CN116338131B - 模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置及方法，试验装置包括箱体及箱体上端覆盖的顶盖，且顶盖上留有蒸发口；所述箱体包括前箱板和后箱板，在前、后箱板间设有两箱体侧板，在前、后箱板底部之间设有箱体底板；所述前箱板包括进水板部、上斜板部和下斜板部，所述进水板部设有进水口，下斜板部设有不同高度位置的数个取水口，后箱板上设有出水口，进水口与出水口间连接有水体循环管路，并在水体循环管路上安装有水泵。本发明创造中的试验装置采用水泵进行水体循环，可以模拟地表漫流和上覆水体流动的双重作用，下前斜板上开设多个不同高度的取水口，可定期分高度取水样进行分析，使得操作非常方便。

Description

模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置及方法
技术领域
本发明创造属于环境治理技术领域，尤其是涉及一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置及方法。
背景技术
随着经济的迅速发展和人口的快速膨胀，城市河湖水体受到越来越多的污染。河流本身的自净作用已无法承受各类污染物的大量涌入，从而导致城市河道水质恶化严重，并呈现严重的黑臭现象，对居民工作、生活和城市的发展造成不利影响。
河道“黑臭”的本质原因是水体内的厌氧微生物在缺氧状态下大量繁殖，对有机物进行厌氧分解并产生大量致臭气体如H2S、CH4和NH3等。其客观的外因在于城市河道接纳了大量生活污水，有机污染严重，为厌氧微生物提供了新陈代谢的养料，另一方面河道内不断富集营养物质（N、P等）的底泥为厌氧微生物提供繁殖的温床。传统的河湖污水治理技术包括截污、疏浚、引水、曝气等，这些方法短期效果明显，但对后期管理要求较高，且工程量大，需要定期维护，甚至出现河道清淤后还没来得及验收又发生返黑复臭的现象。
另外，沉积物作为河流生态系统中物质交换的重要场所和环境，在一段时间和一定条件下，从水体吸收的污染物质会从沉积物中重新释放进入水体。水体中好氧微生物在利用有机物同时，快速消耗水体中溶解氧，氧化性环境逐渐向还原性环境转化。随着沉积物还原性环境加剧，水体中厌氧微生物活性增强，有机物在厌氧降解过程中产生有机酸、酸化挥发性硫化物（AVS）等致黑致臭物质。虽然生物法作为一种绿色-经济的修复方式应用的越来越广泛，然而在污染严重的水体中生物法发挥的效果比较有限。
因此有必要对现有的河道水动力条件（包括地表漫流、径流）下微生物菌剂类型、附着方式、菌剂用量对水质修复效果的影响进行研究，从而提出合理和有效的微生物菌剂修复方案。现有技术中的小型水环境模拟装置虽然结构简单，但难以精准的模拟复杂的水体环境，试验结果偏差较大，而中大型的水环境模拟系统虽然考虑因素相对更为全面，但集成了太多的装置结构，介质装填量大，操作复杂，成本高，无论从经济性角度还是试验效率的角度，均不如小型装置。因此，有必要对现有的试验装置进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置及方法。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，包括箱体及箱体上端覆盖的顶盖，且顶盖上留有蒸发口；所述箱体包括前箱板和后箱板，在前、后箱板间设有两箱体侧板，在前、后箱板底部之间设有箱体底板；
所述前箱板包括进水板部、进水板部下侧倾斜布置的上斜板部、以及上斜板部下侧倾斜布置的下斜板部，其中，上斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，大于下斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，而后箱板与箱体底板间垂直；
所述进水板部设有进水口，下斜板部设有不同高度位置的数个取水口，后箱板上设有出水口，进水口与出水口间连接有水体循环管路，并在水体循环管路上安装有水泵。
进一步，所述顶盖包括上板、上板前侧的前挡板、以及上板两侧的顶盖侧板。
进一步，所述下斜板部下端设有与箱体底板配合的斜切角。
进一步，所述水泵采用蠕动泵。
进一步，所述顶盖、前箱板、后箱板以及箱体侧板均采用透明的亚克力板。
一种应用上述装置的试验方法，包括如下步骤：
S1，提前调研市场上已有的微生物菌剂法对河湖污水修复成功案例及常用微生物菌剂类型和厂家信息，并获取菌剂，比如，采购硝化细菌、反硝化细菌、复合菌种中至少一种；
S2，选取项目现场河湖污水底泥及上覆水，运至室内试验场地，对取样底泥和上覆水的污染指标（包括但不限于有机质含量、COD、NH3-N、TN、TP和DO等）进行检测；
S3，现场河湖水动力条件，等效预设试验模拟条件，水深和底泥厚度按照模型与实际的几何比尺进行计算，流速比尺为几何比尺的0.5次方，流量比尺为几何比尺的2.5次方，将底泥按预设厚度铺设在箱体底板上侧，并调整底泥表面，使之与箱体底板平行；向箱体内加入预设的水深，调整蠕动泵的功率使装置内的水流速度和流量，使之满足预设的水流速度和流量；
S4，待箱体中的水体流速恒定后，在修复开始、修复第5天和修复第14天分三次投加CaO2，在取水口处取试验水体，检测酸碱度pH值、溶氧量DO和化学需氧量COD，确定满足微生物生长的需氧环境所需的CaO2用量，通过先投放CaO2提高河道溶解氧含量DO，再投入功能性微生物提高硝化和反硝化微生物的菌属，其优势在于，可在功能性微生物的修复作用下降低底泥和河道中有机污染物（化学需氧量COD）、总磷TP、总氮TN的含量，减少底泥磷释放的风险，最终高效且彻底的改善城市河道水质；
其中， CaO2投放总量根据沉积物中AVS含量计算，公式如下：
C O =C AVS n 3 n 1 /(n 4 n 2 )；
式中，C O —将AVS氧化为所需的理论CaO2量，g/kg；
C AVS —沉积物中AVS的含量，g/kg；
n 1 —S的化合价从S2-到的变化；
n 2 —S的摩尔质量；
n 3 —O的摩尔质量；
n 4 —O的化合价从到O2的变化；
S5，按步骤S4中CaO2在相应工况下的最佳用量，选取并投放含有异养硝化-好氧反硝化菌的微生物菌剂和生物促进剂，之后在取水口处取出试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP；
S6，在步骤S4、S5的基础上，开展投放间隔时间试验，按预设间隔时间，在取水口处取试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP，并选做水体ORP检测；
S7，根据步骤S4-S6的试验结果，研究分析CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔对水质参数的影响；
S8，重复步骤S3-S6，调节底泥厚度、水深、流速、CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔，进行对照试验，分析研究CaO2用量、菌剂选择及用量、投放间隔时间对水质参数的敏感性，提出针对不同污染水质的处理配方；
S9，试验完成后，清理试验装置，完成试验模拟。
进一步，步骤S4中，分三次分别投加的CaO2投放量，均为CaO2投放总量的1/3。
进一步，用便携式多功能水质仪测定DO和ORP；用pH值计监测pH值。
进一步，步骤S4及步骤S6中，在取水口处取出的试验水体，均在8000转/分下离心10分钟，上清液通过0.45 μm滤膜过滤后，再进行水质参数的测定。
进一步，通过三组样品平行实验，进行分析。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造中的试验装置采用蠕动泵进行水体循环，可以模拟地表漫流和上覆水体流动的双重作用，下前斜板上开设多个不同高度的取水口，可定期分高度取水样进行分析，使得操作非常方便。所提供的微生物水质修复试验方法工作效率高，可利用试验装置重复试验，进而分析研究菌剂选择及用量、投放间隔时间对水质参数的敏感性，也可具体情况做适当调整，菌剂选择、用量控制试验可针对水质来源加做不同系列试验。同时，所应用的试验装置材料简单易得，价格低廉，不易被水体腐蚀，并且可一体化预制，成本较低且易于维修；生态环保，无二次污染。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例中试验装置的示意图；
图2为图1的左视图；
图3为图1的右视图；
图4为本发明创造实施例中试验装置设有功能板时的示意图；
图5为图4中功能板提起时示意图；
图6为本发明创造实施例中功能板的示意图；
图7为本发明创造实施例中侧边斜板部分的示意图；
图8为本发明创造实施例中柔性压紧条的示意图；
图9a为本发明创造实施例中上覆水pH值变化示意图；
图9b为本发明创造实施例中DO变化示意图；
图9c为本发明创造实施例中ORP变化示意图；
图10a为本发明创造实施例中上覆水COD变化示意图；
图10b为本发明创造实施例中沉积物有机质变化示意图；
图11a为本发明创造实施例中上覆水NH3-N变化示意图；
图11b为本发明创造实施例中上覆水变化示意图；
图11c为本发明创造实施例中上覆水TN变化示意图；
图12a为本发明创造实施例中修复过程上覆水变化示意图；
图12b为本发明创造实施例中修复过程沉积物AVS变化示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，如图1至8所示，包括箱体1及箱体上端覆盖的顶盖2，且所述顶盖上留有蒸发口3，即，顶盖未完全覆盖住箱体顶部开口，所留出的镂空部位作为蒸发口；所述箱体包括前箱板4和后箱板5，在前、后箱板两侧部之间分别设有箱体侧板6，在前、后箱板底部之间设有箱体底板7。需要说明的是，“侧部”、“底部”分别是对于前箱板（或后箱板）在组装成试验装置后所具有的姿态而言的，可参考附图。
所述前箱板包括进水板部8、进水板部下侧倾斜布置的上斜板部9、以及上斜板部下侧倾斜布置的下斜板部10，其中，上斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，大于下斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，水体经进水板后流淌至上斜板部，后箱板与箱体底板间垂直。上斜板部引导水体流动，使得水体经上斜板部流入箱体内后，产生类似于“漫流”的流动形式，更接近于现实中的实际工况。
所述进水板部设有进水口11，下斜板部设有不同高度位置的数个取水口12，用于取出试验水体样本；后箱板上设有出水口13，用于快速排放水体；所述进水口与所述出水口间连接有水体循环管路，并在水体循环管路上安装有水泵，该水泵优选采用蠕动泵。本发明创造综合考量径流条件和地表漫流条件，其中径流可以通过水泵实现，地表漫流由水体流经前箱板的上斜板部（以及下斜板部）实现。通过循环管路连接进（出）水口、管路中安装水泵属于常规技术，在此不再赘述。
上述顶盖包括上板14、上板前侧的前挡板15、以及上板两侧的顶盖侧板16。上述下斜板部下端设有与箱体底板配合的斜切角，保证下斜板部与箱体底板间结构稳定。上述顶盖、前箱板、后箱板以及箱体侧板均采用透明的亚克力板，由于试验装置较为小巧，且试验过程中水体压力很小，箱体无需负担较大的载荷，因此箱体的各块板材间采用胶粘固定即能满足试验需要，非常便于制作。
在一个可选的实施例中，在两箱体侧板之间设功能板17，如图6至8所示，该功能板两侧分别设有侧边斜板18，侧边斜板外侧面设有回弯部19，回弯部两端通过封闭板20闭合，使得回弯部与侧边斜板间形成储水槽，在侧边斜板下端设有出水孔21，各出水孔均朝向侧边斜板内侧倾斜布置，水体经侧板斜板流下后，会经出水孔向箱体中心排出，侧边斜板的高度根据实际需要设计，可以在预设试验模拟条件时，根据需要设计侧边斜板（出水孔）的高度，以达到更贴合实际工况的目的。在功能板朝向前箱板的一侧设有引水结构，所述引水结构包括功能板朝向前箱板的一侧设置的柔性压紧条22，该柔性压紧条布置于功能板下侧或是朝向前箱板侧的末端，通过下移功能板，使柔性压紧条与上斜板部表面贴合，即可将进水口补充的水体引流至功能板上表面。为了避免侧边斜板与前箱板产生干涉，功能板朝向前箱板的一端可以设计有伸长部27，柔性压紧条布置在伸长部下端。
作为进一步改进，可在功能板上表面设置一压杆23，作为举例，该压杆外穿出顶盖的一端通过配重块压紧，若试验中不需要使用此功能板时，可取下顶盖，取出功能板，操作也非常方便，或者，提起压杆，使功能板引水结构与上斜板部表面形成水体流过的间隙，不再使水体流至功能板上侧即可，通常，柔性压紧条可采用橡胶条或泡沫条。当然，本领域技术人员也可以采用其它方式操纵功能板与上斜板部的结合（或分离产生流水的间隙），在此不再赘述。
具体的，功能板上表面靠近进水板侧设有集水槽24，并在功能板上表面设有若干道与集水槽连通的沟槽25，各沟槽分别（相对于箱体侧板）以不同角度向远离进水板的一侧延伸，并在功能板上对应各个沟槽分别设有若干漏水孔26，其中至少分别有一个沟槽延伸至相应的侧边斜板处，功能板的引水结构与上斜板部贴合时，经进水口循环补充的水体可流淌至功能板上表面，并经各个沟槽分散开，经沟槽流淌至储水槽处的水体可以更好的模拟真实河湖的漫流，经漏水孔向功能板下方流淌的水体模拟降雨工况。
为了更真实的模拟河湖水体流动以及降雨过程中仍有水体经上斜板部表面流至试验装置内，可以在柔性压紧条下侧和/或上斜板部表面开设过水槽28。需要指出的是，当不再模拟降雨时，可以用挡板挡住集水槽处（除向侧边斜板处引流的沟槽以外的）沟槽的进水端。经过上述特殊结构设计的功能板，可以有效加入更多的试验条件，工况模拟更趋近于真实，使得试验结果更为精准可靠，这是现有试验模拟装置所不具备的创新性设计。
另外，为了保证大径流时微生物依然能够可以获得稳定的生长环境，可以将在箱体内部的水体中投入生态基，将原本存在于水体底泥、植物根系或悬浮于水中的微生物，部分或全部的富集在生态基表面，由于生态基的存在，使这些微生物找到更加适宜的居住空间，从而培养起种类更丰富、数量巨大的适应于水体的微生物，通过微生物对水中营养盐、有机物的吸收分解，以降解污染物，强化水体的自净能力；随着水体水质的提升，大量水生动植物开始不断生长和繁衍，从而逐步恢复水体的良好生态系统，长期维护水质于健康的状态，并且，试验模拟条件下，微生物不会流失，始终被保持在箱体内，最大限度保障试验结果准确。作为举例，微生物生态基包括：阿克曼生态基、碳素纤维草、或聚氨酯球形填料等。
在一个可选的实施例中，在上斜板部上安装有可调整倾斜角度的延伸板29，该延伸板一端铰接于前箱板，另一端为自由端。需要指出的是，延伸板和功能板可以有选择的使用，试验时，可以单独应用延伸板、也可以单独应用功能板，也可以是二者同时应用在试验中。在一个可实施的方案中，延伸板一端铰接于上斜板部（与下斜板部衔接位置），而在另一个可实施的方案中，铰接于进水板下侧（与上斜板部衔接位置）。在前箱板上设有驱动延伸板转动的驱动机构。作为举例，驱动机构可以为拴系于延伸板自由端的吊绳30，该吊绳上端外伸出顶盖，需要调整延伸板倾斜角度时，只需上拉或下放吊绳即可，需要说明的是，吊绳可以手动操纵，也可以是通过执行机构（如电机）带动，只要能够按需上提或下放吊绳即可，本领域技术人员可以按需进行常规设计，当然，采用其它驱动机构带动延伸板产生角度调整动作，也是可行的，在此不再赘述。当延伸板铰接于进水板下侧时，延伸板向下最大倾斜角度为与上斜板部接触后时的姿态。在试验过程中，操作人员既可方便的调整延伸板角度，以达到更好的试验效果，操作方便灵活，最大限度模拟真实的河湖所具有的工况环境。
一种应用上述装置的试验方法，包括如下步骤：
S1，提前调研市场上已有的微生物菌剂法对河湖污水修复成功案例及常用微生物菌剂类型和厂家生产信息，并获取（多类型多品种）菌剂，比如，采购硝化细菌、反硝化细菌、复合菌种中至少一种；
S2，选取项目现场河湖污水底泥及上覆水，运至室内试验场地，取样底泥及上覆水保存于4℃且黑暗的环境下；之后对取样底泥和上覆水的污染指标（包括但不限于有机质含量、COD、NH3-N、TN、TP和DO等，可根据实际需要增添检测指标）进行检测；
S3，现场河湖水动力条件，利用试验装置等效预设试验模拟条件，水深和底泥厚度按照模型与实际的几何比尺进行计算，流速比尺为几何比尺的0.5次方，流量比尺为几何比尺的2.5次方，将底泥按预设厚度铺设在箱体底板上侧，并调整底泥表面，使之与箱体底板平行（底泥上表面与底板平行是为了保证做平行试验的时候底泥的体积相同）；向箱体内加入预设的水深，调整蠕动泵的功率使装置内的水流速度和流量，使之满足预设的水流速度和流量；
S4，待箱体中的水体流速恒定后，在修复开始、修复第5天和修复第14天分三次投加CaO2，三次CaO2的投放量均为CaO2投放总量的1/3，即，CaO2的投放量均分三次进行投放。每天在取水口处取出试验水体，检测酸碱度pH值、溶氧量DO和化学需氧量COD，确定满足微生物生长的需氧环境所需的CaO2用量。通过先投放CaO2提高河道溶解氧含量（DO），再投入功能性微生物提高硝化和反硝化微生物的菌属，其优势在于，可在功能性微生物的修复作用下降低底泥和河道中有机污染物（化学需氧量COD）、总磷（TP）、总氮（TN）的含量，减少底泥磷释放的风险，最终高效且彻底的改善城市河道水质；
其中， CaO2投放总量根据沉积物中AVS含量计算，公式如下：
C O =C AVS n 3 n 1 /(n 4 n 2 )；
式中，C O —将AVS氧化为所需的理论CaO2量，g/kg；
C AVS —沉积物中AVS的含量，g/kg；
n 1 —S的化合价从S2-到的变化；
n 2 —S的摩尔质量；
n 3 —O的摩尔质量；
n 4 —O的化合价从到O2的变化；
S5，按步骤S4中的最优方案条件下（即CaO2在当前工况下的最佳用量），选取并投放微生物菌剂和生物促进剂，之后在取水口处取出试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP；过氧化钙（CaO2）作为经济、高效的电子受体和释氧剂被广发应用于黑臭水体修复过程中，可有效减少水体中的AVS及改善水体氧化还原环境。CaO2在黑臭水体修复过程主要有两个作用，一方面，可以提升水体溶解氧（DO）水平；另一方面，CaO2溶于水后生成过氧化氢，可有效提升水体氧化还原电位（ORP）。CaO2能有效地抑制沉积物中氮、磷的释放，并能通过增强微生物作用，明显降低上覆水中氮、磷的浓度。但是，对于污染严重黑臭水体，沉积物耗氧速率快，添加少量CaO2难以满足修复需求，而增加CaO2投量，一方面会导致水体pH值增加，另一方面CaO2生成的氧自由基会进一步影响水体微生物活性。因此，在步骤S4和S5中，本发明创造通过试验来研究CaO2和微生物协同作用下黑臭水体的改善情况，并分析CaO2和微生物协同作用下黑臭水体微生态环境变化，进而获得通过控制CaO2用量及CaO2和微生物协同作用下的水质修复处理配方。
S6，在步骤S4、S5的基础上，开展投放间隔时间试验，按预设间隔时间，每天在取水口处取出试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP，并选做水体ORP（氧化还原电位）检测；
S7，根据步骤S4-S6的试验结果，研究分析CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔等对水质参数的影响；
S8，重复步骤S3-S6，调节底泥厚度、水深、流速、CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔，进行对照试验，分析研究CaO2用量、菌剂选择及用量、投放间隔时间对水质参数的敏感性，提出针对不同污染水质的处理配方；
S9，试验完成后，清理试验装置，完成试验模拟。
上述方法可通用于针对外来污染物较小的城市河湖污水，以及无内外水体交换的小湖塘或城市公园湖塘，为物理法治理水体提供一种长期有效的研究措施，提高治水效果，试验操作方便，精确度高，效率高，成本非常低。下面结合实施例对本发明方法进行说明。
首先，使用柱状采泥器采集河道沉积物0~30m处沉积物，采集完成后迅速剔除沉积物中的塑料、石块及玻璃等杂物，装入塑料桶内，并盖上桶盖，避免空气进入产生干扰，沉积物被密封并迅速运回实验室，在黑暗中保存在4℃环境（如冰箱）中。并选择该河中未受沉积物扰动影响的河流水体进行采集，采集完成后迅速剔除悬浮在水体中的树叶、悬浮垃圾等杂物装入塑料桶内，并盖上桶盖，避免空气进入产生干扰。测得水质特征为：ORP为150.45mV，pH值为7.25，DO为2.10 mg·L-1，COD为68.50 mg·L-1，氨氮（NH3-N）为16.20 mg·L-1，TN为16.50 mg·L-1。沉积物的主要指标为：沉积物AVS为2010 mg·kg-1干泥, 沉积物有机质为150.23 g·kg-1干泥。
向试验装置内填充沉积物约1.5L（高度5 cm），以虹吸的方式缓慢的向反应器中加入约7.5L上覆水（高度25 cm）。试验时，设置有空白组、投加过氧化钙组和过氧化钙+功能微生物组。试验所用CaO2投量根据上述发明方法中沉积物中AVS含量计算。为控制CaO2投量过高导致上覆水pH值超标，根据上覆水中pH值<9的原则，CaO2进行少量多次投加（比如，根据沉积物AVS含量，CaO2共计投加2.4g，根据前期优化实验分三批次投加，每批次投加0.8g，分别在修复开始、修复第5天和修复第14天投加）；水体经CaO2调节后，在修复第30天进行功能微生物投加，功能微生物投量基于前期优化结果（比如，投量为0.67g）。实验周期共计60天。
利用便携式多功能水质仪（HQ30d）测定DO和ORP。用pH值计（pH值S3C）监测pH值。样品在8000转/分下离心10分钟，上清液通过0.45 μm滤膜过滤。TN、NH3-N、、亚氮（）使用中国国家环境保护机构规定的标准方法；COD采用哈希分光光度法；硫酸盐（）采用离子色谱法(Dionex 1100，USA)；采用亚甲基蓝分光光度法测定沉积物AVS含量。取矿化层沉积物（修复52天后）进行菌群结构分析，另外，优选通过三组样品平行实验，以减少误差，获得更准确的结果。
CaO2上覆水DO、pH值和ORP影响如图1所示。由图9a可知，由图可知，三个批次投加CaO2后pH值分别增加至8.22、8.45和8.90，上覆水pH值随CaO2投量增加而增加，其主要原因是CaO2遇水分解生成氢氧化钙，进而导致上覆水pH增加。修复第30天后发现，过氧化钙+微生物组的pH明显高于过氧化钙组，其主要原因是功能微生物中含有反硝化菌，反硝化作用下产碱导致的。
由图9b可知，三个批次投加CaO2后DO值分别增加至6.22、8.25和9.29，上覆水DO主要跟投加CaO2量有关，CaO2作为一种释氧剂，入水可以产生大量氧气，使上覆水体DO含量迅速增加，CaO2量越大，上覆水体溶解氧含量越高。修复第30天后发现，过氧化钙+微生物组的DO明显低于过氧化钙组，其主要原因是功能微生物中含有部分好氧菌，消耗上覆水中DO导致。
ORP变化如图9c所示，投加CaO2后ORP出现先降低后增加的趋势，ORP与pH值呈负相关关系，pH值越高反而ORP越低。投加CaO2后pH先升高后降低，DO则迅速增加，随着pH的降低，ORP逐渐增加。修复第30天后发现，过氧化钙+微生物组的ORP明显低于过氧化钙组，其主要原因是投加微生物后，在微生物代谢作用下，产碱并且消耗水体中溶解氧导致。
因此，投加CaO2时，采用少量多次并且合理的用量，可有效控制上覆水pH，且有利于增加水体中DO和ORP，水质得到显著改善，通过去除水体中的有机物，解决水体黑臭问题。
由图10a可得，投加CaO2后，过氧化钙组和过氧化钙+微生物组上覆水COD在修复稳定后（修复底泥60天），分别降低至23.32 mg·L-1和19.02 mg·L-1，去除率高达65.9%和72.2%。结果表明投加CaO2和微生物有利于促进上覆水COD的降解，其原因可能是CaO2投加提高了水体中的溶解氧，改善了底泥中的微生态环境，促进了水体中微生物及胞外酶的活性，增加了水体中有机物的去除；此外，CaO2在水体中分解产生大量的羟基自由基，具有强氧化性，可以将水体中的有机物直接氧化分解。
由图10b可得，投加CaO2后，过氧化钙组和过氧化钙+微生物组底泥有机质在修复稳定后（修复底泥60天），分别降低至130.32 mg·kg-1和122.45 mg·kg-1，去除量分别达到高达19.92 mg·kg-1和27.78 mg·kg-1。CaO2投加量根据底泥AVS含量结算，根据分子计量学可知，CaO2投量不足以降解底泥中有机质，分析其主要原因是由于底泥中微生态环境得到明显改善，底泥有机质得到了显著去除。
投加CaO2改变了沉积物微生物的生存环境，不同修复条件下对沉积物中氮的转化途径的影响，下面通过修复过程中不同形态氮的变化进行分析。
由图11a可知，投加CaO2后，过氧化钙组和过氧化钙+微生物组上覆水NH3-N在第10天得到全部去除（图11a），同时有大量的亚硝酸盐氮生成（图11b），过氧化钙组和过氧化钙+微生物组最高分别增加至12.32 mg·L-1和12.56 mg·L-1，说明CaO2促进了氨氧化反应的发生。而上覆水中总氮在修复过程中持续减少（图11c），在修复稳定后（修复第60天），过氧化钙组和过氧化钙+微生物组总氮最高分别降低至至4.30 mg·L-1和0.46 mg·L-1，研究表明反硝化是水体中氮减少的主要途径，因此，说明投加CaO2促进了水体中的反硝化反应。对比过氧化钙组和过氧化钙+微生物组氮形态变化可知，/>减少时水体总氮减少的主要原因。其主要原因是，投加的复合微生物种含有大量的异养硝化-好氧反硝化菌，促进了水体中的反硝化作用，因此上覆水中总氮得到显著的去除。
投加CaO2可显著提高水体氧化还原环境，并对沉积物AVS有良好的去除效果，为探究不同修复方式下对水体中硫循环的影响，下面进一步对上覆水及沉积物AVS进行分析。
由图12a可知，投加CaO2后，过氧化钙组和过氧化钙+微生物组上覆水最高分别增加至249.9 mg·L-1和249.2 mg·L-1，表明表明CaO2促进了硫酸盐的产生。CaO2遇水产生大量的氧气及羟基自由基，这些物质具有一定的氧化性，促进了底泥中的还原性物质的增加。结合图11可知，在前期有大量的NH3-N发生了氧化生成了亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐在一定程度上也会与硫化物发生硫自养反硝化反应，进而促进硫酸盐的增加。随着CaO2的消耗，水体中的溶解氧逐渐降低，上覆水中的硫酸盐也开始逐渐降低，说明水体中可能发生了硫酸盐还原反应。
由图12b可知，投加CaO2后，过氧化钙组和过氧化钙+微生物组沉积物AVS含量分别降低至502.3 mg·kg-1和480.3 mg·kg-1，去除率高达75.0%和76.1%，结果表明过氧化钙可显著去除沉积物AVS。在修复稳定后（修复第60天），过氧化钙组和过氧化钙+微生物组沉积物AVS含量分别降低至603.2 mg·kg-1和689.2 mg·kg-1。沉积物AVS有少量的增加，主要原因是底泥中存在硫酸盐还原菌，在硫酸盐还原菌作用下底泥中可发生异化硫酸盐还原反应，将间隙水中的硫酸盐进一步还原为AVS，同时底泥中的有机质也会得到进一步的降解，解释了底泥中有机质持续降解的原因。结果表明，CaO2促进了底泥中黑臭物质的降解，有效抑制底泥中再次出现黑臭的可能。
为进一步验证化学药剂对沉积物中微生态环境的影响。分别对沉积物进行微生物群落结构分析。表1为沉积物的alpha多样性指数统计表。Chao1和Shannon指数反应了生物多样性，空白组Chao1和Shannon指数高于过氧化钙组低于过氧化钙+微生物组，结果表明空白组生物多样性高于过氧化钙组低于过氧化钙+微生物组。其主要原因是微生物受上覆水水质影响较大，而投加CaO2后沉积物中厌氧微生物种类减少，进而影响了微生物群落结构，使得微生物种类趋向好氧。而过氧化钙+微生物组由于投加了复合微生物菌剂，促进了沉积物中微生态环境的改善，增加了沉积物中微生物的多样性。
表1 细菌种群多样性指数特征
最终得出结论：CaO2作为电子受体通过提升水体的溶解氧和ORP，有效改善了水体的微生态环境。通过提升硫氧化菌Thiobacillus、Bosea、Nitrobacter及Pseudomonas的丰度，抑制硫酸盐还原菌Desulfobacterium、Syntrophus的丰度，有效降低了水体黑臭的潜在风险降低。同时CaO2释放的溶解氧促进了水体中的NH3-N的氧化，进一步提升了Sterolibacterium、Denitratisoma及Silanimonas等反硝化菌丰度，促进了水体中氮的降解。经CaO2和微生物协同修复后，上覆水NH3-N去除率达到95.1%、COD去除率72.1%、溶解氧达到6.5mg/L，沉积物中AVS去除率达到87.4%、有机质去除率达到33.3%，综上，本发明方法为抑制水体返黑返臭提供了理论依据和具体的试验方法，可利用所提供的试验装置重复进行试验，进而分析研究菌剂选择及用量、投放间隔时间对水质参数的敏感性，也可具体情况做适当调整，菌剂选择、用量控制试验可针对水质来源加做不同系列试验，操作简单，试验效率高。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，其特征在于：包括箱体及箱体上端覆盖的顶盖，且顶盖上留有蒸发口；所述箱体包括前箱板和后箱板，在前、后箱板间设有两箱体侧板，在前、后箱板底部之间设有箱体底板；
所述前箱板包括进水板部、进水板部下侧倾斜布置的上斜板部、以及上斜板部下侧倾斜布置的下斜板部，其中，上斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，大于下斜板部相对于箱体底板的倾斜角度，而后箱板与箱体底板间垂直；
所述进水板部设有进水口，下斜板部设有不同高度位置的数个取水口，后箱板上设有出水口，进水口与出水口间连接有水体循环管路，并在水体循环管路上安装有蠕动泵。
2.根据权利要求1所述的模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，其特征在于：所述顶盖包括上板、上板前侧的前挡板、以及上板两侧的顶盖侧板。
3.根据权利要求1所述的模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，其特征在于：所述下斜板部下端设有与箱体底板配合的斜切角。
4.根据权利要求1所述的模拟不同水动力条件下微生物水质修复的试验装置，其特征在于：所述顶盖、前箱板、后箱板以及箱体侧板均采用亚克力板。
5.一种应用权利要求1所述装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，提前调研市场上已有的微生物菌剂法对河湖污水修复成功案例及常用微生物菌剂类型和厂家信息，并获取菌剂；
S2，选取项目现场河湖污水底泥及上覆水，运至室内试验场地，对取样底泥和上覆水的污染指标进行检测；
S3，现场河湖水动力条件，等效预设试验模拟条件，水深和底泥厚度按照模型与实际的几何比尺进行计算，流速比尺为几何比尺的0.5次方，流量比尺为几何比尺的2.5次方；将底泥按预设厚度铺设在箱体底板上侧，并调整底泥表面，使之与箱体底板平行，向箱体内加入预设的水深，调整蠕动泵的功率使装置内的水流速度和流量，使之满足预设的水流速度和流量；
S4，待箱体中的水体流速恒定后，在修复开始、修复第5天和修复第14天分三次投加CaO2，在取水口处取试验水体，检测酸碱度pH值、溶氧量DO和化学需氧量COD，确定满足微生物生长的需氧环境所需的CaO2用量；
其中， CaO2投放总量根据沉积物中AVS含量计算，公式如下：
C O = C AVS n 3 n 1 /(n 4 n 2 )；
式中，C O —将AVS氧化为所需的理论CaO2量，g/kg；
C AVS —沉积物中AVS的含量，g/kg；
n 1 —S的化合价从S2-到的变化；
n 2 —S的摩尔质量；
n 3 —O的摩尔质量；
n 4 —O的化合价从到O2的变化；
S5，选取并投放微生物菌剂和生物促进剂，在取水口处取试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP；
S6，在步骤S4、S5的基础上，开展投放间隔时间试验，按预设间隔时间，在取水口处取出试验水体，检测COD、NH3-N、TN和TP，并选做水体ORP检测；
S7，根据步骤S4-S6的试验结果，研究分析CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔对水质参数的影响；
S8，重复步骤S3-S6，调节底泥厚度、水深、流速、CaO2用量、菌剂选择及用量、投放时间间隔，进行对照试验，分析研究CaO2用量、菌剂选择及用量、投放间隔时间对水质参数的敏感性，进而得出针对不同污染水质的处理配方；
S9，试验完成，清理试验装置。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤S4中，三次CaO2的投放量均为CaO2投放总量的1/3。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：用便携式多功能水质仪测定DO和ORP；用pH值计监测pH值。
8.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤S4及步骤S6中，在取水口处取出的试验水体，均在8000转/分下离心10分钟，上清液通过0.45 μm滤膜过滤后，再进行水质参数的测定。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：通过三组样品平行实验，进行分析。
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