微纳米曝气结合生物膜技术在黑臭河涌底泥原位消减中的应用

刘建林

摘 要：本研究以广州市某河涌为试验区域，采用微纳米曝气结合生物膜技术原位消减试验区河涌黑臭底泥。结果表明，在无截污、自然状态下，经过3个月试验，试验区河涌的黑臭底泥厚度减少44%～58%，底泥的含水量、有机物质、有机碳和污染物含量等显著减少。同时，水体透明度和溶解氧含量显著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均显著降低。微纳米曝气结合生物膜技术可有效实现黑臭底泥的原位消减，并显著改善水质指标。

关键词：微纳米曝气;生物膜技术;黑臭底泥;原位消减

中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：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

由于城市建设和人口的快速增长，城市河涌的污染状况日益严峻，河涌黑臭问题凸显[1]。从城市黑臭河涌的成因来看，受污染底泥的内源释放是引起水体水质恶化和黑臭的重要原因[2-4]。但目前对于黑臭河涌的治理报道多见于对水污染的治理，而没重视黑臭底泥对上覆水的二次污染问题，没有从根本上将污染物从水体清除[5-6]。

目前，解决水体黑臭的主要途径有截污纳管、河道清淤、引水补水、曝气充氧、微生物生态化治理等技术[7-9]。其中，微纳米曝气技术是一种新型的水体曝气充氧技术，其在黑臭水体治理工程中具有占地面积小、成本低、效率高的明显优势，因而备受关注[10]，但将其单一应用于黑臭水体治理时对上覆水的治理效果较差[11]。生物膜技术已被广泛应用于污水处理和水厂原水预处理中，被认为是较科学的黑臭水体原位修复治理方式，具有环境友好、生态节能的特点，但需要通过曝气等手段营造出一个比较好的水环境，才能持续性生态化治理[12]。微纳米曝气具有良好的氧传递性，为附着于膜表面的微生物提供充分氧气，促使生物膜的健康生长，可更好地发挥二者的优势。目前，综合应用两种技术原位消减底泥并同时关注底泥和上覆水净化的研究还鲜有报道。

为此，本研究拟将微纳米曝气与生物膜技术结合起来应用于试验区黑臭河涌的底泥消减治理，探索适合于城市黑臭河涌的底泥原位消减方案，为城市水环境治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试驗河涌概况

本文选取的河涌为广州市荔湾区一管道式河流——驷马涌，它是一条集防洪排涝、景观美化功能为一体的河涌，总长约2.633 km，主要为明涌及箱涵。非汛期阶段，水域相对静止，但泄洪期间在河涌实施或采用的所有技术手段都要经得起泄洪考验。驷马涌两岸虽都已铺设截污管，但是沿途仍有大量污水排口，污水直接排入河涌，导致河涌上游水体严重黑臭，对周边居民生产生活产生了较大影响，急需治理。

该河涌底泥密度较低，属较疏松类型，含水率为73%～78%，底泥质地总体上属偏砂土。河涌底泥的厚度范围从上游到下游基本保持在0.4～1.2 m，其中大段淤积厚度保持在0.7 m左右，受水文因素和人类活动的影响，下游底泥厚度大于上游。

1.2 曝气和生物膜装置的布置

1.2.1 微纳米曝气装置。实施的试验河涌共布置20台微纳米曝气装置，平均间距约为90 m，形成20个微生态强化净化区，如图1所示。

微纳米曝气装置工作压力为0.4～0.5 MPa，气泡发生量为16 L/m，设备功率为0.75 kW，气泡粒径为0.2～4 μm，气泡上升速度为4～8 mm/s，含气率为84%～90%，进气方式为负压进气。

1.2.2 生物膜反应器。生物膜反应器装置主要由曝气膜组件和微生物膜两部分组成。试验河涌生物膜反应器采用5.5 kW沉水式风机供气，经PVC供气管道输送至生物膜套件，生物膜临界水力负荷可达5 m3/（m2·h）。本试验沿河涌共布置700套。

1.3 底泥和水质监测

本研究对试验河涌底泥和水质进行检测，分别在河涌上、中、下游设置取样点，每个河段平均3个取样点，取平均值。取样时间从2018年3月1日至7月30日，每隔30 d采样1次，每次采样时间在16：00—17：00。

1.4 底泥和水质指标测定

底泥监测指标为：底泥厚度、含水量、有机质、有机碳、总镉（Cd）、总铅（Pb）、总镍（Ni）等指标。上覆水质监测项目包括：DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N。除底泥厚度和DO现场直接测定外，其余指标均為现场取样后带回实验室测定。

底泥厚度的测定采用标杆法，底泥含水量、有机物、有机碳及重金属含量的测定参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）。

DO、TP、TN、CODCr、NH4+-N等的测定方法参考《水和废水监测分析方法》（第4版）[13]，pH值、DO、ORP和T为YSI（美国，YSI Professional Plus）现场读数，浊度为数字式浊度仪（上海，WGZ-1）测定。

1.5 数据处理方法

数据的整理采用Origin8.6软件完成;采用SPSS软件统计分析，所得数值均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 底泥厚度变化

图2为微纳米曝气结合生物膜技术处理试验河涌期间底泥厚度随时间的变化情况。由图2可知，从开始到30 d的时间，试验场内底泥厚度的下降趋势不显著，而30～90 d期间试验河涌的底泥厚度呈极显著性下降趋势，其中上中游的底泥厚度的下降幅度为44%左右，下游底泥的下降幅度高达58%。经过90 d后，各阶段的底泥厚度下降速度没有显著变化。

生物膜原位修复技术用于黑水治理，主要利用附着于膜表面的微生物对底泥和上覆水中污染物的降解作用[14]。处理初期，生物膜上的微生物处于适应期和生长初期，其对有机物等污染物的降解作用小，因此，出现在0～30 d内各河段底泥的厚度变化不显著的现象。而经过30 d微纳米曝气，水体提供了大量DO，在良好的好氧环境下，生物膜上的好氧微生物大量繁殖，底泥中的有机物等得到高效的分解，这可能是30～90 d期间试验河涌上中下游底泥厚度显著下降的原因。但随着底泥有机质的减少，生物膜上的微生物繁殖速度减弱，90 d后各河段底泥厚度的变化不显著。此外，120～150 d内的底泥厚度稍出现上浮，该微量上浮可能跟此时间区间为夏季六七月份有关，广州六七月份降雨量大，降雨泄洪带来的淤泥会造成底泥厚度增加。

2.2 底泥含水量

河涌底泥含水率的差异主要受底泥的颗粒组成及底泥有机质含量等因素的影响，底泥颗粒质地越轻或有机质含量越高时，含水率越高[15]。该河涌底泥的成分比较复杂，底泥中生活有机物垃圾数量很大，底泥密度较低，属较疏松类型。微纳米曝气结合生物膜技术处理试验河涌期间，底泥含水量随时间的变化情况如图3所示。由图3可以看出，试验河涌上中下游各河段的底泥含水量变化跟底泥厚度的变化趋势类似，从开始到30 d的时间，底泥含水量的下降趋势不显著，而30～90 d期间显著性下降。这说明随着微纳米曝气向水体中大量输送氧气，生物膜上的好氧微生物大幅降解底泥中的有机物，试验河涌上中下游底泥含水量出现显著下降的趋势。但在90～150 d内，上中下游河段底泥含水量的上升幅度高于底泥厚度的变化，估计是由六七月份的降雨泄洪所引起的。

2.3 底泥中有机物和有机碳的含量

该试验河涌底泥中生活有机物垃圾含量高，受水文因素的影响，从上游到下游底泥有机物和有机碳含量逐渐增加。由图4、图5可以看出，经微纳米曝气和生物膜技术处理后，试验河涌上中下游各河段的底泥有机物和有机碳的含量变化趋势类似，人工曝气对水体的循环流动作用有利于有机物的氧化分解。从开始到30 d的时间，底泥有机物和有机碳的含量下降趋势不显著，而处理30 d后，二者含量均显著下降，至150 d时底泥中有机物和有机碳的降解率分别达到40%左右，其含量变化的特征也验证了上述关于生物膜上的好氧微生物适应期和大幅生长期降解底泥有机物规律的推论。而且，在90～150 d内，上中下游河段底泥有机物和有机碳含量的变化受六七月份降雨泄洪的影响不大。

2.4 上覆水的透明度

依据报道，曝气初期底泥的上翻及其释放的污染物会造成上覆水透明度升高[16]。笔者在微纳米曝气处理初期（0～12 d）也观察到示范河涌的中下游水面上形成气泡和底泥翻涌现象明显，覆水透明度暂时上浮动，但随后逐渐变清。由图6可以看出，项目实施的前三个月试验河涌的上覆水透明度显著性增加，特别是60 d后，各阶段的透明度分别由最初的10～20 cm变化到30～40 cm，参考同一阶段底泥有机物含量等的变化，此时生物膜上的微生物已开始大量生长并对有机物等进行降解处理。处理三个月后，各河段水质透明度增加显著，特别是上游清澈见底。但在90～150 d内，受六七月份的降雨泄洪影响，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

溶解氧是与河道氧化还原电位、微生物的种类与活性、有机物的降解等密切相关的一个重要水质指标，直接影响各污染物指标的变化[17]。由图7可以看出，在五个月的治理期间，上覆水的DO一直呈上升趋势，反映出微纳米曝气于水体提供的良好氧溶性。30～120 d内，各河段上覆水的DO分别达到7～8 mg/L，促使该阶段生物膜上的好氧微生物大幅生长。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响。

2.6 上覆水的COD值

河道上覆水COD受底泥的影响较大，底泥不断释放的有机物会造成上覆水COD升高[18]。初期处理时微纳米曝气扰动底泥，促进其向上覆水体释放有机物的速率。但同时曝气也促使生物膜上的好氧微生物快速生长繁殖，活性增强，作用于底泥有机物。由图8可以看出，0～30天内，各河段上覆水的COD下降幅度显著低于后期，估计是受初期底泥上翻的影响。在30～60天内，随着曝气的持续进行，上覆水体中DO浓度升高，好氧微生物活性增强，提高了上覆水体COD下降速率，各河段上覆水的COD浓度由50～70mg/L降到20～40mg/L。同样，上中下游河段上覆水的COD浓度受六七月份降雨泄洪的影响不显著。

2.7 上覆水的TP和SS

由圖9可以看出，0～30 d内，各河段上覆水的TP值开始显著下降，可能是在好氧条件下，底泥中磷的释放作用受到抑制。随着处理的进行，30～120 d内SS值的下降幅度更显著。此阶段较高DO浓度下，硝化细菌等好氧性细菌活性较强，生物合成代谢作用旺盛，水体中总磷浓度出现了下降的现象。整个期间，各河段上覆水TP值去除效率为73%左右。

处理初期，微纳米曝气处理对底泥的扰动，导致上覆水体中污染物含量的升高，而此阶段生物膜上的微生物尚未大量发挥其对污染物的降解作用。故在0～30 d内，各河段上覆水的SS值变化幅度较小，如图10所示。随着曝气的持续进行，各河段上覆水的SS值开始显著下降。此外，六七月份降雨泄洪对上中下游河段上覆水SS值影响较大。

2.8 上覆水的NH4+-N

研究发现，河道水体的氮循环与水体DO浓度密切相关，人工曝气对水体的循环流动作用有利于氮的转化[19]。而且，随着水体DO浓度增加，硝化细菌的活性增强，把NH4+-N转化为NO3-或者NO2-，使得上覆水中NH4+-N浓度大幅度下降[20-21]。如图11所示，在处理初期阶段，除了上游河段，中下游河段水体中NH4+-N值并未出现明显下降趋势。在30 d后，试验河涌水体中NH4+-N值显著下降，特别是60～120 d内，NH4+-N去除率为78%左右。

3 结论

微纳米曝气结合生物膜技术有效减少了试验区河涌的黑臭底泥厚度、底泥的含水量、有机物质、有机碳和污染物含量等。水体透明度和溶解氧含量显著增加，氨氮含量、COD、SS、TP均显著降低。微纳米曝气结合生物膜技术可有效实现黑臭底泥的原位消减，并显著改善水质指标。

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