底泥生物氧化对黑臭河道上覆水体影响

底泥生物氧化对黑臭河道上覆水体影响研究关键词：黑臭河道；底泥氧化；上覆水体；研究Abstract:UtilizeartificialconstructSimulationRiver,studystaticbiologicaloxidationofthesedimentaswellastheinfluenceonupperlevelwaterofdifferentsedimentconditioninblack-odorRiverinthedynamiccondition.Theresultindicatesthatbiologicaloxidationofthesedimenthasverytremendousinfluenceonthewaterqualityofupperlevelwater;especiallytheTPandPO43-ofupperlevelwaterwhentheentryingvelocityofflowislower.Keywords:Black-odorRiver;BiologicalOxidationofSediment;UpperLevelWater;Study1前言随着经济的发展，大量生活污水和工业废水排入城市河道，导致河道水体富营养、甚至黑臭。底泥作为城市河道内源污染，是水体黑臭的重要原因。底泥污染是我国城市河道普遍存在的环境问题，特别是南方河网地带的城市河道，由于受潮汐影响，黑臭水体随潮涨潮落，在城市河道内作往复运动，加速了污染物在底泥的积累，造成黑臭底泥淤积。目前对污染底泥的修复主要采用底泥疏浚、底泥氧化、底泥封闭等三大类技术[3--13]，由于底泥疏浚费用太高，底泥封闭可能破坏河道生态系统，底泥氧化在底泥修复中起到越来越重要作用。底泥氧化包括通过机械作用进行深层曝气和破坏水体分层、化学增氧等，也有通过土著微生物、生物促生剂、电子供（受）体等对底泥进行生物氧化[3,4,14,15,16]。研究表明，底泥生物氧化对河道生物修复和生态恢复具有重要作用，是城市黑臭河道治理的不可或缺的技术措施。本文在此基础上，进一步研究底泥生物氧化对黑臭河道底泥和上覆水体水质影响，以及其在河道生物修复和生态恢复治理中的作用。2材料和方法2.1模拟河道模拟河道长15米左右，宽2.6米左右，深1.0米，由3格组成，河道底和岸为砖混凝结构，根据研究需要，填入15cm黑臭河道底泥进行试验，河道上游为黑臭水体入口，通过模型河道前后的调节池和水泵、管阀系统模拟河道水动力条件和进水水质，前后的蓄水池蓄水量各50吨，每条模拟河道水容量为10m3，模拟河水流速为0-6m3/h。处理3（3#）不作任何药剂处理。完全静态条件下，连续进行10天底泥生物氧化处理，在完全不进水的条件下，测水体COD、NH3-N、TP、DO、pH、叶绿素a等水质指标。2.3动态研究在静态研究的基础上，对于经过底泥氧化、未经底泥氧化、和没有放置底泥三种情况的河道作动态研究，以上游蓄水池污水流量作为变量，污水流量1/16、1/8、1/4、1/2、1Q/天（Q为每条模拟河道体积），各处理3天，逐步加大。动态试验上游蓄水池污水均经过曝气处理，增氧量为：1.1kgO2/h，经过增氧的水体呈乳白色，通过水泵按设定的污水流量进入模拟河道，同时测水体各种理化指标和生物学指标。2.4测试方法DO：采用上海产溶解氧测定仪，于每天上午11：00现场测定；透明度：采用自制塞氏盘进行测定，于每天上午11：00现场测定；pH：采用上海产笔式pH计，于每天上午11：00现场测定；CODcr：采用重铬酸钾法测定；以上测定方法见文献1，23结果与讨论3.1静态试验研究结果与讨论3.1.1静态试验过程中上覆水体CODcr变化图1静态试验过程中上覆水体CODcr变化图1为静态底泥氧化过程中上覆水体CODcr的变化曲线图，由图可以看出，静态底泥氧化过程中，三条模拟河道上覆水体CODcr在10天内缓慢减少，试验开始时候，模拟河道中CODcr在70mg/L左右，试验进行10天后，放有底泥的1＃、2＃模拟河道上覆水体的CODcr降为40mg/L左右，而没有放底泥的模拟河道（3＃）上覆水体CODcr则由开始的75mg/L下降岛60mg/L左右。在试验过程中，CODcr变化有比较大的波动现象，这可能是由于模拟河道水体基本上维持静止不动状况，从而导致模拟河道各处水质分布不均匀现象。由图可以看出，在整个试验过程中，上覆水体的CODcr变化不是很大，这是因为上覆水体基本上处于黑臭现象，溶解氧一直维持在比较低水平，基本上<1mg/L（数据未给出），而CODcr的降低一般主要归功于好氧微生物的生长繁殖，而在这样比较低的溶解氧水平，微生物生长受到抑制，因而活力不够从而导致CODcr变化不大。3.1.2静态试验过程中上覆水体NH3-N变化图2静态试验过程中上覆水体NH3-N变化静态底泥氧化过程中上覆水体NH3-N变化见上图，由上图可以看出，3＃模拟河道中的NH3-N一直维持在相对较低的水平，1-2＃模拟河道的NH3-N一直维持在17mg/L左右，而3＃模拟河道NH3-N一直维持在14mg/L左右，这是因为1-2＃模拟河道底部填有15cm的河道底泥，这些底泥相当于一个污染源，不断的向上覆水体释放其中所含有的NH3-N，从而导致三条模拟河道中的NH3-N浓度差异比较大。上覆水体中的NH3-N总体上维持不断下降的趋势。3.1.3静态试验过程中上覆水体TP和PO43-变化图3静态试验过程中上覆水体TP变化图4静态试验过程中上覆水体PO43-变化静态底泥氧化过程中模拟河道上覆水体TP和PO43-变化见图3和图4，比较图3和图4，可以看出，没有放底泥的3＃模拟河道的TP和PO43-浓度都远远高于放有底泥的1＃和2＃模拟河道，原本3条模拟河道的河水都来自同一蓄水池，初始浓度本该相差不大，而上图显示差距巨大，这是因为模拟河道加满上覆水体后几天，我们才开始研究工作。因为底泥含有大量的各种金属离子，这些金属离子很有可能与PO43-发生反应生成溶解度不高的物质，沉淀于河底成为底泥的一部分，因为3＃模拟河道底部并没有底泥，从而导致3条模拟河道上覆水体的TP、PO43-相差较大。比较图3和图4中1＃和2＃模拟河道中的TP和PO43-变化曲线，发现做了底泥氧化的1＃模拟河道上覆水体中，TP和PO43-浓度均较没进行底泥氧化的2＃模拟河道上覆水体低，说明底泥氧化过程有利于P从上覆水体转移到河道底泥，并成为河道底泥的一部分，因而底泥氧化有利于水体中P的固定，所以底泥氧化对于某些富营养化水体的治理具有非常好的促进作用。3.2动态试验结果与讨论根据试验安排，在静态底泥氧化试验结束后，我们对经过底泥氧化、未经底泥氧化、和没有放置底泥三种情况的河道作动态研究，通过改变模拟河道上游入水流速，研究在不同流速下上覆水体各项水质指标的变化，也既是水体在模拟河道中的停留时间不同对于上覆水体各项水质指标的影响。3.2.1动态试验过程中上覆水体CODcr变化表1动态试验过程中上覆水体CODcr变化流速（m3/h）浓度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水浓度94765763721＃模拟河道出水62584858672＃模拟河道出水65574151623＃模拟河道出水4952464174由表1可以看出，由于随着模拟河道入水流速增加，相应的水体在模拟河道的停留时间下降，模拟河道入水口水质与出水口水质之间的差值逐渐减少，当流速为0.17m3/h时，由入水92dmg/L分别下降到62mg/L，65mg/L和49mg/L，降幅分别达30mg/L，27mg/L和43mg/L；当入水流速提高到2.68m3/h时，入口只是由入口的72mg/L下降到67mg/L和62mg/L，水质变化非常小，3＃模拟河道甚至根本就没有什么变化。这是因为入水流速小，因而水体在模拟河道中的停留时间增加造成的。3.2.2动态试验过程中上覆水体NH3-N变化表2动态试验过程中上覆水体NH3-N变化流速（m3/h）浓度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水浓度15.817.87.9213.8112.881＃模拟河道出水16.616.811.1612.1913.442＃模拟河道出水15.41710.8412.6112.993＃模拟河道出水14.616.711.3512.4613.39试验过程中NH3-N变化见表2，由表2可见，随着流速的增加，NH3-N变化不明显，甚至有增加的趋势，这可能是因为模拟河道底泥释放NH3-N造成的，在前面静态试验也基本上呈现类似规律，表明底泥氧化对黑臭河道水体中的NH3-N作用不是那么明显；另外的原因可能就在于入水水质非常不稳定造成的，因为入口和出口水样基本上在同一时间采集，而河道水体水质受多方面原因影响，造成水质不稳，变化幅度大，这就可能造成某些样品出口甚至比入口还大的原因。总的来说，底泥氧化对去除水体中的氨氮效果不够理想，经过深入分析也确实会出现这样的试验结果。一般来说，大多数学者都认为，要完全将氨氮从水体中去除，需要经过两个阶段：好氧硝化阶段，厌氧反硝化阶段，其中好氧硝化阶段要消耗大量的溶解氧，并且反应时间较长；而厌氧反硝化阶段则需要在缺氧或者厌氧条件下，在反硝化细菌的作用下才能发生，而且需要消耗碳源，所有这些因素在模拟河道中很难全部得到满足，因而模拟河道中的氨氮变化不大也是可以理解的。3.2.3动态试验过程中上覆水体TP和PO43-变化表3动态试验过程中上覆水体TP变化流速（m3/h）浓度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水浓度4.034.821.972.573.321＃模拟河道出水1.833.412.572.233.722＃模拟河道出水2.663.662.292.413.733＃模拟河道出水3.33.952.572.733.57表4动态试验过程中上覆水体PO43-变化流速（m3/h）浓度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水浓度1.922.460.881.951.91＃模拟河道出水1.191.61.281.592.062＃模拟河道出水1.452.661.271.8223＃模拟河道出水1.712.391.331.781.97试验过程中上覆水体TP和PO43-的监测结果见表3和表4，由表3可知，在较低流速下，底泥氧化对上覆水体TP和PO43-有比较明显的去除效果。当流速为0.17m3/h时，PO43-由入水的1.92mg/L下降到1.19mg/L，而没有作底泥氧化的2＃模拟河道则只是下降到1.45mg/L，3＃模拟河道只是降为1.71mg/L；1＃模拟河道的TP由开始的4.03mg/L下降到1.83mg/L，2#模拟河道则下降为2.66，3＃下降为3.3mg/L，表明底泥氧化对P的去除效果非常明显。但是，当入水流速增大后，P的去除效果逐步降低，这可能是因为流速增大，上覆水体还没来得及和底泥中存在的物质进行充分的作用，就已经排出模拟河道造成的。4结论通过前面的分析讨论，可以看出，底泥对于上覆水体中的TP和PO43-有非常明显的影响，特别是当入水流速较小时，没有底泥的模拟河道上覆水体TP和PO43-的浓度大大高于有底泥的模拟河道，当入水流速为浓度分别为当流速为0.17m3/h时，没有底泥的3＃模拟河道出口TP高达3.3mg/L，而有底泥的模拟河道只有1.7-1.8mg/L左右。底泥是河道污染物长期积累的载体,底泥和上覆水体通过泥-水界面的物质交换互相影响。底泥通过消耗水体溶氧[1-3]、释放有机污染物[4-6]和营养盐[7-10]，等形式影响上覆水体,是河道的重要次生污染源；同时底泥又是河道生态系统的重要组成部分,河道自净作用主要源于其稀释、固相吸附、生物分解等,其中底泥吸附和生物分解是河道污染物迁移和转化的主要形式,底泥对河道自净功能具有不可替代的作用[11]。底泥生物氧化是一个好氧分解过程，随着河道底泥生物氧化，从河道泥水界面到深层底泥，形成好氧-兼氧-厌氧区，泥-水界面氧化层的形成对维持底泥好氧微生物区系和底栖生物的多样性十分重要，泥-水界面氧化层和深层底泥通过硝化-反硝化作用可部分除去输入河道的N负荷；泥-水界面氧化层能吸附部分输入河道的P负荷，同时阻止N、P营养盐底泥向上覆水体释放；泥-水界面氧化层可分解来自河道污染物、浮游动植物残体，除去输入到河道中的有机污染物；底泥亚扩散层的屏蔽效应可以阻止深层底泥不断渗出的有机质和其它污染物,抑制有毒物质向河道水体扩散[12,13]。底泥氧化层厚度,很大程度决定了河道自净能力,底泥氧化层越厚,河道自净能力越强,反之,河道自净能力越弱[14,15,16]。水体黑臭、底泥淤积是我国城市河道普遍现象,污染底泥修复对我国城市河道治理具有特别重要的意义。1王敏，张明旭.苏州河武宁路断面底泥需氧量测定[J].上海环境科学，2003,22（6）：418-4222刘富强，杞桑.珠江广州河段员村段的底泥耗氧[J].环境科学，1994,15（1）：31-353袁文权，张锡辉，张光明.底泥生物和化学需氧动力学模式的探讨[J].上海环境科学，2003，22（12）：921-9254毕春娟，郑祥民，陈振楼.苏州河市郊底泥中CODcr和NH3-N的空间分布特征[J].上海环境科学，2000，19（7）：305-3085周灵辉.外秦淮河底泥释放对上覆水水质的影响[J].环境监测管理与技术，2003，15（5）：41-426张丽萍,袁文权,张锡辉.底泥污染