王 越，程婧雯，汪伯寧，于 琦，李 攀

(同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

我國許多流經(jīng)城鎮(zhèn)的河段和城鎮(zhèn)內(nèi)的溝渠塘壩很容易受到有機物和氮磷的污染，這些水體環(huán)境容量小，自凈能力弱，流動緩慢，很容易形成黑臭水體，影響周邊自然環(huán)境和居民生活，嚴(yán)重威脅水質(zhì)安全。目前，對黑臭水體的治理，常用的方法有截污疏浚[1]、生物修復(fù)[2]和曝氣充氧[3-4]等手段。水體自然富氧和耗氧的嚴(yán)重失衡是水體黑臭化的主要原因之一，因而，曝氣充氧、提高溶解氧濃度是一種行之有效的治理手段。

微氣泡曝氣是一種新型的高效曝氣技術(shù)，已經(jīng)在污水處理領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用[5-6]。微氣泡是指直徑小于50 μm的氣泡，其具有比表面積大、內(nèi)部壓力高、上浮速度慢等特點，與普通曝氣方式相比，采用微氣泡曝氣可以顯著提高氣體傳質(zhì)速率[7]和持氣率[8]。本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)微氣泡在水中自然破裂時能產(chǎn)生羥基自由基[9]，微氣泡的水力空化處理對銅綠微囊藻的生長有明顯的抑制作用，也可以有效提高混凝沉淀除藻的效果[10]。因此，微氣泡用于黑臭河道的曝氣增氧不僅可以提高富氧的效率，還兼?zhèn)湟衷宓纳鷳B(tài)修復(fù)作用。目前，已有采用微氣泡曝氣處理黑臭河道廢水的研究[11]，但由于處理的時間短，不能獲得長期微氣泡曝氣對水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)作用。因而，本文采用微氣泡曝氣和普通曝氣對模擬黑臭水體開展了長期修復(fù)治理工作，并對水質(zhì)改善效果進行了評價和對比。

1 材料和方法

1.1 曝氣裝置及運行參數(shù)

本試驗分別使用微氣泡曝氣和普通曝氣兩種曝氣方式處理模擬黑臭水體，并進行對比。兩套裝置的水槽均為PVC材質(zhì)，形狀為近似長方體，長約550 mm，寬約420 mm，正常運行時水深約280 mm，總水量約為60 L，水面下底泥厚度約為40 mm。微氣泡的產(chǎn)生方式為加壓溶氣-減壓釋放法，需要水泵進行連續(xù)的水循環(huán)，循環(huán)水量為4.8 L/min，不考慮短流的情況，整個水槽中水循環(huán)一次的時間約為12.5 min。為了防止出水對底泥產(chǎn)生攪動，微氣泡出水距離底泥高度約110 mm，且出水方向為水平；普通曝氣采用球形微孔曝氣頭，為了增加大氣泡在水中的停留時間，曝氣頭安裝在距底泥高度約40 mm處。微氣泡裝置在最佳運行氣水比下運行才能達到最好的微氣泡發(fā)生效果，因此，微氣泡裝置的曝氣量要明顯小于普通曝氣裝置的曝氣量，僅為0.12 L/min，單位體積內(nèi)曝氣量為2 mL/(min·L)；而普通曝氣的曝氣量為1.3 L/min，單位體積內(nèi)曝氣量為21.6 mL/(min·L) 。兩種曝氣采用的氣源均為空氣?？紤]到微氣泡發(fā)生裝置中水泵運行引起的水溫升高的問題，在本試驗中兩裝置皆采用間歇運行的方式。試驗期間兩裝置同步開啟同步關(guān)閉，每天從8∶00 am～7∶00 pm，每小時運行15 min，共運行12次。

1.2 模擬黑臭水體來源及水質(zhì)

本試驗所使用的模擬黑臭水體來源為校園內(nèi)一處富營養(yǎng)化水塘，加入一定量含有大量營養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)的河道底泥，充分?jǐn)嚢杌靹蚝箪o置10 d，水中藻類和微生物繁殖，生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定。此時,該水體已呈深黃棕色，有臭味散出，透明度很低，根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》對城市黑臭水體的明確定義，可以認(rèn)為試驗水體已經(jīng)形成了黑臭水體。此時兩裝置內(nèi)水質(zhì)如表1所示。

表1 初始水質(zhì)

1.3 水質(zhì)檢測方法

本文涉及的各項水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法如下。

氨氮：納氏試劑分光光度法；TP：銻鉬抗分光光度法；透明度：塞氏盤法；TOC及TN：島津TOC—L；OD680：上海儀電UV765；濁度：哈希2100N；水溫及溶解氧：哈希HQ-30d。

2 結(jié)果與討論

2.1 運行期間水質(zhì)變化

在25 d的運行中，持續(xù)對總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、OD680和濁度這六項水質(zhì)指標(biāo)進行檢測，取樣時間均為9∶00 pm，此時距曝氣結(jié)束已有接近2 h，因微氣泡氣浮作用而漂浮于水面的藻類已大部分靜沉，取樣點為水面下15 cm處。各水質(zhì)指標(biāo)隨時間的變化如圖1所示。

整個試驗期間，微氣泡曝氣系統(tǒng)的TOC濃度始終低于普通曝氣系統(tǒng)，如圖1(a)所示。初始運行的5 d內(nèi)，曝氣提高了水中溶解氧，微生物大量繁殖，兩裝置內(nèi)水中的TOC濃度均經(jīng)歷了一個快速下降的過程。之后， TOC濃度持續(xù)緩慢下降，試驗?zāi)┢谖馀萜貧庀到y(tǒng)的TOC為18.2 mg/L，下降了76%。氨氮濃度的變化趨勢[圖1(c)]與TOC類似，微氣泡曝氣水體內(nèi)氨氮濃度下降更為迅速，在18 d時，微氣泡曝氣水體的氨氮濃度已經(jīng)降為0，而普通曝氣水體的氨氮濃度在第9 d之后不再變化。試驗?zāi)┢冢馀萜貧馑w內(nèi)TN和TP濃度均低于普通曝氣水體，如圖1(b)和1(d)所示。另外，試驗中觀察到水中的TN和TP較高，且變化不大，可能是與試驗所取河道底泥上方水體為生活污水，含有大量的氮磷元素，可形成不易被降解的膠體有關(guān)。

圖1 兩裝置運行期間水質(zhì)變化Fig.1 Changes of Water Quality during the Operation of Two Devices

在黑臭水體的修復(fù)過程中關(guān)注的重要水質(zhì)指標(biāo)是其表觀指標(biāo)，本試驗中體現(xiàn)為OD680、濁度和透明度三個指標(biāo)。OD680為含藻液在680 nm波長處的吸光值，可以間接反映藻細胞的數(shù)量。對試驗采用的水體進行鏡檢發(fā)現(xiàn)，銅綠微囊藻是一種優(yōu)勢藻種，因此，用顯微鏡計數(shù)表示的藻細胞濃度與藻液在680 nm處的吸光值進行對比，發(fā)現(xiàn)二者之間呈良好的線性關(guān)系(圖2)。

OD680的變化如圖1(e)所示。微氣泡曝氣水箱內(nèi)OD680在一周內(nèi)迅速從0.03降低到0.01，并一直維持在較低水平，說明微氣泡曝氣可以有效除藻并抑制藻類繁殖，而普通曝氣系統(tǒng)內(nèi)藻密度一直保持在模擬黑臭水體形成時的高濃度水平。本課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)微氣泡對于銅綠微囊藻的生長有顯著的抑制作用，用微氣泡曝氣處理10 min后的藻液密度在72 h后降低了88%；同時，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，藻細胞的結(jié)構(gòu)均已發(fā)生破損[12-13]。需要說明的是，該試驗對處理后的藻液采用靜態(tài)培養(yǎng)，因而，被破壞而沉降的藻無法得到足夠的光照進行自我修復(fù)，加速了藻類的死亡；但在本試驗中，由于整個日照期間(8∶00 am～7∶00 pm)不斷間歇循環(huán)曝氣，藻類可以得到足夠的光照進行自我修復(fù)，死亡速度有所減緩。

圖2 銅綠微囊藻細胞密度與OD680關(guān)系Fig.2 Relationship between Cell Density of M.aeruginosa and OD680

水中濁度的變化如圖1(f)所示。隨著微氣泡曝氣對于藻類的去除效果逐漸顯著，濁度也出現(xiàn)了明顯的下降。兩裝置內(nèi)水的透明度變化如表2所示。由于水深較淺，本試驗的透明度每5 cm劃分一次。試驗的中后期，微氣泡曝氣裝置內(nèi)透明度大大提升，已經(jīng)可以清楚地看到水池底部，而普通曝氣裝置內(nèi)水的透明度基本沒有變化。試驗?zāi)┢?，由于各項水質(zhì)指標(biāo)均有所改善，兩裝置的水體已基本脫離黑臭。

表2 兩裝置內(nèi)水的透明度

2.2 水溫與溶解氧

水溫和溶解氧也是影響水體黑臭和藻類繁殖的兩個重要水質(zhì)指標(biāo)。為此，本試驗監(jiān)測了運行期間，一整天的水溫和溶解氧，監(jiān)測時間為10∶00～21∶15，監(jiān)測深度為水面下10 cm，在曝氣開始前和曝氣結(jié)束后進行監(jiān)測。監(jiān)測當(dāng)天裝置運行時間為10∶00～20∶00。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

由于微氣泡曝氣需要水泵進行循環(huán)，因而水溫會所升高。在10∶00時，兩裝置內(nèi)水溫均為26 ℃，開始曝氣裝置后，微氣泡裝置內(nèi)水溫呈波動上升，曝氣裝置開啟的15 min內(nèi)水溫持續(xù)上升，停止運行后有所下降，在8∶00 pm，水溫升至34 ℃，隨后曝氣停止，水溫不斷下降；普通曝氣裝置內(nèi)水溫一直保持在26 ℃左右。一般來說，水溫34 ℃時藻類的生長速度高于26 ℃，而微氣泡裝置內(nèi)的藻密度呈持續(xù)下降趨勢，可見，溫度并不是這兩種曝氣方式在藻類去除和控制效果產(chǎn)生差異的原因。

雖然水溫越高越不利于氣體溶解，但是微氣泡裝置內(nèi)的溶解氧濃度始終高于普通曝氣裝置，且在曝氣停止后波動很小，而普通曝氣裝置內(nèi)的溶解氧濃度在15 min的曝氣停止后下降較為明顯?？紤]到微氣泡曝氣本身的曝氣量只有普通曝氣的十分之一，由此可以推測，在實際黑臭河道水體的曝氣中如果采用微氣泡曝氣方式可以大大減少曝氣量。

2.3 停止運行后水質(zhì)變化

運行期結(jié)束后，持續(xù)監(jiān)測了8 d兩裝置內(nèi)的水質(zhì)變化情況(OD680、濁度和透明度)，OD680和濁度數(shù)據(jù)如圖4所示，透明度數(shù)據(jù)列于表2。在停止曝氣后，由于沒有了曝氣引起的水面攪動和持續(xù)通入的溶解氧，普通曝氣裝置內(nèi)水中藻類迅速繁殖，形成水華，OD680和濁度大幅上升，水質(zhì)迅速劣化；而微氣泡曝氣裝置內(nèi)水中藻類繁殖速度非常緩慢，僅在水面四周貼近水槽的部位發(fā)現(xiàn)了少量的藻類，并在上層水中觀察到肉眼可見的浮游動物成群出現(xiàn)。研究表明，浮游生物對藻類繁殖有控制作用[14-15]，這可能是停止微氣泡曝氣后，藻密度OD680增長緩慢的因素之一，但是微氣泡曝氣促進浮游生物大量繁殖的原因尚需進一步研究。

圖4 兩裝置停止運行后水質(zhì)變化Fig.4 Changes of Water Qualities after Stopping the Operation of Two Devices

3 結(jié)論

(1)與普通曝氣方式相比，微氣泡曝氣可以顯著降低該模擬黑臭水體的藻細胞濃度和濁度，從而提高透明度。

(2)在結(jié)束曝氣處理后，雖然水中仍有營養(yǎng)物質(zhì)存在，但微氣泡系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)可以保持一段時間，而普通曝氣系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)會迅速惡化。

(3)試驗?zāi)┢谟^察到微氣泡曝氣系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了大量浮游生物，表明微氣泡曝氣可以改善水體生態(tài)系統(tǒng)。

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