黑臭水体治理微气泡曝气和普通曝气水质改善效果对比

我国许多流经城镇的河段和城镇内的沟渠塘坝很容易受到有机物和氮磷的污染，这些水体环境容量小，自净能力弱，流动缓慢，很容易形成黑臭水体，影响周边自然环境和居民生活，严重威胁水质安全。目前，对黑臭水体的治理，常用的方法有截污疏浚、生物修复和曝气充氧等手段。水体自然富氧和耗氧的严重失衡是水体黑臭化的主要原因之一，因而，曝气充氧、提高溶解氧浓度是一种行之有效的治理手段。微气泡曝气是一种新型的高效曝气技术，已经在污水处理领域得到了较多的应用。微气泡是指直径小于50μm的气泡，其具有比表面积大、内部压力高、上浮速度慢等特点，与普通曝气方式相比，采用微气泡曝气可以显著提高气体传质速率和持气率。本课题组的前期研究发现微气泡在水中自然破裂时能产生羟基自由基，微气泡的水力空化处理对铜绿微囊藻的生长有明显的抑制作用，也可以有效提高混凝沉淀除藻的效果。因此，微气泡用于黑臭河道的曝气增氧不仅可以提高富氧的效率，还兼备抑藻的生态修复作用。目前，已有采用微气泡曝气处理黑臭河道废水的研究，但由于处理的时间短，不能获得长期微气泡曝气对水生态环境的修复作用。因而，本文采用微气泡曝气和普通曝气对模拟黑臭水体开展了长期修复治理工作，并对水质改善效果进行了评价和对比。1、材料和方法1.1、曝气装置及运行参数本试验分别使用微气泡曝气和普通曝气两种曝气方式处理模拟黑臭水体，并进行对比。两套装置的水槽均为PVC材质，形状为近似长方体，长约550mm，宽约420mm，正常运行时水深约280mm，总水量约为60L，水面下底泥厚度约为40mm。微气泡的产生方式为加压溶气-减压释放法，需要水泵进行连续的水循环，循环水量为4.8L/min，不考虑短流的情况，整个水槽中水循环一次的时间约为12.5min。为了防止出水对底泥产生搅动，微气泡出水距离底泥高度约110mm，且出水方向为水平；普通曝气采用球形微孔曝气头，为了增加大气泡在水中的停留时间，曝气头安装在距底泥高度约为40mm处。微气泡装置在最佳运行气水比下运行才能达到最好的微气泡发生效果，因此，微气泡装置的曝气量要明显小于普通曝气装置的曝气量，仅为0.12L/min，单位体积内曝气量为2mL/(min·L)；而普通曝气的曝气量为1.3L/min，单位体积内曝气量为21.6mL/(min·L)。两种曝气采用的气源均为空气。考虑到微气泡发生装置中水泵运行引起的水温升高的问题，在本试验中两装置皆采用间歇运行的方式。试验期间两装置同步开启同步关闭，每天从8:00am~7:00pm，每小时运行15min，共运行12次。1.2、模拟黑臭水体来源及水质本试验所使用的模拟黑臭水体来源为校园内一处富营养化水塘，加入一定量含有大量营养物质和腐殖质的河道底泥，充分搅拌混匀后静置10d，水中藻类和微生物繁殖，生态系统基本稳定。此时,该水体已呈深黄棕色，有臭味散出，透明度很低，根据《城市黑臭水体整治工作指南》中对城市黑臭水体的明确定义，可以认为试验水体已经形成了黑臭水体。此时两装置内水质如表1所示。表1初始水质1.3、水质检测方法本文中涉及到的各项水质指标的检测方法如下。氨氮：纳氏试剂分光光度法；总磷：锑钼抗分光光度法；透明度：塞氏盘法；TOC及TN：岛津TOC—L；OD680：上海仪电UV765；浊度：哈希2100N；水温及溶解氧：哈希HQ-30d。2、结果与讨论2.1、运行期间水质变化在25d的运行中，持续对总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮、OD680和浊度这六项水质指标进行检测，取样时间均为9:00pm，此时距曝气结束已有接近2h，因微气泡气浮作用而漂浮于水面的藻类已大部分静沉，取样点为水面下15cm处。各水质指标随时间的变化如图1所示。整个试验期间，微气泡曝气系统的TOC浓度始终低于普通曝气系统，如图1（a）所示。初始运行的5d内，曝气提高了水中溶解氧，微生物大量繁殖，使得两装置内水中的TOC浓度均经历了一个快速下降的过程。之后，TOC浓度持续缓慢下降，试验末期微气泡曝气系统的TOC为18.2mg/L，下降了76%。氨氮浓度的变化趋势[图1（c）]与TOC类似，微气泡曝气水体内氨氮浓度下降更为迅速，在18d时，微气泡曝气水体的氨氮浓度已经降为0，而普通曝气水体的氨氮浓度在第9d之后不再变化。试验末期，微气泡曝气水体内TN和TP浓度均低于普通曝气水体，如图1（b）和1（d）所示。另外，试验中观察到水中的TN和TP较高，且变化不大，可能是与试验所取河道底泥上方水体为生活污水，含有大量的氮磷元素，可形成不易被降解的胶体有关。在黑臭水体的修复过程中关注的重要水质指标是其表观指标，本试验中体现为OD680、浊度和透明度三个指标。OD680为含藻液在680nm波长处的吸光值，可以间接反映藻细胞的数量。对试验采用的水体进行镜检发现，铜绿微囊藻是一种优势藻种，因此，用显微镜计数表示的藻细胞浓度与藻液在680nm处的吸光值进行对比，发现二者之间呈良好的线性关系（图2）。OD680的变化如图1（e）所示。微气泡曝气水箱内OD680在一周内迅速从0.03降低到0.01，并一直维持在较低水平，说明微气泡曝气可以有效除藻并抑制藻类繁殖，而普通曝气系统内藻密度一直保持在模拟黑臭水体形成时的高浓度水平。本课题组在前期研究中发现微气泡对于铜绿微囊藻的生长有显著的抑制作用，用微气泡曝气处理10min后的藻液密度在72h后降低了88%；同时，电镜观察发现，藻细胞的结构均已发生破损。需要说明的是，该试验对处理后的藻液采用静态培养，因而，被破坏而沉降的藻无法得到足够的光照进行自我修复，加速了藻类的死亡；但在本试验中，由于整个日照期间（8:00am~7:00pm）不断间歇循环曝气，藻类可以得到足够的光照进行自我修复，死亡速度有所减缓水中浊度的变化如图1（f）所示。随着微气泡曝气对于藻类的去除效果逐渐显著，浊度也出现了明显的下降。两装置内水的透明度变化如表2所示。由于水深较浅，本试验的透明度每5cm划分一次。试验的中后期，微气泡曝气装置内透明度大大提升，已经可以清楚地看到水池底部，而普通曝气装置内水的透明度基本没有变化。试验末期，由于各项水质指标均有所改善，两装置的水体已基本脱离黑臭。2.2、水温与溶解氧水温和溶解氧也是影响水体黑臭和藻类繁殖的两个重要水质指标。为此，本试验监测了运行期间，一整天的水温和溶解氧，监测时间为10:00~21:15，监测深度为水面下10cm，在曝气开始前和曝气结束后进行监测。监测当天装置运行时间为10:00~20:00。监测数据如图3所示。由于微气泡曝气需要水泵进行循环，因而水温会所升高。在10:00时，两装置内水温均为26℃，开始曝气装置后，微气泡装置内水温呈波动上升，曝气装置开启的15min内水温持续上升，停止运行后有所下降，在8:00pm水温升至34℃，随后曝气停止后，水温不断下降；普通曝气装置内水温一直保持在26℃左右。一般来说，水温34℃时藻类的生长速度高于26℃，而微气泡装置内的藻密度呈持续下降趋势，可见，温度并不是这两种曝气方式在藻类去除和控制效果产生差异的原因。虽然水温越高越不利于气体溶解，但是微气泡装置内的溶解氧浓度始终高于普通曝气装置，且在曝气停止后波动很小，而普通曝气装置内的溶解氧浓度在15min的曝气停止后下降较为明显。考虑到微气泡曝气本身的曝气量只有普通曝气的十分之一，由此可以推测，在实际黑臭河道水体的曝气中如果采用微气泡曝气方式可以大大减少曝气量。2.3、停止运行后水质变化运行期结束后，持续监测了8d两装置内的水质变化情况（OD680、浊度和透明度），OD680和浊度数据如图4所示，透明度数据列于表2。在停止曝气后，由于没有了曝气引起的水面搅动和持续通入的溶解氧，普通曝气装置内水中藻类迅速繁殖，形成水华，OD680和浊度大幅上升，水质迅速劣化；而微气泡曝气装置内水中藻类繁殖速度非常缓慢，仅在水面四周贴近水槽的部位发现了少量的藻类，并在上层水中观察到肉眼可见的浮游动物成群出现。研究表明，浮游生物对藻类繁殖有控制作用，这可能是停止微气泡曝气后，藻密度OD680增长缓慢的因素之一，但是微气泡曝气促进浮游生物大量繁殖的原因尚需进一步研究。3、结论（1）与普通曝气方式相比，微气泡曝气可以显著降低该模拟黑臭水体的藻细胞浓度和浊度，从而提高透明度。（2）在结束曝气处理后，虽然水中仍有营养物质存在，但微气泡系统内水质可以保持一段时间，而普通曝气系统内水质会迅速恶化。（3）试验末期观察到微气泡曝气系统内出现了大量浮游生物，表明微气泡曝气可以改善水体生态系统。