The release of pollutants from the river sediment causes serious secondary pollution to the overlying water.In order to find an effective way to control the release of pollutants from sediment,we studied on the bioremediation of contaminated sediment and its effects on the bioremediation of overlying water through a series of well controlled experiments that deal with the joint implementation method of aeration-bioaugmentation in a continuous flow model river.The results showed that the joint implementation method had a good effect on the sediment bioremediation.This method could effectively improve the activity of the biodegradation of sediment(G value) and reduce the release amount of nitrogen and phosphorus pollutants from sediment.Sediment G value was negatively correlated with the amount of emission of nitrogen and phosphorus pollutants.Aeration,or aeration with bioaugmentation had a good repairing effect on bioremediation of polluted water,but the bioremediation of river sediment had a more obvious impact on the efficacy of water bioremediation.After the sediment bioremediation,bioremediation of water bodies could get a more significant treatment effect.The maximum removal rates of COD and ammonia nitrogen increased from 65.0% and 16.30% to 72.0% and 41.0%,separately,and the water bioremediation cycle was shortened from 13 d to 6 d.
全 文 :第30卷第6期
2011年11月
生态科学
EcologicalS ience
30(6):630-635
NOV.201l
刘晓伟,谢丹平,李开明,金中,江栋,李明玉.城市河道底泥污染生物修复技术研究[J】.生态科学,201l,30(6):630-635
LIUXiao-wei;XIEDan-ping;LIKai—ming;JINZhong;JIANGDong,LIMing-yu.Studyonbioremediationtechnologyofpolluted
sedimentsofurbanfiver[S1.EcologicalScience,2011 3 (6):630-635.
城市河道底泥污染生物修复技术研究
刘晓伟1,一,谢丹平扩,李开明2,金 中2,江 栋2,李明玉1
1.暨南大学理工学院环境工程系,广州510632
2.环境保护部华南环境科学研究所,广州510655
【摘要】城市河道受污染底泥对水体产生大的二次污染,为有效的控制底泥污染物的释放和开发有效的水体治理技术方法,本
研究利用人工模拟河道在连续流条件下,对河道污染底泥的生物修复及其对水体生物修复的影响进行了试验研究。研究结果表
明:采用曝气增氧和投加底泥生物修复制剂联合处理的方式能达到好的底泥生物修复效果,能有效的提高底泥的生物降解活性
(G值),削减底泥氮磷污染物的释放量,底泥G值与底泥氮、磷污染物释放量呈显著负相关性;单独采用曝气增氧和投加土
著微生物制剂联合实施的生物修复方法对河道污染水体均具有良好的修复效果,但底泥的生物修复将对河道水体生物修复的效
果产生大的影响。底泥生物修复后,对水体进行生物修复的处理效果更加显著,在相同实验条件下,对水体COD、氨氮的最
大去除率由65.0%和16.30%提高到72.0%和41.0%,水体生物修复的周期由l3d缩短为6d。
关键词:城市河道;底泥污染:释放:水体污染:生物修复
doi:10.39698.issn.1008-8873.2011.06.012中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1008.8873(2011)06.630-06
Studyonbioremediationtechnologyfpollutedsedimentsinurbanriver
LIUXiao-weiL2,XIEDan-pin92+,LIKai-mmg,JINZhong2,JIANGDon92,LIMing.yul
J.DepartmentofE vironmentalEngineeringofJinaUniv sity,Guangzhou510632,China
2.SouthC inaInstituteofEnvironmentalScience,MEP,Guangzhou510655,China.
Abstract:Thereleaseofpollutantsfromthefiversedimentcausesrioussecondarypollutiontotheoverlyingwater.Inordertofindan
effectivewaytocontrolthereleaseofpollutantsfromsediment,westudiedonthebioremediationofcontaminatedsedimenta dits
effectsonthebioremediationofoverlyingwaterthroughaseriesofweHcontrolledexperimentsthatdeal诵tlIhejointimplementation
methodofaeration-bioaugmentationinaco inu usflowmodelriver.Theresultsshowedthatthejointimplementationme h dhaa
goodeffectonthesedimentbioremediation.Thismethodcouldeffectivelymprovethactivityofhebiodegradationofsediment(G
value)andreducethreleasemountofnitrogenandphosphorusp llutantsfromsediment.SedimentGvalueWasnegativelycorrelated
withtheamountofemissionofnitrogenandphosphoruspollutants.Aeration,oraerationwithbioaugmentationhadgo drepairing
effectonbioremediationofpollutedwater,butthebioremediationofiversedimenthadamoreobviousimpacton hefficacyofwater
bioremediation.Afterthesedim ntbioremediation,bioremediationofwaterbo escouldgetamoresignificanttreatmenteffect.The
maximumremovalratesofCODandammoniaitrogenincreasedfrom65,O%and16.30%to72.O%and41.0%.separately,andthe
waterbioremediationcycleWashortenedfrom13dto6d.
Keywords:urbanrivers;sedimentpollution;release;waterpollution;bioremediation
收疆日期:2011.10—10收稿,2011.11-20接受
基金项目:广东省科技计划项目(20098030500002)
作者简介:刘晓伟(1987一),男,硕士,从事城市河道底泥污染控制技术研究,E-mail:oRmxle@126.COln
·通讯作者:谢丹平,男。高级工程师.E-mail:xicdanping@scies.org
万方数据
艮6期毋¨一 刘晓伟,等.城市河道底泥污染生物修复技术研究 631
1引言(Introduction)
河道底泥污染问题因普遍存在和难于处理成为
热点环境问题【11。底泥的有效治理是河道治理工程中
内源污染控制的关键,直接影响河道治理效果【21,并
对水体产生持续的污染【3】,因此,河道底泥污染控制
技术及其对河道水体二次污染和河道治理效果的影
响受到广泛的关注和研究[4-171。
底泥修复技术包括物理法【8】、化学法【4】和生物法
凹。相对于物理、化学修复,底泥的生物修复技术因
其多方面的优点而引起众多学者的研究和得到较多
的工程应用【l⋯。
为有效的控制底泥污染物释放对水体产生的二
次污染,提高水体生物修复的治理效果,本研究利用
人工模拟河道模拟城市污染河流在连续流条件下对
河道污染底泥的生物修复技术方法,以及底泥生物修
复对其污染物释放过程的影响和对水体生物修复(采
用曝气增氧.投加微生物制剂联合实施的方法对水体
进行生物修复)处理效果的影响进行了试验研究。
2材料与方法(MaterialsandMethods)
2.1实验材料
(1)模拟河道
模拟河道由集水区、布水区、模拟河道三部分组
成,分三格,每格长15m,宽0.70m,总深1.20m,
河道底部铺设0.10m厚底泥,坡度0.003,每条河道
有效容积12.6m3,实验中每格河道水流量为6.0
m3·d.1,水力停留时间2d。模拟河道四周采用砖砌,
底部压实、敷混凝土。示意图见图1。
(2)实验水体和底泥
实验水体、底泥均取自广州市古廖涌上游黑臭河段。
进水口
mflOW
(3)实验制剂
底泥生物修复制剂:市售美国进口产品,主要
成分为硝酸盐i小分子有机酸及微量元素;土著微生
物制剂:从污染河道底泥中筛选分离有机污染物高效
降解菌,经过人工富集培养制成。
2.2实验方法
对各条模拟河道进行连续进水运行,分别进行两
组实验,第1组对模拟河道底泥投加30mg.L-1的底
泥生物氧化修复复合制剂和50mg.L’1土著微生物制
剂(连续处理2d),并进行曝气增氧,对底泥进行
强化生物氧化修复后,再对河道水体进行曝气增氧和
投加土著微生物制剂处理。实验中控制曝气量为0、
1.44m3.h~、1.92m3.h一、2.16m3.h~、2.70m3.h一,维
持水体溶解氧为0(<0.5mg.L-1)、0.6mg.L-1~2.5
mg·L.1、1.5rag·L_1~3.5mg.L-1、3.0mg.L.1~5.0mg.L-1、
4.5mg·L.1“.0mg·L。1等5种不同浓度水平进行实验,
土著微生物制剂投加量为20mg.L~,连续5天均匀
泼洒;第2组不对底泥进行处理,其它实验条件与第
1组相同。在实验过程中,定期检测河道进、出水的
CODc,、NH3-N、TP和P043-等水质指标,以及底泥
的生物降解性能(G值)指标,以分析底泥生物修复
情况、底泥氮磷等污染物释放的变化规律和底泥生物
修复对不同曝气增氧条件下河道水体生物修复效果
的影响情况。
2.3采样与监测
水体采样:分别对模拟河道进水口、出水口进行
水样采集。
水体监测:对水样的COD、NI-13-N、TP、P043-、
DO等指标和底泥生物降解性能(G值)进行测试。
底泥G值检测方法参照文献【ll】。
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集水池 L—
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图1模拟河道示意图
Fig.1Sketchofsimulatedurbanriver
万方数据
3结果与分析(ResultsandAnalysis)
3.1底泥生物修复过程中底泥性能变化
底泥的生物修复能有效的改善底泥生境,形成底
泥好氧环境,促进底泥好氧微生物群落的演变,提高
底泥微生物的活性,强化底泥有机物的降解【121,因此,
G值的变化直接反应底泥生物修复的效果。在模拟河
道实验中,不加处理、投加底泥生物修复制剂并进行
不同程度的曝气增氧等试验条件下的实验结果见图
2所示。由图可见,经过18d的实验,进行底泥生物
修复处理的各实验组底泥逐步得到修复,底泥G值
逐步提高,在1.44m3·h.1-2.16m3·h-1曝气增氧条件下,
底泥G值由0.20kg·(kg·h)~-4).25kg·(kg.h)。1提高到
0.42kg·O【g·h)d~0.47kg·(kg.h)~,而不加处理的实验组
底泥G值变化不大。在本实验设置的曝气增氧条件
下,其变化对底泥生物氧化修复速率和G值变化的
影响差异不大。可见,采用投加底泥生物修复制剂和
同步进行曝气增氧的方法可有效的对底泥进行生物
修复。
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事g
o旦
絮i
熙.目
避罨
图2不同处理条件下底泥生物修复的G值变化
Fig.2VadetyofGindexinthebioremediationof
sedimentsu derdifferents dimentstreatmentconditions
3.2底泥生物修复对其氮磷污染物释放的影响
通过底泥生物修复制剂的投加和水体曝气增氧,
一方面为底泥提供了充足的氧和电子受体,使底泥由
厌氧或缺氧状态转变为好氧,氧化还原电位提高,底
泥中的Fez+被氧化为Fe”,并与磷酸根结合以磷酸铁
的形式沉淀,有利于控制和减少底泥磷酸盐的释放
[13-141;另一方面,底泥微生物的代谢也对氨氮和磷酸
盐的释放起到了一定的影响,尤其是硝化菌对溶于底
泥表层间隙水中的氨氮的硝化作用,有利于控制和减
少底泥中氨氮向水体的释放【巧】。本试验结果表明,在
底泥生物修复过程中,底泥G值与底泥氮磷污染物的
释放量呈负相关关系。
对底泥G值的变化和底泥氮磷污染物释放量的
对应关系进行拟合(图3、图4),由图可见,随着底
泥的生物修复和G值的增加,底泥氮磷污染物释放量
下降,底泥G值(y,kg·(kg·”。)与底泥NI-13-N(xl,
mg·(m2.h)。1)、P043。(X2,mg·(m2·h)’1)污染物释放
量的关系式分别为:y=0.5124xl。0’1394(R2=O.9222),
y=0.17772x2∞·4781(R2=0.8701)。
0.50
0.45
7 O.40
%l 0.35
呈∞o·30
。萝邑0.25
o∞0.20
粤专o.15
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”0.00
0 50 100 150 200 250 300
氨氮释放量Thequantityof
ammoniareleased(mg·(m2·h)1)
图3底泥生物修复过程中G值与NH3.N释放量变化关系
Fig.3CorrelationbetweenGi dexandthequantityof
nitrogenreleasedduringthebioremediationofsediments
0 20 40 60 ∞
磷酸盐释放量Thequantityof
phosphorusreleased(ms·CuP-h)’1)
图4底泥生物修复过程中G值与Po伟放量变化关系
Fig.4CorrelationbetweenGindexandthequantityof
phosphorusreleasedduringthebioremediationofsediments
珀钙柏弱∞”{号b
m∞∞
O
O
O
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O
O
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如舒∞"∞筋加”m:兮∞
万方数据
6期 刘晓伟,等.城市河道底泥污染生物修复技术研究 633
3.3底泥生物修复对水体曝气墩生物修复处理的影
响
3.3.1对水体CODc,去除效果的影响
模拟河道进水主要由上游工业区排放的生活污
水和工业污水组成,并受涨、退潮的影响,水质变化
较大,COD浓度在165.0--250.0mg·L1间波动。对模
拟河道分别控制曝气量为0、1.44m3.h-1、1.92m3.h-1、
2.16m3.h_1、2.70m3.h_1,受水质变化的影响,水体
DO浓度分别维持在0(<0.5Ing.L-1)、0.6rag·L-1~2.5
mg·L1、1.5mg·L1~3.5mg.L~、3.0mg.L_1~5.0rag.L-1、
4.5mg.Ll~6.0mg.L1。
在底泥生物修复和不加修复处理两种情况下,采
用不同的曝气增氧条件和投加土著微生物制剂对模
拟河道水体进行生物修复的实验结果表明(图5),
在不对底泥进行生物修复的条件下,经过模拟河道处
理后,不加曝气增氧处理实验组水体COD不仅没有
得到有效的去除,模拟河道出水COD浓度反而升高,
水质更加恶化,这主要是由于未经处理的受污染底泥
向水体释放污染物所导致。对水体进行曝气增氧处理
的各实验组出水COD浓度明显下降,得到有效去除,
但不同的曝气增氧量条件下,模拟河道对水体COD
去除效果差异较大。在曝气量分别为1.44m3-h-1、1.92
m3-h1、2.16m3-h-1和2.70m3.h-1的实验条件下,经过
20d的实验,模拟河道进水COD浓度为140.0
mg.L-1180.Omg.L1,出水平均COD浓度分别为70.83
mg·L-1、61.9mg·L1、61.5mg·L‘1和73.6mg·L1,平均
去除率分别达到54.7%、60.44%、65.O%和53.4%。
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{
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壹
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--ID--Inno、Ⅳ一·一0m3.h-1nO--1.44m3.11"1
mA--1.92m3.hlroll--2.16m3.h1--Iil--2.7m3.h。
时间Tin喊d)
图5底泥生物修复前水体生物修复COD去除效果
Fig.5TheremovaleffectofCODinwaterbioremediation
beforesedimentsrememation
由图6可见,对底泥进行18d的生物修复后,
在不同曝气增氧量实验条件下,模拟河道进水平均
COD浓度为161.5nag.L~,出水平均浓度分别为105.0
rag·L1、60.0mg·L-1、50.8mg·L1、45.2mg·L1和61.3
mg·L-1,去除率分别达到35.0%、62.8%、68.5%、72.O%、
62.O%。
一口—h玎ow一●一0m3.h1一。一1.44m3.h1
一▲一1.92o.h.1一-_2.16m3.h-1一_一2.7m3.h
20
时间Time(d)
图6底泥生物修复后水体生物修复COD去除效果
Fig.6TheremovaleffectofCODpollutantinwater
bmrememationaftersedl皿忙晌remediation
由实验结果可知,底泥的生物修复对水体修复产
生较大的影响,在完成底泥生物修复后,采用相同条
件的曝气增氧和投加土著微生物制剂能达到更好的
水体生物修复效果,对COD的去除率提高了约10%;
水体修复稳定后水体COD浓度维持在更低水平,相
对降低了15rag·L1;水体修复的效率显著提高,达
到稳定水体生物修复效果的周期由不对底泥生物修
复时的13d缩短到6d;在底泥生物修复后,维持相
对较低的曝气增氧量就能达到较好的水体修复效果。
对河流污染水体进行曝气增氧.投加微生物制剂
进行生物修复是一种有效的治理方法,但曝气增氧量
条件的控制对水体生物修复效果的影响很大,在本研
究中,控制曝气量为1.92m3.h-1~2.16m3.h-1,维持水
体DO浓度达到3.0nag.L-1以上时能达到较好的水体
生物修复效果,但对水体曝气增氧方式的选择值得研
究,曝气量过大会造成底泥的搅动,影响水体生物修
复效果。
显然,底泥的生物修复更有利于水体的生物修复,
主要有三方面的原因: (1)底泥的生物修复有效的
抑制了底泥释放污染物对上覆水体产生持续的二次
污染,一定程度的降低了水体污染负荷,削减了水体
∞∞∞加∞∞∞∞∞o
^.■.磬8矗_碍事-o
g留暑8耸8凸ou趔Qou肇繁捌霹
珊瑚m
m
m啪啪∞∞柏加。
万方数据
的部分污染源,使水体修复的效果更加显著; (2)
底泥的生物修复使底泥中有机物和还原性物质的耗
氧大大减少,底泥耗氧转化为生物耗氧,使水体生物
修复溶解氧利用率大大提高,使水体污染物得到有效
的生物降解【12】; (3)生物修复使底泥表层形成好氧
微生物群落,生物降解活性大大提高,这为水体的生
物修复起到了协同作用【l】。
3.3.2对水体氨氮去除效果的影响
实验结果表明(图7),不对底泥进行生物修复
时,模拟河道水体生物修复对氨氮的去除效果有限,
运行达到稳定后,不同曝气增氧实验条件下氨氮的去
除率随曝气量的增大略有增加,在曝气量分别为0、
1.44m3.h~、1.92mj.h.1、2.16mj.h-1和2.70“.h_1的实
验条件下,经过20d的实验,模拟河道出水水质氨
氮平均去除率分别达到8.0%、13.8%、15.0%、16.0%
和18.0%。对底泥进行生物修复后,水体生物修复实
验结果表明,各个不同曝气处理的实验组氨氮去除率
显著提高,分别达到了9.9%、19.0%、40.0%、41.0%
和40.6%。
槲
篮
粕
聪
城
■■底泥生物修复前EZ勿底泥生物修复后
BeforethebioremediafionofsedimentsA terthebior mcdialionofsediments
!
;.a_.- ._
0 1.44 1.92 2.16 2.7
曝气量AmountofAeration(m3·h11
图7底泥生物修复对水体生物修复的氨氮去除效果影响
Fig.7Influenceofsedimentsbioremediationontheremoval
effectofNH3-Npollutantinwaterbioremediation
由实验结果分析可知,对水体氨氮的去除,投加
土著微生物制剂能达到一定的处理效果,但采用曝气
增氧和投加土著微生物制剂联合处理的生物修复措
施能达到更好的处理效果。同时,底泥的生物修复不
仅能使水体生物修复效果比不对底泥进行生物修复
时大幅度提高,而且使联合处理的生物修复效果比单
一的投加土著微生物制剂的处理效果更加显著。这主
要是因为在底泥生物修复后,底泥由厌氧状态向好氧
状态转变,底泥释放氨氮对水体的二次污染得到有效
的控制,使整个模拟河道的水体修复成效显著提高,
其次,随曝气量的提高,水体溶解氧浓度增加,水体
硝化细菌的大量生长,促进了氨氮向硝态氮等其他形
态氮的转化,使水体氨氮浓度大大降低。
3.3.3对水体磷去除效果的影响
由实验结果分析可知(图8),底泥生物修复对
不同曝气增氧条件下水体生物修复的磷酸盐和总磷
去除效果影响不大,这可能是由于模拟河道进水的磷
酸盐和总磷浓度较高,而底泥中磷的释放速率和释放
量相对较小,在模拟河道实验设计的2d水力停留时
间内,底泥磷的总释放量相对进水中的磷浓度较小,
在对底泥进行生物修复后,底泥磷释放的控制量对上
覆水体的磷浓度变化的影响相对不大。
甜
鬣
稍
g
搭
基
苌
测
定
--B--生物修复前磷酸盐指标 一·一生物修复前总磷指标
图8底泥生物修复对水体生物修复的磷去除效果影响
Fig.8Influenceofsedimentsbioremediationontheremoval
rateofphosphatepollutantinwaterbioremediation
水体生物修复对磷的去除效果受曝气条件变化
的影响较大,随着曝气量的增加(0m3.hJ~2.16m3.h-1),
模拟河道水体磷酸盐的去除率逐步提高,相对不加曝
气处理实验组,经过模拟河道曝气增氧.投加土著微
生物制剂生物修复处理出水的磷酸盐去除率平均提
高了25.8%,最大去除率达到33.5%;总磷的去除效
果也随曝气量的增加逐渐提高(0m3.h-1~1.92m3.h-1),
最大去除率达到20.5%。但随着曝气量的进一步增加,
对模拟河道底泥产生一定的扰动,处理效果下降。在
本实验研究中,模拟河道水体生物修复去除磷的最佳
曝气增氧量为1.92m3.h~。
4结论(Conclusion)
(1)实验研究表明,仅采用曝气增氧的方式对
∞”∞巧加坫m,O
^摹v息qo吕Hq日-o甘董墨》o昌。国
万方数据
6期 刘晓伟,等.城市河道底泥污染生物修复技术研究 635
底泥生物修复的效果不明显,底泥G值变化不大,
采用曝气增氧和投加底泥生物修复制剂联合处理的
方式能达到好的底泥生物修复效果。在控制曝气量大
于1.44m3.h。1(维持水体溶解氧浓度>1.5mg L.1),
并配合投加底泥生物修复制剂时,能达到较好的底泥
生物修复效果,经过18d的实验,底泥G值由0.23
kg·(kg.h)。1提高到0.45kg·(kg.h)~。
(2)底泥的生物修复能有效控制和减少其污染
物的释放和对上覆水体的污染。在底泥的生物修复过
程中,底泥G值的变化与底泥氮、磷污染物释放量
呈负相关关系,关系式分别为:y=0.5124xlnl394
(R_2_0.9222)、y=0.17772x2加‘4781(RZ=0.8701)(y,
G/kg·(kgIh)~;x,@放l/mg·(m2.h)。1)。
(3)采用曝气增氧和投加土著微生物制剂联合
实施的生物修复方法对河道污染水体具有良好的修
复效果。控制曝气增氧使水体溶解氧浓度达到3.0
mg.L-1(曝气量1.92mj.h_1~2.16m3.h-1)以上,能达
到较好的水体生物修复效果,水体COD、氨氮、总
磷的最大去除率分别达到65.0%、16.30%和20.5%。
同时,底泥的生物修复有利于提高水体生物修复的污
染物去除率,缩短水体修复周期,在相同实验条件下,
对水体COD、氨氮的最大去除率提高到72.O%和
41.O%,水体生物修复的周期由13d缩短为6d。
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万方数据
城市河道底泥污染生物修复技术研究
作者: 刘晓伟, 谢丹平, 李开明, 金中, 江栋, 李明玉, LIU Xiao-wei, XIE Dan-ping, LI Kai-
ming, JIN Zhong, JIANG Dong, LI Ming-yu
作者单位: 刘晓伟,LIU Xiao-wei(暨南大学理工学院环境工程系,广州510632;环境保护部华南环境科学研究所
,广州510655), 谢丹平,李开明,金中,江栋,XIE Dan-ping,LI Kai-ming,JIN Zhong,JIANG Dong(环
境保护部华南环境科学研究所,广州,510655), 李明玉,LI Ming-yu(暨南大学理工学院环境工程系
,广州,510632)
刊名: 生态科学
英文刊名: Ecological Science
年,卷(期): 2011,30(6)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_stkx201106012.aspx