CN110104794A - 污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法。该方法用土工布包裹铁碳填料及微生物菌剂，制成土工布袋，每个土工布袋包裹铁碳与微生物混合物，每20～30kg铁碳填料混合3～10g微生物菌剂；在河道/湖泊黑臭底泥及水体中设置曝气系统，曝气管道均匀设置在向河道/湖泊黑臭底泥及水体中，土工布带均匀间隔放置在曝气管道周围；土工布袋的间距为5～20m2，曝气点曝气强度控制在30～70L/h，曝气时间控制在6～15h/d，曝气时间段内水体溶解氧控制在2～5mg/L。本发明实施10‑15天上覆水体氨氮去除率达到99％以上、总磷去除率达95％以上，底泥及水体的自净功能得到恢复，6个月内不发生返黑返臭现象。

Description

污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法
技术领域
本发明涉及污染河道/湖泊黑臭水体污染修复，特别是涉及一种采用铁碳微电解耦合微生物的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法。
背景技术
近年来，日益增速的经济发展及日渐膨胀的城市规模使得城市污水排放量不断增加，国内许多城市河流已经被严重污染，且大部分河水存在黑臭现象。许多城市根据其自身的特点，开展了黑臭河道整治工程，城市河道的外源污染得到了大幅削减。在外源污染物受到有效控制后，底泥内源污染物成为水体污染的重要来源。城市黑臭河道内源污染物中存在大量腐殖质等大分子有机物，水体中存在大量吸附了FeS、MnS等金属硫化物的带负电胶体悬浮颗粒，底泥与水界面普遍呈现厌氧状态。在外界条件如温度、水动力等改变时，污染物会从底泥相释放到水相中，使得上覆水黑臭现象反复。
水体黑臭成因复杂，水体地理特征及水环境条件都会直接影响黑臭水体治理的难度和工程量，因此需要根据水体的污染原因、污染特征、污染程度和治理要求的不同，选择适宜的治理技术。并且必须从源头上治理黑臭底泥，才能实现长效治理，彻底消除黑臭，实现城市生态文明建设，从而解决我国目前重点关注的城市水生态环境问题。
当前城市黑臭底泥及水体的修复方法主要有异位修复技术和原位修复技术。其中异位修复技术工程量大、操作复杂、容易引起二次污染，原位修复技术具有操作方便、投资小、无二次污染威胁等优点。但是常见的原位修复技术处理城市黑臭底泥及水体时存在修复周期长、修复能力有限等缺陷。因此，若要修复黑臭底泥和水体，以达到快速解决城市黑臭水体的污染问题的目标，需要快速降低底泥及水体中的化学需氧量、氮、磷等污染物浓度，提高水体的氧化还原电位、溶解氧等指标，改善底泥及水体生态环境，恢复底泥及水体自净功能。
发明内容
为了克服现有的河道/湖泊黑臭底泥和水体治理技术中存在的修复周期长、前期投入大、治标不治本等缺点，本发明旨在提供一种采用铁碳微电解耦合微生物的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步修复的方法，上覆黑臭水体氨氮去除率可达99％以上，总磷去除率可达95％以上，COD去除率可达80％以上，水体浊度降至5以下，水体黑臭现象完全消失，修复后6个月以内水体黑臭现象不再发生反复。
本发明采用铁碳微电解耦合微生物同步修复污染河道/湖泊黑臭底泥及水体的作用机理为物理吸附、微电解作用、铁混凝和促进微生物代谢的协同作用修复河道黑臭底泥和水体。黑臭底泥具有氮、磷、有机物浓度高，溶解氧低，处于厌氧态，细菌对有机物发生厌氧作用的特点。铁碳填料中的活性炭对底泥及水体中的污染物有一定吸附作用。铁碳微电解阳极生成的Fe2+可有效促进微生物代谢和硝化与反硝化作用，有利于反硝化脱氮，同时零价铁与碳组合形成的原电池反应，可将水体或底泥中的大分子有机物分解为小分子有机物，可显著提高有机物降解速度。零价铁与碳组合形成的原电池反应还能与体系中一些难以降解的污染物发生氧化还原反应，提高难降解有机物的可生化性能。同时生成的Fe3+可与上覆水PO4 3-反应生成稳定的FePO4沉淀物，生成的Fe(OH)3凝胶可与水体中PO4 3-发生共沉淀作用，能有效去除上覆水中的TP，将其固定在底泥相中，提高底泥可交换态磷组分的稳定性，避免底泥P的二次释放。微生物包括单菌和复合菌，有特定功能或者复合多效功能，具有去碳、硝化反硝化、吸磷的作用，与铁碳微电解协同增效，促进底泥及水体污染物快速转化和降解。曝气可促进微生物快速硝化作用，快速去除底泥及上覆水中的NH4 +-N，同时提高黑臭底泥及水体溶解氧，氧化还原电位，改善水体生态环境。
本发明铁碳填料与微生物土工布袋，能够在较短时间内有效修复污染河道/湖泊黑臭底泥及水体，恢复河道/湖泊底泥与水体的生态功能和自净功能，使修复的河道/湖泊不发生黑臭反复现象；河道/湖泊黑臭底泥和水体修复完成后，对外源污染物有一定的抗冲击作用，当有少量新的外源污染物进入上覆水体时，在修复后的底泥微生物作用下，可自行降解部分污染物；其次还可以根据河道/湖泊水动力及修复效果的要求，灵活取出或者更换铁碳填料与微生物土工布袋。
本发明可根据污染河道/湖泊黑臭底泥及水体区域面积、黑臭底泥厚度、污染程度、处理目标、经济预算等实际情况，灵活选择铁碳填料与微生物土工布袋的投加量、投放密度以及曝气点设置密度、曝气量、曝气强度及曝气时间等。当黑臭底泥或者水体中氨氮污染物浓度较高时，可适当增大曝气量延长曝气时间；当黑臭底泥或者水体中的磷含量较高时，可适当增加土工布袋的投加量。
本发明直接向污染河道/湖泊黑臭底泥及水体中投加铁碳填料与微生物土工布袋不会对水体生态系统产生毒害作用或其他不良影响，并且在修复完成后可以根据需要继续投加或者取出土工布袋，不会对河道水动力条件产生不良影响，同时可根据水体集污、排水情况进行适当处理，不易受季节变化、河道感潮、水动力变化等外界因素的影响。
本发明目的通过如下技术方案实现：
污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法：用土工布包裹铁碳填料及微生物菌剂，制成土工布袋，每个土工布袋包裹铁碳与微生物混合物，每20～30kg铁碳填料混合3～10g微生物菌剂；
在河道/湖泊黑臭底泥及水体中设置曝气系统，曝气系统包括曝气管道、曝气泵站和曝气头；曝气管道上间隔设有多个曝气头，曝气管道与曝气泵站连接；曝气管道均匀设置在向河道/湖泊黑臭底泥及水体中，土工布带均匀间隔放置在曝气管道周围；土工布袋的间距为5～20m2，曝气头安装在距离底泥20～25cm处，曝气点曝气强度控制在30～70L/h，曝气时间控制在6～15h/d，曝气时间段内水体溶解氧控制在2～5mg/L；曝气10-20d。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的土工布袋束口用细绳的一端绑定，细绳的另一端系上系浮标，将土工布袋直接投加到黑臭水体中，在重力作用下土工布袋沉降到黑臭底泥表层，浮标漂浮在水面。
优选地，所述的土工布裁剪成直径为1～2m的圆形。
优选地，所述的微生物菌剂为广东中微环保生物科技有限公司的DM菌(ZWDM-W02-Y)，固状颗粒状，使用前磨碎。
优选地，所述的铁碳填料为烧结过的固体颗粒，能在中性条件下稳定微电解，直径为0.3～1.5cm，堆积密度为1.0～2.0kg/m3，比表面积为3.0×104～5.0×104m2/kg，孔隙率为43％～51％。
优选地，所述的土工布袋在间距为5～20m2的前提下，污染河道/湖泊黑臭底泥及水体中土工布袋的总个数通过如下方法确定：根据测量污染河道/湖泊黑臭底泥及水体的长度、宽度、水体及底泥的深度估算该河道的水量和底泥量，根据监测的待处理河道水体污染物含量和底泥污染物含量，以及需要达到的污染物削减目标，两者相减，计算需要削减的污染物总量，按照每个土工布袋能削减50～300g的COD、30～100g氨氮、3～20g总磷计算所需的土工布袋的总个数。
优选地，对于河道，沿河岸双侧铺设曝气主管道每隔1～2m设置支路并安装曝气头。
优选地，所述的曝气时间控制在6～15h/d为每天早上9:00开始曝气，曝气6～15h/d后停止曝气。
优选地，所述的每个土工布袋铁碳用量为30～50kg。
优选地，所述的快速修复的方法有效去除污染河道/湖泊黑臭底泥及水体中的氮、磷、有机物，曝气3-5天黑臭水体表观上水体由黑色变为浅褐色，水体恶臭气味明显消除，曝气10-20天上覆水体氨氮去除率达到99％以上、总磷去除率达95％以上，COD去除率达80％以上，水体浊度降至5以下；底泥溶解性氨氮去除率超过70％，底泥颜色由深黑色变为浅褐色，底泥及水体的自净功能得到恢复，6个月内不发生返黑返臭现象；实施修复20-25天后拆除曝气系统，回收土工布袋。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果
1)铁碳填料与微生物土工布袋能够快速有效修复受污染水体，是一种集物理-化学-生物作用于一体的高效作用体系。铁碳填料与微生物土工布袋中的活性炭和零价铁形成原电池作用，能在生化反应前期有效降解大分子有机物生成利于微生物进行细胞活动的小分子有机物，且铁的氧化还原反应是生物电子传递链的重要组成部分，其可介入微生物物质与能量代谢过程，可提高生化反应速度，增强生物代谢反应的活性，提高底泥及水体的NH4 +-N和NO3 --N去除效率；生成的Fe3+能与水中的溶解性PO4 3-生成稳定的磷酸铁沉淀，生成的Fe(OH)3能与水中PO4 3-发生共沉淀作用，将其固定在底泥相中，提高底泥磷可交换态组分的稳定性，避免向上覆水水体的二次释放。
2)曝气能有效改善底泥及水体的溶解氧状态，促进水体生态环境向好氧状态转变，底泥及水体微生物群落由厌氧菌群向好氧菌群演化，达到恢复水体自净能力的效果。间歇曝气有利于增强反硝化功能，并最终实现底泥及水中氮向氮气的转化。
3)根据待处理的黑臭底泥及水体区域面积、范围、黑臭底泥厚度、污染程度、处理目标、经济预算等实际情况，灵活选择投加的铁碳填料与微生物土工布袋的投加量、投放密度及曝气系统的曝气量、曝气强度、曝气时间等。当黑臭底泥或者水体中氨氮污染物浓度较高时，可适当增大曝气系统的曝气时间和曝气流量；当底泥或者水体中的溶解性磷含量较高时，可根据需要适当增大铁碳填料与微生物土工布袋的投加量。
4)铁碳填料与微生物土工布袋通过直接投加的方式加入到水体中，操作简单灵活方便，不受外界环境条件影响，同时可根据水体纳雨水能力等情况及时去除或者更换；曝气系统的操作可简单方便地设置为全自动模式，一次铺设长久有效，不易受到季节等因素变化的影响。
5)铁碳填料与微生物土工布袋中所需的市面所售的可在中性条件下作用的铁碳填料均能达到使用要求；实施例中使用的微生物是购自广东中微环保生物科技有限公司，具有高效脱氮作用，市面也有多种类似功能的反硝化菌剂售卖；在前期处理过程中，铁碳填料与微生物土工布袋中的活性炭和零价铁形成原电池作用，能有效降解大分子有机物生成利于微生物进行细胞活动的小分子有机物，从而快速启动黑臭底泥及水体污染物转化的生化反应；在修复后期，微生物大量生长繁殖，快速去除水体中的有机物等污染物和脱氮固磷，改善水质，形成良性循环，最终达到去除污染物、恢复水体生态环境的目的；活性碳的高比表面积有利于微生物附着生长；曝气作用能快速促进水体高浓度氨氮转化为硝氮，能为植物等提供必需的营养物质，有利于后续的处理；该修复方法能根据黑臭水体区域、黑臭底泥厚度、范围、修复要求、经济预算等实际情况，灵活选择需要投加的铁碳填料与微生物土工布袋以及曝气系统的曝气条件；该修复方法操作简单灵活方便，不会对河道地形地貌产生影响，可根据需要取出修复体系，不会影响水体的水动力学条件，且不易受到季节变化等因素的影响；当黑臭底泥或者水体中氨氮污染物浓度较高时，可适当增大曝气系统的曝气时间和曝气流量；当底泥或者水体中的溶解性磷含量较高时，可根据需要增大铁碳填料与微生物土工布袋的投加量。该发明可实现3天左右黑臭水体表观即有明显变化，水体由深黑色变为土黄色，透明度提高，同时黑臭水体臭味消散；15天左右，水体的氮磷污染物浓度持续下降，氨氮的去除率可达99％以上，总磷的去除率可达95％以上，25天后取走修复体系，在后续6个月的监测时间段中没有发生返黑返臭现象。
附图说明
图1是本发明污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复装置中土工布袋的结构示意图；
图2是本发明污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复装置中土工布袋内部结构示意图；
图3是本发明污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复装置的结构示意图。
图4是本发明污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法的模拟河道反应器结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但实施例仅用于解释说明本发明，而不对本发明的保护范围进行限定。
污染河道/湖泊黑臭底泥及水体是指人们通过视觉和嗅觉对水体的一种综合感观，通常是指散发出刺鼻、恶心的气味，颜色呈现黑色或者泛黑色的水体。根据中华人民共和国住房和城乡建设部2015年首次出版的《城市黑臭水体整治工作指南》提出的常用黑臭水体评价指标可将黑臭水体污染程度进行分级，如下表1所示。
表1城市黑臭水体污染程度分级标准
表中*水深不足25cm时，该指标按水深的40％取值。
用上海仪电PH3C型台式pH/ORP计测量水体的pH、ORP指标，用Hach HQ40d型溶氧仪测定水体溶解氧指标。采用国家环境保护总局编制的标准方法来测定水样的COD、TN、NH4 +-N和TP指标以及底泥有机碳，如表2所示
表2常规理化指标测定方法
本发明处理的对象是表1中所述轻度或重度黑臭的河道底泥及水体。
如图1、图2、图3所示，一种污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复装置，主要由曝气系统、土工布袋和浮标组成。曝气系统包括曝气管道、曝气泵站和曝气头；曝气管道上间隔设有多个曝气头，曝气管道与曝气泵站连接；曝气管道均匀设置在向河道/湖泊黑臭底泥及水体中，土工布带均匀间隔放置在曝气管道周围；土工布袋和浮标通过连接线连接；土工布袋内装填铁碳填料与微生物菌剂，土工布带间隔放置在曝气管道周围。本发明铁碳填料为市售产品，为烧结过的固体颗粒，能在中性条件下稳定微电解，直径为0.3～1.5cm，堆积密度为1.0～2.0kg/m3，比表面积为3.0×104～5.0×104m2/kg，孔隙率为43％～51％；市场上具有相似性能的铁碳均可使用。本发明使用的微生物菌剂是购自广东中微环保生物科技有限公司的DM菌(ZWDM-W02-Y)，为固状颗粒，使用前磨碎。
如图1和图2所示，将土工布裁剪成直径约为1～2m的圆形，用土工布包裹铁碳填料及微生物菌剂，制成土工布袋，每个土工布袋包裹铁碳与微生物混合物，每20～30kg铁碳填料混合3～10g微生物菌剂，每个土工布袋铁碳用量为30～50kg，使用时，用细绳一端将土工布袋束口成为铁碳填料与微生物土工布袋，细绳另一端系上系浮标，将土工布袋直接投加到黑臭水体中，在重力作用下土工布袋沉降到黑臭底泥表层，浮标漂浮在水面。向河道中投加时，每个土工布袋作用于5～20m2纵横向河道水面间距。按照此要求确定土工布袋的投加密度。具体来讲，一条河道所需要的土工布袋的总个数可以通过如下方法确定：根据测量河道的长度、宽度、水体及底泥的深度估算该河道的水量和底泥量，根据监测的待处理河道水体污染物含量和底泥污染物含量，以及需要达到的污染物削减目标，两者相减，计算需要削减的污染物总量，按照每个土工布袋能削减50～300g的COD、30～100g氨氮、3～20g总磷计算修复该河道所需的土工布袋总个数。
优选地，在河道沿岸设置曝气系统，将曝气机和流量计设置于距离岸边1～2m范围内，沿河岸双侧铺设曝气主管道每隔1～2m设置支路并安装曝气头。曝气头安装在距离底泥20～25cm处，各曝气点曝气强度控制在30～70L/h，在曝气时间控制在6～15h/d，使曝气时间段内水体溶解氧控制在2～5mg/L。与现有技术相比，该曝气采用间歇曝气的方式，能节省大量能耗。优选控制每天早上9:00开始曝气，曝气6～15h/d后停止曝气，可通过自动控制设备控制。
实施例1
广州市典型黑臭河涌珠江某支流的就是一条黑臭河涌，河涌里面的水就是黑臭水体(对照表1检测过指标)，选取该河涌的黑臭水和底泥代表典型的黑臭水体。该水体相对封闭，水深约为4～6米，水呈黑褐色，氮磷污染物浓度高，按表2测试方法实施前测得上覆水溶解氧为0.18～0.27mg/L，氧化还原电位为-153～-100mV，COD为64.78～108.9mg/L，测试TN为44.82～47.62mg/L，NH4 +-N为30.35～47.55mg/L，TP为4.47～5.07mg/L；底泥厚度约为2～3米，底泥表层的1.5～2.5米为浮泥层，呈滑腻糊状，有机质含量丰富，深黑色，散发恶臭气味；底泥有机碳含量为81.59～98.69mg/g；底部约有0.5米厚泥沙层，主要含砂石、砂砾等大粒径无机物。对照表1标准发现该河涌上覆水溶解氧和氧化还原电位指标达轻度到重度黑臭标准，氨氮指标达重度黑臭标准，严重破坏水生态环境，影响周围景观和居民生活。采用以下方法对河涌黑臭底泥及水体进行快速修复。
图4是本发明污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法的模拟河道反应器的结构示意图。本实施例用如图4所示柱式模拟河道反应器模拟处理广州市典型黑臭河涌珠江某支流的黑臭底泥及水体，模拟河道反应器主要包括泥沙层1、浮泥层2、上覆水3、多个曝气头、曝气管道4、曝气泵站和土工布带5；泥沙层1、浮泥层2和上覆水3厚度比约为1:3:6。本实施例泥沙层1厚度为5cm、浮泥层2厚度为15cm、上覆水3厚度为30cm；设置一个曝气机作为曝气泵站，该曝气机曝气流量大于60mL/min，设置一条曝气管道4，用橡胶软管连接于曝气机上，曝气头为微孔曝气头，连接在曝气管道末尾处，固定在距离泥水界面5～10cm范围处，土工布袋5是根据需要装填的布袋，使用时直接投加到模拟河道反应器中，在重力作用下沉降到黑臭底泥中，并埋覆在底泥中。
柱式模拟河道反应器尺寸为：d＝8cm，h＝55cm，同时按照比例缩小土工布袋尺寸，将土工布裁剪成直径约为20cm的圆形，将20g铁碳填料与3mg微生物菌剂均匀混合后装入小号土工布口袋中，并用细绳束口，从该广州市典型黑臭河涌珠江某支流选取黑臭底泥和水体置于模拟反应装置中(d＝8cm，h＝55cm)，其中黑臭底泥：黑臭水体体积比约为1:2，先将黑臭底泥铺入装置，然后用虹吸法缓慢加入黑臭水体，避免扰动黑臭底泥，静置24h后，将小号土工布口袋投入反应装置中，在重力沉降作用下沉降到黑臭底泥中，由于该模拟装置水面面积较小，一个土工布袋即可满足需求，故只需向该反应器中投入一个土工布袋。实施例虽然只有一个土工布口袋，但通过对河道/湖泊黑臭水体及底泥体量进行测量估计，对污染范围进行核算，在同等条件下进行类比，同时按照扩大比例估计土工布袋的间距及曝气管道的间距。如在实施例中，一条曝气管道及一个土工布袋作用于约50cm2范围水面，底泥与水深度约为50cm，即可达到修复效果，对比取实施样的广州市某典型黑臭河涌，其水和底泥污染物含量与实施例相当，按照比例扩大可估算出土工布袋的间距，曝气管道的间距。
在模拟反应器旁边安装一个曝气机并连接一个气体流量计，在气体流量计后用橡胶软管连接一个曝气头，将曝气头伸入模拟反应器中固定于距离底泥2～3cm处，打开微孔曝气系统，设置曝气流量为60mL/min，曝气时间设置为12h/d(每天9:00～21:00曝气)。初始时上覆水氨氮浓度为30.35mg/L，COD为87.53mg/L，总磷为4.47mg/L，溶解氧为0.27mg/L，底泥有机碳含量为89.82mg/g，处理3天后上覆水黑色明显变浅，黑色底泥颜色由深黑色转为褐色，15天后，上覆水氨氮降低为0.24mg/L，COD为28.57mg/L，总磷为0.72mg/L，溶解氧为4.29mg/L，底泥有机碳降低至53.84mg/g，水体透明，黑臭底泥表面形成约3～4cm厚的黄褐色氧化表层。发现该模拟反应器中的黑臭水体及底泥污染物得到有效削减。这个过程中，投加的铁碳填料与微生物耦合并在曝气辅助下三者协同削减底泥及水体污染物，铁碳填料使得底泥及其上覆水系统中具有了Fe(Ⅱ)的初始来源和高化学活性的电子，改变底泥及水体中有机物的结构和性质，导致有机物降解或化学开环等，提高了底泥或水体难降解有机物的可生化性能。同时生成的Fe2+和Fe3+的三价和二价氢氧化物(Fe(OH)2、Fe(OH)3)能有效吸附和絮凝去除难降解有机物和磷。曝气作用增强了铁碳微电解作用于有机物降解的效能，产生不同价态的铁可作为载体用于电子传输，同时也增强了底泥-水体之间的传质作用。铁的氧化还原反应是生物电子传递链的重要组成部分，其介入微生物物质与能量代谢过程，可促进生物代谢反应，提高NH4 +-N去除效率。铁碳-微生物-曝气三者形成协同作用，共同去除污染物。
针对本实施例待处理的黑臭底泥及水体，为考察铁碳处理，微生物处理，曝气系统三者之间配合作用，本实施例还设计了4个相同的模拟反应器作为处理组：
T1组将30g铁碳填料装入小号土工布口袋中，投入本实施例模拟反应装置中，设置曝气流量为60mL/min，设置一条曝气管道连接曝气头，固定在距离泥水界面5～10cm范围处，设置每天曝气时间段为9:00～18:00。
T2组将15mg微生物菌剂(广东中微环保生物科技有限公司的DM菌(ZWDM-W02-Y)，固状颗粒状，使用前磨碎)装入小号土工布口袋中，投入反应装置中，设置曝气流量为60mL/min，设置一条曝气管道连接曝气头，固定在距离泥水界面5～10cm范围处，设置每天曝气时间段为9:00～18:00。
T3组将30g铁碳混合15mg微生物菌剂(广东中微环保生物科技有限公司的DM菌(ZWDM-W02-Y)，固状颗粒状，使用前磨碎)装入小号土工布口袋中，投入反应装置中，设置曝气流量为60mL/min，设置一条曝气管道连接曝气头，固定在距离泥水界面5～10cm范围处，设置每天曝气时间段为9:00～18:00。
T4组将空的小号土工布口袋投入反应装置中，设置曝气流量为60mL/min，设置一条曝气管道连接曝气头，固定在距离泥水界面5～10cm范围处，设置每天曝气时间段为9:00～18:00；对照组则静置放置。
各组模拟反应器中初始污染物浓度为“初始”栏所示，T1～T4及对照栏为处理28d后污染物浓度。如表3所示：
表3不同处理方式对体系污染物去除效果的对比
其中T1～T4组及对照组污染物去除率如下表4所示。
表4不同处理方式对体系污染物去除效果的对比
现有的治理技术方式仅部分水质指标如碳、磷等达到地表水Ⅴ类水标准，如从表3和表4可见，T1处理后上覆水COD浓度降至30.28mg/L，仅为地表水Ⅴ类标准，若要达到地表Ⅳ水标准则还需进一步处理，需要增加很大的成本。T3表示的是铁碳耦合菌剂并辅助曝气组，T3组仅在T1组基础上增加15mg微生物菌剂，表3和表4表明，T3不但对污染物的去除率明显高于其他组，可大幅提高COD去除率，达到了85.67％，同时提高上覆水TP和底泥有机碳的去除率；更重要的是，T3能在较短时间内将黑臭水体处理达到地表Ⅳ类水标准，且水体不会返黑返臭。
表3和表4表明本发明铁碳处理，微生物处理和曝气系统存在协同配合作用。主要因为曝气仅在COD的去除上有较好效用，而在底泥及水体中总氮和总磷的去除效应不佳。铁碳在促进硝态氮的去除上有较好效应，但如果没有曝气作为氨氮转化为硝态氮的驱动因素，铁碳对硝态氮的去除效应难以实现。投加的菌剂改善了体系的生态环境，更易去碳脱氮除磷。
实施例2
本实施例一种采用铁碳微电解耦合微生物的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，主要由铁碳填料与微生物土工布袋、辅助的人工曝气系统、土工布、浮标组成。土工布包的装填及制作、曝气管道的设置与实施例1中相一致。
模拟反应器模拟的是广州市典型黑臭河涌珠江某支流水体及其覆盖的底泥，调查了该支流底泥与水体深度的比例以及主要污染物含量，因此设计该模拟反应器尺寸为：d＝8cm，h＝55cm，同时按照比例缩小土工布袋尺寸，将土工布裁剪成直径约为20cm的圆形，将30g铁碳填料与10mg微生物菌剂均匀混合后装入小号土工布口袋中，并用细绳束口，从该广州市典型黑臭河涌珠江某支流选取黑臭底泥和水体置于模拟反应装置中(d＝8cm，h＝55cm)，其中黑臭底泥：黑臭水体体积比约为1:2，先将黑臭底泥铺入装置，然后用虹吸法缓慢加入黑臭水体，避免扰动黑臭底泥，静置24h后，将小号土工布口袋投入反应装置中，在重力沉降作用下沉降到黑臭底泥中，由于该模拟装置水面面积较小，一个土工布袋即可满足需求，故只需向该反应器中投入一个土工布袋。在模拟反应器旁边安装一个曝气机并连接一个气体流量计，在气体流量计后用橡胶软管连接一个曝气头，将曝气头伸入模拟反应器中固定于距离底泥2～3cm处，打开微孔曝气系统，设置曝气流量为60mL/min，曝气时间设置为12h/d(每天9:00～21:00曝气)。初始时上覆水氨氮为43.21mg/L，COD为91.06mg/L，总磷为4.87mg/L，溶解氧为0.23mg/L，底泥有机碳含量为91.62mg/g，处理3天后上覆水黑色明显变浅，黑色底泥颜色由黑色转为褐色，15天后，上覆水氨氮降低为0.77mg/L，COD为21.82mg/L，总磷为0.69mg/L，溶解氧为5.28mg/L，底泥有机碳含量为47.66mg/g，水体透明，黑臭底泥表面形成约3～4cm厚的黄褐色氧化表层。
实施例3
本实施例提供的一种采用铁碳微电解耦合微生物的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，主要由铁碳填料与微生物土工布袋、辅助的人工曝气系统、土工布、浮标组成。土工布包的装填及制作、曝气管道的设置与实施例1中相一致。
模拟反应器模拟的是广州市典型黑臭河涌珠江某支流水体及其覆盖的底泥，调查了该支流底泥与水体深度的比例以及主要污染物含量，因此设计该模拟反应器尺寸为：d＝8cm，h＝55cm，同时按照比例缩小土工布袋尺寸，将土工布裁剪成直径约为20cm的圆形，将30g铁碳填料与15mg微生物菌剂均匀混合后装入小号土工布口袋中，并用细绳束口，从该广州市典型黑臭河涌珠江某支流选取黑臭底泥和水体置于模拟反应装置中(d＝8cm，h＝55cm)，其中黑臭底泥：黑臭水体体积比约为1:2，先将黑臭底泥铺入装置，然后用虹吸法缓慢加入黑臭水体，避免扰动黑臭底泥，静置24h后，将小号土工布口袋投入反应装置中，在重力沉降作用下沉降到黑臭底泥中，由于该模拟装置水面面积较小，一个土工布袋即可满足需求，故只需向该反应器中投入一个土工布袋。在模拟反应器旁边安装一个曝气机并连接一个气体流量计，在气体流量计后用橡胶软管连接一个曝气头，将曝气头伸入模拟反应器中固定于距离底泥2～3cm处，打开微孔曝气系统，设置曝气流量为60mL/min，曝气时间设置为6h/d(每天9:00～15:00曝气)。初始时上覆水氨氮浓度为49.26mg/L，COD为108.97mg/L，总磷为4.52mg/L，溶解氧为0.25mg/L，底泥有机碳含量为97.82mg/g，处理3天后上覆水黑色明显变浅，黑色底泥颜色由黑色转为褐色，15天后，上覆水氨氮浓度降为0.38mg/L，COD为30.88mg/L，总磷为0.64mg/L，溶解氧为3.57mg/L，底泥有机碳含量为58.37mg/g，水体透明，黑臭底泥表面形成约4～5cm厚的氧化表层。
上述实施例测试结果可见，采用铁碳微电解耦合微生物的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，3天左右黑臭水体浊度即有明显降低，恶臭气味明显改善，15天左右上覆水体氨氮去除率即可达到99％以上、总磷去除率将达到95％以上，水体浊度降至5以下，底泥呈黄褐色，25天后去掉辅助的曝气设备和反应完成后的铁碳微生物耦合体系，底泥及水体的自净功能得到恢复，6个月内不会发生返黑返臭现象。
本实施例材料制备简单，投加量小，不会对河道的水动力条件产生不利影响，并且在一次修复后河道底泥微生物生境得到改善，因此底泥自净能力得到提升，对污染物的抗冲击能力也增强。
铁碳填料与微生物土工布袋中的原电池反应，能有效降解大分子物质，可提高生化反应速度，包括悬浮物、有机物等；增强生物代谢反应的活性，促进水体微生物反硝化作用；提高底泥磷可交换态组分的稳定性，避免向上覆水水体的二次释放。
铁碳填料与微生物土工布袋用透水透气的土工布口袋包裹，可避免外力因素破坏该土工布袋，保证了土工布袋的完整性；人工曝气系统增强了体系的修复能力，与铁碳填料与微生物土工布袋构成协同修复体系。
上述实施例只是对本发明的解释，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：用土工布包裹铁碳填料及微生物菌剂，制成土工布袋，每个土工布袋包裹铁碳与微生物混合物，每20～30kg铁碳填料混合3～10g微生物菌剂；
在河道/湖泊黑臭底泥及水体中设置曝气系统，曝气系统包括曝气管道、曝气泵站和曝气头；曝气管道上间隔设有多个曝气头，曝气管道与曝气泵站连接；曝气管道均匀设置在向河道/湖泊黑臭底泥及水体中，土工布带均匀间隔放置在曝气管道周围；土工布袋的间距为5～20m2，曝气头安装在距离底泥20～25cm处，曝气点曝气强度控制在30～70L/h，曝气时间控制在6～15h/d，曝气时间段内水体溶解氧控制在2～5mg/L；曝气10-20d。
2.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的土工布袋束口用细绳的一端绑定，细绳的另一端系上系浮标，将土工布袋直接投加到黑臭水体中，在重力作用下土工布袋沉降到黑臭底泥表层，浮标漂浮在水面。
3.根据权利要求1或2所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的土工布裁剪成直径为1～2m的圆形。
4.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的微生物菌剂为广东中微环保生物科技有限公司的DM菌(ZWDM-W02-Y)，固状颗粒状，使用前磨碎。
5.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的铁碳填料为烧结过的固体颗粒，能在中性条件下稳定微电解，直径为0.3～1.5cm，堆积密度为1.0～2.0kg/m3，比表面积为3.0×104～5.0×104m2/kg，孔隙率为43％～51％。
6.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的土工布袋在间距为5～20m2的前提下，污染河道/湖泊黑臭底泥及水体中土工布袋的总个数通过如下方法确定：根据测量污染河道/湖泊黑臭底泥及水体的长度、宽度、水体及底泥的深度估算该河道的水量和底泥量，根据监测的待处理河道水体污染物含量和底泥污染物含量，以及需要达到的污染物削减目标，两者相减，计算需要削减的污染物总量，按照每个土工布袋能削减50～300g的COD、30～100g氨氮、3～20g总磷计算所需的土工布袋的总个数。
7.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：对于河道，沿河岸双侧铺设曝气主管道每隔1～2m设置支路并安装曝气头。
8.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的曝气时间控制在6～15h/d为每天早上9:00开始曝气，曝气6～15h/d后停止曝气。
9.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的每个土工布袋铁碳用量为30～50kg。
10.根据权利要求1所述的污染河道/湖泊黑臭底泥及水体同步快速修复的方法，其特征在于：所述的快速修复的方法有效去除污染河道/湖泊黑臭底泥及水体中的氮、磷、有机物，曝气3-5天黑臭水体表观上水体由黑色变为浅褐色，水体恶臭气味明显消除，曝气10-20天上覆水体氨氮去除率达到99％以上、总磷去除率达95％以上，COD去除率达80％以上，水体浊度降至5以下；底泥溶解性氨氮去除率超过70％，底泥颜色由深黑色变为浅褐色，底泥及水体的自净功能得到恢复，6个月内不发生返黑返臭现象；实施修复20-25天后拆除曝气系统，回收土工布袋。
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