曝气+底泥改良剂修复黑臭水体污染底泥*

曹 琳 刘 煌 许国静 王图锦

(1.招商局生态环保科技有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

城市内河、湖库受到人类生产生活的影响而遭受污染，过量的有机污染物被分解会迅速消耗水体中的溶解氧，复氧量远低于耗氧量，使得水体处于缺氧甚至厌氧状态，厌氧还原环境中产生大量FeS和MnS等致黑物质，同时微生物代谢产生大量硫醇、硫醚、有机胺、H2S和NH3等致臭气体，使得水体呈黑臭状态[1]。当前诸多城市内河、景观湖库水环境黑臭现象还较突出，严重损害城市人居环境，影响城市形象。对黑臭水体的治理迫在眉睫，这对于提高城市环境质量和人居生活水平具有重要意义。由于污染物进入水体后大量蓄积于底泥，使水体呈现内源污染现象，因此对污染底泥进行有效治理，是解决水体黑臭现象的关键。

底泥深层曝气是一种国内外治理水体黑臭现象的常用技术，通过向深层底泥中强制曝气，加速复氧过程，激活水体中的土著微生物群落，能强化污染物的好氧分解及转化过程，抑制内源氮磷营养盐的释放，削减污染底泥厚度，达到修复黑臭水体的目的[2-4]。曝气技术在黑臭水体治理中得到广泛应用，但其应用方式较单一粗放，进一步深化研究曝气技术与其他底泥修复技术的联用，选择更经济可行、长久有效的底泥修复技术对黑臭水体的治理具有重要意义。

本研究采用黏土基质材料、复合微生物菌种、微生物营养素、稀土镧等制备了一种复合的底泥改良剂，通过与曝气技术联用，以期迅速改善底泥理化性状和氧化性，在消除底泥黑臭现象的同时，稳固底泥中营养盐成分，抑制营养盐的过量释放，从而达到长效治理水体污染的目的。

1 材料与方法

1.1 实验装置和材料

本实验装置采用内部直径30 cm、高50 cm的塑料桶，每个桶底部铺设10 cm厚的底泥，覆水30 cm，具体见图1。上覆水采自一景观水池，经过200 μm孔径的筛网过滤后注入实验装置中。底泥采集自重庆市望月湖，使用前采用1 cm孔径的筛网去除底泥中的枯枝、石块等杂质，搅拌混匀后分装于实验装置中。底泥理化性状见表1。底泥呈松散泥浆状，有明显的黑臭特征，含水率高达76%，氮磷营养盐及有机质含量较高，硫化物和Fe2+分别达到395、136 mg/kg，pH呈中性。

表1 底泥的理化特征

图1 实验装置示意图

底泥改良剂的制备：配制1 L 5 μmol/L的LaCl3溶液，加入20 g膨润土后连续搅拌5 h，静置熟化24h，再用Na2CO3溶液调pH至8左右，继续搅拌1 h，离心并洗涤后加入10 mL复合芽孢杆菌菌液(细菌成分为枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，总菌浓度为2×109个/mL)，搅拌混匀，最后使用冷冻干燥法干燥制得。

1.2 实验方法

1.2.1 底泥修复方法

底泥修复实验设置4个处理(见表2)。实验期间每日静置1 h后取底泥分析理化指标变化特征，包括硫化物、有机质、Fe2+和氨氮含量，以及荧光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性，修复完成后分析底泥中磷形态变化特征。

表2 实验设计

1.2.2 曝气量和底泥改良剂剂量对底泥修复的影响

底泥改良剂剂量设置为20 g，实验10 d后考察曝气量(0～0.4 L/min)对底泥修复效果的影响；曝气量设置为0.2 L/min，实验10 d后考察底泥改良剂剂量(0～40 g)对底泥修复效果的影响。

1.2.3 修复底泥对沉水植物生长的影响

选用G1～G4修复完成后的底泥栽种沉水植物。购买长势健壮一致的苦草(Vallisnerianatans)和伊乐藻(Elodeanuttallii)幼苗，采用扦插方式分桶种植，苦草、伊乐藻每桶分别种植15、20株。4个处理分别设置3个重复，2021年3月20日种植，4月20日收获，共30 d。植株取出后用清水洗净，测定植株分枝数、植株鲜质量、植株地上/地下部分鲜质量、丙二醛(MDA)含量等。

1.3 检测方法

底泥理化指标参照文献[5]进行测试。底泥中的磷形态划分为弱吸附态磷(NH4Cl-P)、可还原态磷(BD-P)、有机磷(Org-P)、金属氧化物结合态磷(NaOH-P)、钙结合态磷(HCl-P)和残渣态磷(Ref-P)，参照文献[6]进行分析。植株鲜质量和MDA含量参照文献[7]进行测定。FDA水解酶活性参照文献[8]进行检测。

植株相对生长率(RGR，g/(g·d))计算公式[9]如下：

(1)

式中：Wi、Wf分别为实验前、后植株的鲜质量，g；D为实验时间，d。

1.4 数据分析

使用Excel 2003软件对数据进行统计分析，使用SPSS 15.0软件对数据组进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 修复方式对底泥理化性质的影响

不同修复方式处理后底泥黑臭性状发生不同变化，G1和G3底泥仍旧呈现黑臭特征，而G2和G4底泥黑臭现象得到彻底消除，底泥呈黄褐色，无臭味。修复过程中底泥的理化特征变化见图2。G1底泥理化性质无较大变化，各项污染物含量仍旧很高。G2经过处理，至修复结束，硫化物、Fe2+、氨氮分别降低至68、41、20 mg/kg，有机质降低至5.28%，降幅分别为83%、70%、53%、22%。曝气消除底泥黑臭的原理在于致黑致臭物质与硫酸盐还原菌、铁还原菌、甲烷氧化菌等厌氧微生物的代谢息息相关，曝气能改变底泥中的氧化还原电位，使得底泥由厌氧还原状态转变为氧化状态，抑制这类厌氧菌的生长，从而阻断致黑致臭物质的生成[10-11]。同时，曝气能显著提高底泥中与有机污染物降解相关的好氧微生物种群数量，氧化分解黑臭底泥中的硫化物、硫醚、硫醇等致黑致臭物质，从而消除底泥黑臭现象[12-13]。G4对黑臭底泥修复效果优于G2，前期污染物去除快于G2，表明底泥改良剂能加速污染物的去除，底泥黑臭现象得到快速消除；同时，G4对污染物的最终去除率也高于G2，硫化物、Fe2+、氨氮分别降低至45、38、13 mg/kg，有机质降低至5.11%，降幅分别为89%、72%、70%、25%。可见，底泥改良剂对于底泥修复具有一定促进作用，这主要是因为底泥改良剂中的芽孢杆菌发挥了重要作用，芽孢杆菌含有丰富的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，能加速氧化分解有机污染物和氨氮[14-15]。由于芽孢杆菌是一类好氧细菌，其氧化分解作用离不开好氧环境，使用过程施加曝气措施能显著发挥菌种的氧化性能，而在缺乏充足氧气条件下单用底泥改良剂对底泥并无显著修复效果，使得G3的黑臭现象未能消除。

图2 修复过程中底泥的理化特征变化

曝气是消除底泥黑臭现象的关键，曝气量对黑臭底泥的修复效果必然具有重要影响，同时底泥改良剂性能的发挥也依赖于曝气条件，选择合适的曝气量及底泥改良剂剂量对于黑臭底泥的有效修复和成本控制具有重要价值。曝气量和底泥改良剂剂量对底泥修复的影响见图3。随着曝气量的增大，污染物去除率逐渐提高，当曝气量达到0.2 L/min后，再增大曝气量对污染物去除率的提高幅度较小。因此，采用0.2 L/min的曝气量能取得良好的修复效果，有效消除底泥黑臭现象。底泥改良剂的引入对于污染物的去除效果具有一定提升作用，尤其是加大底泥改良剂剂量对氨氮去除的提高幅度较大，当底泥改良剂剂量为20 g时，氨氮去除率比无底泥改良剂时提高了17百分点。超过20 g后再增大底泥改良剂剂量，对污染物去除率的提升幅度减小。综合来看，底泥黑臭治理宜选用0.2 L/min曝气量和20 g底泥改良剂。

图3 曝气量和底泥改良剂剂量对底泥修复的影响

2.2 修复前后底泥磷形态变化特征

磷在底泥中的赋存形态是影响磷稳定性、释放风险及生物有效性的关键性因素。底泥中的活性磷组分(包括NH4Cl-P、BD-P和Org-P)是稳定性较差的磷形态，容易因水环境因素变化的影响而向上覆水释放，NaOH-P、HCl-P和Ref-P是底泥中惰性较高的组分，难以被生物利用，稳定性较高，不容易释放[16-18]。修复前后底泥磷形态的变化见图4。相比修复前，G1底泥磷形态未有明显变化；G2的BD-P大幅度降低，降幅为43%，而NaOH-P和HCl-P增加明显，增幅分别为18%和25%，可见曝气对底泥中磷的稳定化具有一定效果，这与文献[19]、[20]报道一致，曝气创造的氧化环境促进铁锰等金属离子形成氧化态铁锰，吸附钝化内源磷形成稳定性更高的磷形态；底泥改良剂强化了底泥磷形态向HCl-P的转变，G3和G4的HCl-P明显增长，增幅分别为53%和73%。底泥改良剂对磷的稳定化机制主要是底泥改良剂中稀土镧成分对活性磷具有很强的亲和力，能反应生成稳定的磷镧镨矿，磷镧镨矿的老化进一步生成更稳定的独居石(LaPO4)，被稀土镧固定的磷在分级提取过程以HCl-P形式存在，使得底泥中的磷形态发生变化[21]。

图4 修复前后底泥磷形态的变化

2.3 修复前后底泥FDA水解酶活性变化特征

FDA水解酶活性是评价微生物生物氧化性能的重要指标，能反映底泥对污染物的生物氧化能力。由图5可见，G2、G4的FDA水解酶活性逐渐上升，最高分别达到288、295 μg/(g·h)，之后又有所下降。G4的FDA水解酶活性上升更快速，说明底泥改良剂中高活性微生物菌种的引入有助于迅速提升底泥FDA水解酶活性。未曝气的G1和G3，FDA水解酶活性并无较大变化，可见即使引入高活性菌种，强烈厌氧环境也不利于其增殖及提高底泥微生物活性。

图5 修复过程中底泥FDA水解酶活性的变化

2.4 修复底泥对植株生长的影响

2.4.1 植株的生长情况

由表3可见，经曝气处理，G2和G4植株均达到100%成活率，而G1的伊乐藻、苦草的成活率仅为65%、80%。G2植株的鲜质量、相对生长速率和伊乐藻的分枝数均高于G1和G3。曝气能提高植株的成活率，促进植株的生长，其原因在于曝气处理后，底泥从厌氧还原状态转为好氧状态，增强了底泥的氧化性，解除了对植株生长的抑制作用[22-23]。对比G2和G4，添加底泥改良剂对植株的生长具有一定影响。G2的植株结束鲜质量、相对生长率均显著高于G4(P<0.05)。添加底泥改良剂后植株生长速度受到一定抑制，其原因在于底泥改良剂增强了底泥中磷形态的稳定性，磷更难被植株所吸收利用，而植株的过度生长受到抑制这对于水生态系统的平衡稳定是有利的。

表3 植物的生长特征

2.4.2 植株形态特征

由图6可见，G2和G4的植株地下、地上部分鲜质量均高于G1和G3，尤其是地上部分增长量较大。对比G2和G4，G4中伊乐藻、苦草的地上部分鲜质量(91、78 g)低于G2(126、96 g)；G4中伊乐藻、苦草根冠比(0.23、0.18)显著高于G2(0.09、0.12)(P<0.05)，底泥改良剂提高了植株的根冠比。其原因为底泥改良剂的引入，对底泥中磷的固定化作用更强，使得底泥生物可利用性磷含量低于G2，这促进了植株根系的发育，以利于植株从底质环境中吸收充足的营养盐。这与文献[24]、[25]报道相符，在低营养底质环境中，沉水植物的生长受到胁迫，迫使植株分配较多的鲜质量于根部，促进了根系的生长，而一定程度上抑制了地上组织的生长，使得根冠比偏高。

图6 植株形态特征

2.4.3 植株MDA

植株生长处于衰老阶段或是受到环境因素胁迫时，细胞膜脂常发生过氧化作用，造成细胞膜损伤，MDA是细胞膜脂过氧化的重要产物之一，通过测定MDA含量可反映植株细胞膜脂过氧化强度和受破坏程度，掌握植株健康状况[26-27]。G1、G2、G3、G4中伊乐藻的MDA分别为32.6、18.0、34.5、19.5 μmol/g，苦草的MDA分别为16.5、13.5、15.1、12.6 μmol/g。可见，由于底质环境的改善，植株生长受到胁迫作用减弱，使得G2和G4的植株MDA显著低于G1和G3(P<0.05)。同时，环境因素对不同植株生长的胁迫影响存在差异，G1中苦草MDA比G2高22%，伊乐藻高81%，可见相比伊乐藻，苦草对污染底泥的抗逆性更强，更能抵抗不利底质环境对它的影响。

3 结 论

(1) 底泥采用曝气+底泥改良剂方式进行修复，消除了底泥黑臭状态，硫化物、Fe2+、氨氮分别降低至45、38、13 mg/kg，有机质降低至5.11%，降幅分别为89%、72%、70%、25%。底泥中磷形态的稳定化趋势明显，不稳定性磷形态向稳定性磷形态尤其是HCl-P转变，HCl-P增幅达到73%。底泥微生物活性得到大幅提升，FDA水解酶活性最高达到295 μg/(g·h)。

(2) 苦草较伊乐藻对黑臭底泥有着更强的耐受能力，G1的苦草成活率(80%)高于伊乐藻(65%)。曝气+底泥改良剂修复后的底泥解除了对伊乐藻和苦草的生长抑制作用，成活率均达到100%，鲜质量增长，植株MDA显著低于G1。

(3) 曝气+底泥改良剂处理下，由于底泥改良剂对磷的固定作用，修复后的底泥相比G2，磷的生物可利用性降低，使得G4植株鲜质量增长低于G2，根冠比高于G2。