到峰值，此后以与X3试验组相同的速率开始下降，试验过程对COD的去除率为45.9%。

图2 上覆水COD治理结果

在试验水样中掺加生物促生剂后导致COD含量上升并在较长时间段内持续保持高水平，主要因底泥有机污染物释放至上覆水体所致，在掺加生物促生剂后导致试验水体内土著微生物快速生长并产生降解底泥的作用，加速底泥污染物释放。在曝气的协同作用下加速水体内有机污染物降解的同时，导致COD含量降低，并使COD浓度峰值提前出现，使生物促生剂对黑臭水体的修复速度加快。针对上覆水体中COD含量的整体作用而言，掺加生物促生剂并连续曝气处理的效果优于间歇曝气处理效果。

3.2 对上覆水氨氮的治理

结合相关研究结果，氨氮是城市河道黑臭水体主要评价因子之一，本次试验上覆水样中氨氮主要来自取样水体中原有氨氮以及底泥中有机氮发生氨化反应后产生的氨氮。根据图3中临泉县城区水系河道上覆水体氨氮治理结果，X1试验组在治理过程中氨氮含量也明显变化，其经过自然降解后对氨氮的去除率只有19.76%；X2试验组因生物促生剂的掺加而使氨氮含量起初以较快速度增大，在第50 d时经历峰值后趋于下降，直至实验结束均保持较高水平，通过分析原因发现，生物促生剂的掺加使水样内微生物生长速度加快，同时也加快了氨氮分解速率，导致水样内溶解氧迅速消耗，底泥也持续发生厌氧分解反应，进而生成氨氮并不断累积。X3和X4试验组氨氮含量变化趋势十分接近，分别在试验开始后的30 d和20 d达到峰值后开始大幅度下降，对黑臭水体中氨氮的去除率分别达到98.9%和98.4%。充分表明，曝气的协同作用使生物促生剂对黑臭水体中氨氮的去除效果有效增强，并使治理和修复时间大大缩短，主要原因在于，曝气对黑臭水体中氨氮具有吹脱作用，曝气所营造的好氧环境也能有效抑制[1]氨氮的产生并加速氨氮分解，达到治理黑臭水体的作用。

图3 上覆水体氨氮治理结果

3.3 对上覆水总磷的治理

根据图4中临泉县城区水系河道上覆水体总磷治理结果，X1试验组总磷含量在试验过程中并无十分显著的变化，试验过程中总磷含量的降低率仅为1.96%；X2试验组总磷含量在试验开始后的第35 d达到峰值后持续降低，试验过程中总磷含量的降低率达到42.3%；X3试验组总磷含量整体比X2试验组低，而且试验开始后总磷含量先呈降低趋势，在第10 d后逐渐在较低水平趋于稳定；X4试验组在试验开始后其总磷含量表现出与X3试验组相同的下降态势，但是在试验开始后的第10 d开始上升，第20 d开始下降，降至0.4 mg/L的水平后稳定变化，整个试验过程对总磷的去除率达到74.1%，且间歇曝气协同处理对总磷的去除效果整体优于连续曝气。

图4 上覆水体总磷治理结果

污染水体内的磷主要来自水体中原有、底泥有机磷转化及底泥无机态磷转化释放、底泥溶解磷吸附释放等渠道，底泥磷的释放量主要受到试验温度、 pH值、 溶解氧、 微生物作用、

底泥悬浮作用、底栖动物作用等的综合影响。结合相关研究结果，在底泥有机物发生好氧反应后，其内源磷因受到激发而快速释放，供氧能有效抑制底泥内源磷的释放。在本试验开始后的前30 d，由于溶解氧较低，且底泥释放内源磷较多，间歇曝气处理方式下试验水体内的总磷含量比连续曝气处理方式高，第30 d后，则出现相反的情况。厌氧-耗氧交替作用下会增强聚磷菌作用，加速污染水体中磷的去除，所以，间歇曝气去除总磷的协同效果优于连续曝气。

3.4 对底泥有机质的治理

根据图5中临泉县城区水系河道底泥有机质治理结果，X1试验组底泥有机质含量无明显变化，其余试验组底泥有机质均呈下降趋势，X2、X3、X4试验组有机质含量降低幅度分别为4.9%、10.8%和25.4%，间歇曝气对城市河道黑臭水体治理的协同作用显然优于连续曝气。

图5 底泥有机质治理结果

4 结论

通过对上述临泉县城区水系河道黑臭水体生物促生剂处理及曝气协同作用试验的综合分析发现：(1)仅采用生物促生剂修复城市河道黑臭水体效果并不理想，而加入曝气后协同治理能取得较好效果，试验过程结束后，试验水体中COD含量、氨氮、总磷及底泥有机质等的降幅分别达到53.6%、98.9%、74.1%和25.4%；(2)间歇曝气与连续曝气治理效果较为接近，而间歇曝气每天只需曝气4 h，将溶解氧浓度控制在2.0 mg/L～3.0 mg/L范围，所以结合临泉县城区水系实际情况，并综合考虑设备及治理成本等方面，选择生物促生剂修复城市河道黑臭水体和间歇曝气协同的治理方案；(3)本文所提出的临泉县城区水系河道黑臭水体生物促生剂和曝气协同修复措施能有效促进上覆水体和底泥内微生物的生长，为充分发挥该项修复措施的治理效果，应进行生物促生剂和曝气协同作用下上覆水体和底泥内微生物种类、数量变动特征及微生物对黑臭水体的修复作用等的深入研究，以全面了解生物促生剂和曝气协同的黑臭水体修复机理，对该技术的推广应用提供借鉴指导。