底泥生物氧化對(duì)黑臭河道上覆水體影響研究關(guān)鍵詞：黑臭河道；底泥氧化；上覆水體；研究Abstract:UtilizeartificialconstructSimulationRiver,studystaticbiologicaloxidationofthesedimentaswellastheinfluenceonupperlevelwaterofdifferentsedimentconditioninblack-odorRiverinthedynamiccondition.Theresultindicatesthatbiologicaloxidationofthesedimenthasverytremendousinfluenceonthewaterqualityofupperlevelwater;especiallytheTPandPO43-ofupperlevelwaterwhentheentryingvelocityofflowislower.Keywords:Black-odorRiver;BiologicalOxidationofSediment;UpperLevelWater;Study1前言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量生活污水和工業(yè)廢水排入城市河道，導(dǎo)致河道水體富營(yíng)養(yǎng)、甚至黑臭。底泥作為城市河道內(nèi)源污染，是水體黑臭的重要原因。底泥污染是我國(guó)城市河道普遍存在的環(huán)境問(wèn)題，特別是南方河網(wǎng)地帶的城市河道，由于受潮汐影響，黑臭水體隨潮漲潮落，在城市河道內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加速了污染物在底泥的積累，造成黑臭底泥淤積。目前對(duì)污染底泥的修復(fù)主要采用底泥疏浚、底泥氧化、底泥封閉等三大類(lèi)技術(shù)[3--13]，由于底泥疏浚費(fèi)用太高，底泥封閉可能破壞河道生態(tài)系統(tǒng)，底泥氧化在底泥修復(fù)中起到越來(lái)越重要作用。底泥氧化包括通過(guò)機(jī)械作用進(jìn)行深層曝氣和破壞水體分層、化學(xué)增氧等，也有通過(guò)土著微生物、生物促生劑、電子供（受）體等對(duì)底泥進(jìn)行生物氧化[3,4,14,15,16]。研究表明，底泥生物氧化對(duì)河道生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)具有重要作用，是城市黑臭河道治理的不可或缺的技術(shù)措施。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究底泥生物氧化對(duì)黑臭河道底泥和上覆水體水質(zhì)影響，以及其在河道生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)治理中的作用。2材料和方法2.1模擬河道模擬河道長(zhǎng)15米左右，寬2.6米左右，深1.0米，由3格組成，河道底和岸為磚混凝結(jié)構(gòu)，根據(jù)研究需要，填入15cm黑臭河道底泥進(jìn)行試驗(yàn)，河道上游為黑臭水體入口，通過(guò)模型河道前后的調(diào)節(jié)池和水泵、管閥系統(tǒng)模擬河道水動(dòng)力條件和進(jìn)水水質(zhì)，前后的蓄水池蓄水量各50噸，每條模擬河道水容量為10m3，模擬河水流速為0-6m3/h。處理3（3#）不作任何藥劑處理。完全靜態(tài)條件下，連續(xù)進(jìn)行10天底泥生物氧化處理，在完全不進(jìn)水的條件下，測(cè)水體COD、NH3-N、TP、DO、pH、葉綠素a等水質(zhì)指標(biāo)。2.3動(dòng)態(tài)研究在靜態(tài)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)于經(jīng)過(guò)底泥氧化、未經(jīng)底泥氧化、和沒(méi)有放置底泥三種情況的河道作動(dòng)態(tài)研究，以上游蓄水池污水流量作為變量，污水流量1/16、1/8、1/4、1/2、1Q/天（Q為每條模擬河道體積），各處理3天，逐步加大。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)上游蓄水池污水均經(jīng)過(guò)曝氣處理，增氧量為：1.1kgO2/h，經(jīng)過(guò)增氧的水體呈乳白色，通過(guò)水泵按設(shè)定的污水流量進(jìn)入模擬河道，同時(shí)測(cè)水體各種理化指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)。2.4測(cè)試方法DO：采用上海產(chǎn)溶解氧測(cè)定儀，于每天上午11：00現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；透明度：采用自制塞氏盤(pán)進(jìn)行測(cè)定，于每天上午11：00現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；pH：采用上海產(chǎn)筆式pH計(jì)，于每天上午11：00現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；CODcr：采用重鉻酸鉀法測(cè)定；以上測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)1，23結(jié)果與討論3.1靜態(tài)試驗(yàn)研究結(jié)果與討論3.1.1靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體CODcr變化圖1靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體CODcr變化圖1為靜態(tài)底泥氧化過(guò)程中上覆水體CODcr的變化曲線圖，由圖可以看出，靜態(tài)底泥氧化過(guò)程中，三條模擬河道上覆水體CODcr在10天內(nèi)緩慢減少，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)候，模擬河道中CODcr在70mg/L左右，試驗(yàn)進(jìn)行10天后，放有底泥的1＃、2＃模擬河道上覆水體的CODcr降為40mg/L左右，而沒(méi)有放底泥的模擬河道（3＃）上覆水體CODcr則由開(kāi)始的75mg/L下降島60mg/L左右。在試驗(yàn)過(guò)程中，CODcr變化有比較大的波動(dòng)現(xiàn)象，這可能是由于模擬河道水體基本上維持靜止不動(dòng)狀況，從而導(dǎo)致模擬河道各處水質(zhì)分布不均勻現(xiàn)象。由圖可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，上覆水體的CODcr變化不是很大，這是因?yàn)樯细菜w基本上處于黑臭現(xiàn)象，溶解氧一直維持在比較低水平，基本上<1mg/L（數(shù)據(jù)未給出），而CODcr的降低一般主要?dú)w功于好氧微生物的生長(zhǎng)繁殖，而在這樣比較低的溶解氧水平，微生物生長(zhǎng)受到抑制，因而活力不夠從而導(dǎo)致CODcr變化不大。3.1.2靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體NH3-N變化圖2靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體NH3-N變化靜態(tài)底泥氧化過(guò)程中上覆水體NH3-N變化見(jiàn)上圖，由上圖可以看出，3＃模擬河道中的NH3-N一直維持在相對(duì)較低的水平，1-2＃模擬河道的NH3-N一直維持在17mg/L左右，而3＃模擬河道NH3-N一直維持在14mg/L左右，這是因?yàn)?-2＃模擬河道底部填有15cm的河道底泥，這些底泥相當(dāng)于一個(gè)污染源，不斷的向上覆水體釋放其中所含有的NH3-N，從而導(dǎo)致三條模擬河道中的NH3-N濃度差異比較大。上覆水體中的NH3-N總體上維持不斷下降的趨勢(shì)。3.1.3靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體TP和PO43-變化圖3靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體TP變化圖4靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體PO43-變化靜態(tài)底泥氧化過(guò)程中模擬河道上覆水體TP和PO43-變化見(jiàn)圖3和圖4，比較圖3和圖4，可以看出，沒(méi)有放底泥的3＃模擬河道的TP和PO43-濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于放有底泥的1＃和2＃模擬河道，原本3條模擬河道的河水都來(lái)自同一蓄水池，初始濃度本該相差不大，而上圖顯示差距巨大，這是因?yàn)槟M河道加滿上覆水體后幾天，我們才開(kāi)始研究工作。因?yàn)榈啄嗪写罅康母鞣N金屬離子，這些金屬離子很有可能與PO43-發(fā)生反應(yīng)生成溶解度不高的物質(zhì)，沉淀于河底成為底泥的一部分，因?yàn)?＃模擬河道底部并沒(méi)有底泥，從而導(dǎo)致3條模擬河道上覆水體的TP、PO43-相差較大。比較圖3和圖4中1＃和2＃模擬河道中的TP和PO43-變化曲線，發(fā)現(xiàn)做了底泥氧化的1＃模擬河道上覆水體中，TP和PO43-濃度均較沒(méi)進(jìn)行底泥氧化的2＃模擬河道上覆水體低，說(shuō)明底泥氧化過(guò)程有利于P從上覆水體轉(zhuǎn)移到河道底泥，并成為河道底泥的一部分，因而底泥氧化有利于水體中P的固定，所以底泥氧化對(duì)于某些富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理具有非常好的促進(jìn)作用。3.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與討論根據(jù)試驗(yàn)安排，在靜態(tài)底泥氧化試驗(yàn)結(jié)束后，我們對(duì)經(jīng)過(guò)底泥氧化、未經(jīng)底泥氧化、和沒(méi)有放置底泥三種情況的河道作動(dòng)態(tài)研究，通過(guò)改變模擬河道上游入水流速，研究在不同流速下上覆水體各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的變化，也既是水體在模擬河道中的停留時(shí)間不同對(duì)于上覆水體各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的影響。3.2.1動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體CODcr變化表1動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體CODcr變化流速（m3/h）濃度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水濃度94765763721＃模擬河道出水62584858672＃模擬河道出水65574151623＃模擬河道出水4952464174由表1可以看出，由于隨著模擬河道入水流速增加，相應(yīng)的水體在模擬河道的停留時(shí)間下降，模擬河道入水口水質(zhì)與出水口水質(zhì)之間的差值逐漸減少，當(dāng)流速為0.17m3/h時(shí)，由入水92dmg/L分別下降到62mg/L，65mg/L和49mg/L，降幅分別達(dá)30mg/L，27mg/L和43mg/L；當(dāng)入水流速提高到2.68m3/h時(shí)，入口只是由入口的72mg/L下降到67mg/L和62mg/L，水質(zhì)變化非常小，3＃模擬河道甚至根本就沒(méi)有什么變化。這是因?yàn)槿胨魉傩?，因而水體在模擬河道中的停留時(shí)間增加造成的。3.2.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體NH3-N變化表2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體NH3-N變化流速（m3/h）濃度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水濃度15.817.87.9213.8112.881＃模擬河道出水16.616.811.1612.1913.442＃模擬河道出水15.41710.8412.6112.993＃模擬河道出水14.616.711.3512.4613.39試驗(yàn)過(guò)程中NH3-N變化見(jiàn)表2，由表2可見(jiàn)，隨著流速的增加，NH3-N變化不明顯，甚至有增加的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)槟M河道底泥釋放NH3-N造成的，在前面靜態(tài)試驗(yàn)也基本上呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律，表明底泥氧化對(duì)黑臭河道水體中的NH3-N作用不是那么明顯；另外的原因可能就在于入水水質(zhì)非常不穩(wěn)定造成的，因?yàn)槿肟诤统隹谒畼踊旧显谕粫r(shí)間采集，而河道水體水質(zhì)受多方面原因影響，造成水質(zhì)不穩(wěn)，變化幅度大，這就可能造成某些樣品出口甚至比入口還大的原因?？偟膩?lái)說(shuō)，底泥氧化對(duì)去除水體中的氨氮效果不夠理想，經(jīng)過(guò)深入分析也確實(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的試驗(yàn)結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為，要完全將氨氮從水體中去除，需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：好氧硝化階段，厭氧反硝化階段，其中好氧硝化階段要消耗大量的溶解氧，并且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；而厭氧反硝化階段則需要在缺氧或者厭氧條件下，在反硝化細(xì)菌的作用下才能發(fā)生，而且需要消耗碳源，所有這些因素在模擬河道中很難全部得到滿足，因而模擬河道中的氨氮變化不大也是可以理解的。3.2.3動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體TP和PO43-變化表3動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體TP變化流速（m3/h）濃度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水濃度4.034.821.972.573.321＃模擬河道出水1.833.412.572.233.722＃模擬河道出水2.663.662.292.413.733＃模擬河道出水3.33.952.572.733.57表4動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體PO43-變化流速（m3/h）濃度（mg/L）0.170.3350.671.342.679入水濃度1.922.460.881.951.91＃模擬河道出水1.191.61.281.592.062＃模擬河道出水1.452.661.271.8223＃模擬河道出水1.712.391.331.781.97試驗(yàn)過(guò)程中上覆水體TP和PO43-的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和表4，由表3可知，在較低流速下，底泥氧化對(duì)上覆水體TP和PO43-有比較明顯的去除效果。當(dāng)流速為0.17m3/h時(shí)，PO43-由入水的1.92mg/L下降到1.19mg/L，而沒(méi)有作底泥氧化的2＃模擬河道則只是下降到1.45mg/L，3＃模擬河道只是降為1.71mg/L；1＃模擬河道的TP由開(kāi)始的4.03mg/L下降到1.83mg/L，2#模擬河道則下降為2.66，3＃下降為3.3mg/L，表明底泥氧化對(duì)P的去除效果非常明顯。但是，當(dāng)入水流速增大后，P的去除效果逐步降低，這可能是因?yàn)榱魉僭龃螅细菜w還沒(méi)來(lái)得及和底泥中存在的物質(zhì)進(jìn)行充分的作用，就已經(jīng)排出模擬河道造成的。4結(jié)論通過(guò)前面的分析討論，可以看出，底泥對(duì)于上覆水體中的TP和PO43-有非常明顯的影響，特別是當(dāng)入水流速較小時(shí)，沒(méi)有底泥的模擬河道上覆水體TP和PO43-的濃度大大高于有底泥的模擬河道，當(dāng)入水流速為濃度分別為當(dāng)流速為0.17m3/h時(shí)，沒(méi)有底泥的3＃模擬河道出口TP高達(dá)3.3mg/L，而有底泥的模擬河道只有1.7-1.8mg/L左右。底泥是河道污染物長(zhǎng)期積累的載體,底泥和上覆水體通過(guò)泥-水界面的物質(zhì)交換互相影響。底泥通過(guò)消耗水體溶氧[1-3]、釋放有機(jī)污染物[4-6]和營(yíng)養(yǎng)鹽[7-10]，等形式影響上覆水體,是河道的重要次生污染源；同時(shí)底泥又是河道生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,河道自凈作用主要源于其稀釋、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遷移和轉(zhuǎn)化的主要形式,底泥對(duì)河道自凈功能具有不可替代的作用[11]。底泥生物氧化是一個(gè)好氧分解過(guò)程，隨著河道底泥生物氧化，從河道泥水界面到深層底泥，形成好氧-兼氧-厭氧區(qū)，泥-水界面氧化層的形成對(duì)維持底泥好氧微生物區(qū)系和底棲生物的多樣性十分重要，泥-水界面氧化層和深層底泥通過(guò)硝化-反硝化作用可部分除去輸入河道的N負(fù)荷；泥-水界面氧化層能吸附部分輸入河道的P負(fù)荷，同時(shí)阻止N、P營(yíng)養(yǎng)鹽底泥向上覆水體釋放；泥-水界面氧化層可分解來(lái)自河道污染物、浮游動(dòng)植物殘?bào)w，除去輸入到河道中的有機(jī)污染物；底泥亞擴(kuò)散層的屏蔽效應(yīng)可以阻止深層底泥不斷滲出的有機(jī)質(zhì)和其它污染物,抑制有毒物質(zhì)向河道水體擴(kuò)散[12,13]。底泥氧化層厚度,很大程度決定了河道自凈能力,底泥氧化層越厚,河道自凈能力越強(qiáng),反之,河道自凈能力越弱[14,15,16]。水體黑臭、底泥淤積是我國(guó)城市河道普遍現(xiàn)象,污染底泥修復(fù)對(duì)我國(guó)城市河道治理具有特別重要的意義。1王敏，張明旭.蘇州河武寧路斷面底泥需氧量測(cè)定[J].上海環(huán)境科學(xué)，2003,22（6）：418-4222劉富強(qiáng)，杞桑.珠江廣州河段員村段的底泥耗氧[J].環(huán)境科學(xué)，1994,15（1）：31-353袁文權(quán)，張錫輝，張光明.底泥生物和化學(xué)需氧動(dòng)力學(xué)模式的探討[J].上海環(huán)境科學(xué)，2003，22（12）：921-9254畢春娟，鄭祥民，陳振樓.蘇州河市郊底泥中CODcr和NH3-N的空間分布特征[J].上海環(huán)境科學(xué)，2000，19（7）：305-3085周靈輝.外秦淮河底泥釋放對(duì)上覆水水質(zhì)的影響[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2003，15（5）：41-426張麗萍,袁文權(quán),張錫輝.底泥污染