CN117247137B - 水体内源污染原位生态消除用曝气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其包括曝气管，曝气管包括曝气腔和能够向中空纤维膜单元根部释放气体的气体通道，其中气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作。当曝气腔被切换用于工作时，曝气管仅能够用于曝气；当气体通道被切换用于工作时，曝气管仅能够用于对中空纤维膜束外露在曝气管的安装部之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，以保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。
Description
分案申请
本申请为分案申请，原案申请号为202310031348.6，申请日为2023年1月10日，发明名称“水体内源污染原位生态消除用耦合系统及方法”。
技术领域
本发明涉及水体内源污染处理技术领域，特别涉及一种水体内源污染原位生态消除用曝气系统。
本发明还涉及一种水体内源污染原位生态消除用耦合系统，其包括底栖动物围隔和曝气膜生物反应器，底栖动物围隔部分埋设在水体底质内，并且底栖动物围隔内布置有能够借助于自身扰动能力使得底栖动物围隔范围内的底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；曝气膜生物反应器包括气体产生装置、曝气膜载体和生物膜，生物膜附着在所述曝气膜载体上；曝气膜载体布置在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上对应所述底栖动物围隔布置在其上方，以使得生物膜能够从上方捕捉因底栖动物扰动而向上释放的底质污染物；曝气膜生物反应器具有通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至所述生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
本发明还涉及一种水体内源污染原位消除方法，包括步骤：在需进行污染水体处理的底质处布置底栖动物围隔，在底栖动物围隔内投放能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上，在底栖动物围隔上方布置曝气膜载体，曝气膜载体上附着有生物膜；进行通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，其中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至所述生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
背景技术
无论是在河湖海洋等自然水体，或是围库鱼塘等人工水体，内源污染(如氮磷营养盐、有机质等)通常远高于水体自身(甚至十倍以上)。在环境生物因子(温度、水流、生物)波动干扰下，内源污染的扩散释放易导致水体污染问题的集中爆发。
清除黑臭水体底泥作为消除黑臭水体内源污染的有效措施，在城市污水处理中得到了广泛的应用。目前对黑臭底泥的治理主要是将内源污染物进行迁移或固化，其治理方法有物理方法(如底泥疏浚、人工曝气)，化学方法(如投加絮凝剂)以及生物方法(如水生植物栽种、投加微生物菌剂)。其中应用最为广泛的措施之一是通过底泥疏浚(清淤)将污染部分的底泥直接移除。清淤见效快、在一定程度上削减了污染物总量，但其成本高、工程量大，对于湖泊河流有着较大的破坏，同时会减少水生动植物和底栖动物的生物量和多样性，使沉积物的基底条件与微生境遭到破坏，严重阻碍了水生生态系统结构与功能的恢复。
此外，也常采用覆盖泥沙或者投加絮凝剂和锁磷剂等措施“防堵”，以固化内源污染物。对于添加锁磷剂的方法，风浪以及底栖动物的扰动会造成磷的再悬浮和解吸，从而降低锁磷剂的效果，而且高负荷的内源污染也会持续缓慢释放，故一定时间后又需重新投加药剂来固化新释放出来的污染物，处理效果不佳，且花费较多。固化不能改变沉积物污染物的总量，也不能使内源污染物从生态系统中完全清除，而一旦环境发生变化，内源污染物又将重新释放。
另外，生物修复是指通过生物(主要包括水生植物和微生物等)的生命活动和代谢过程来吸收、降解或转化沉积物中的污染物。但水生植物对污染物吸收的速率较慢，效果不明显，且高污染黑臭底泥在低氧环境下，往往很难生存；相比之下，投加微生物菌剂法操作更简单方便，对周围环境影响较小，但菌体易流失，可维持期短，在缺氧的环境中对污染物去除效果不理想。
基于以上内容可以看出，现有技术中存在的对黑臭底泥的处理技术往往不能真正原位削减内源污染并取得良好的水质净化效果，因此开发一项真正能高效生态减轻内源污染、恢复水体自净功能的集成技术迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种内源污染原位生态消除方法及其耦合集成系统，其将底栖生物扰动与曝气膜生物反应器技术相耦合，其中通过底栖生物扰动向上覆水中主动释放内源污染，实现内源污染的生态释放去除；通过膜曝气装置的曝气一方面在曝气膜上形成生物膜对经生物扰动释放的内源污染物进行原位生态消除，另一方面向水体底质(沉积物和/或底泥)提供部分氧气，以使得在底质内以及水体底质与上覆水的界面处的溶解氧浓度及梯度分布广度得到提升，进而使得界面处和水体底质内的生态微生境得到根本改善。
本发明第一方面提供一种水体内源污染原位生态消除用耦合系统，其包括底栖动物围隔和曝气膜生物反应器，底栖动物围隔部分埋设在水体底质内，并且底栖动物围隔内布置有能够借助于自身扰动能力使得底栖动物围隔范围内的底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；曝气膜生物反应器包括气体产生装置、曝气膜载体和生物膜，生物膜附着在曝气膜载体上；曝气膜载体沿水平方向布置在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上对应底栖动物围隔布置在其上方，以使得生物膜能够从上方捕捉因底栖动物扰动而向上释放的底质污染物；曝气膜生物反应器具有通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
进一步的，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气，从而使得水体底质与水的界面处的溶解氧的浓度也得到改善。
进一步的，底栖动物能够借助自身扰动在有毒物质(如过量氮磷、有机物和其他有毒有害物等)积累、厌氧或者严重缺氧型的水体底质中创造出孔洞廊道，渗入到水体底质内的氧气为自底栖动物创造出的孔洞廊道渗入到水体底质内。
其中，所谓上覆水层是指覆盖在水体沉积物上的水层。生物扰动是指底栖动物通过挖穴、摄食、通风、排泄等等生命活动搬运和混合沉积物的过程。曝气膜生物反应器通过曝气，对附着在曝气膜载体表层的生物膜提供其新陈代谢所需要的氧气，其中，曝气膜载体自身具有提供氧气和作为生物膜载体的双重作用。通过气体产生装置向曝气膜载体内部不断供气，膜内的氧气浓度更高，故膜内的氧会由于选择性透过性和氧浓度的差异而不断地向膜外扩散。而水体中的污染物浓度较高，与生物膜最外层存在一定浓度差，加上生物膜对污染物的吸附作用，会使高浓度的污染物基质不断向生物膜的表层富集，进而再向生物膜内部传质，不同位置形成不同的浓度分布。微生物根据膜外不同的氧气梯度，选择性地在其表面形成了独特的分层结构，不同区域有不同的功能群，在这些不同的功能区将水体中的污染物通过好氧氧化、硝化、反硝化、好氧吸磷等作用分解为稳定的物质，而后排放到环境中，使得水体得到了净化，微生物也实现了自身增殖，达到去除污染物的效果。
在本发明中，通过底栖动物扰动技术与曝气膜生物反应器技术的相互耦合实现水体内源污染原位生态消除。其中，底栖动物的生物扰动能够促使底质中的污染物向上覆水中释放，而曝气膜载体除了向系统提供氧气，还为微生物提供附着场所，曝气膜载体在水体上覆水层中直接设置在底栖动物围隔的正上方，从而使得曝气膜载体上附着的生物膜对经生物扰动而向上释放的内源污染物进行捕捉。具体地，在底栖动物扰动与膜曝气生物膜原位生态消除耦合技术共同作用下，黑臭系统中碳氮磷得到有效去除；曝气膜载体上附着地生物膜能够吸收溶解态的氮磷，被微生物转化消除，并形成隔离层，减少内源氮磷向水体中的释放。
而且，在本发明中，底栖动物在进行生物扰动的过程中，会加速氧的传递作用，促进水体底质-水界面的溶解氧和水体底质内部的溶解氧的梯度化分布，在局部构建出厌氧/缺氧/好氧交界面，利于底质深层厌氧氨氧化菌的生长。而且，底栖动物的自身扰动会在水体底质中创造出孔洞廊道，在此过程中，不仅增加了泥水界面面积和沉积物中溶解氧的消耗，而且还会间歇地将上覆水抽入到这些孔洞廊道中，上覆水中的电子受体如硝酸盐被带入到沉积物的下层，从而缩短了上覆水中硝酸盐向沉积物底层的缺氧反硝化区的扩散距离，进而促进了反硝化反应。而且在底栖动物通过扰动创造出的孔道中存在着比沉积物表层数量更多的细菌，这些细菌中包含大量反硝化细菌，更好地促进了系统反硝化反应。
同时地，在上述系统中，曝气膜载体相对水体底质这样设置，能够使得向生物膜供应的氧气部分地渗入水体底质(例如沉积物或底泥)中，以及供应到水体底质与水的界面处。即，在本发明中，通过曝气膜载体向生物膜所供应的氧气会经曝气膜载体供应至生物膜，也有部分将供应到水体底质与水的界面处以及渗入到水体底质内，从而使得界面处和水体底质内的溶解氧浓度得到提升。溶解氧浓度的升高促进了沉积物向上覆水释放的NH4 +-N向NO2 --N，NO3 --N的转化，这在一定程度上扩大了上覆水与沉积物中氨氮的浓度差，通过浓度梯度加速了NH4 +-N的释放，使得NH4 +-N被利用而减少。污水通过反应器内的生物膜分层结构后，可进行同步硝化反硝化(SND)，使得NH4 +-N转化为NO2 --N，NO3 --N后再转化为氮气排出，而氨氮的去除主要依靠硝化细菌完成，溶解氧浓度的升高使得氨氮的去除得以加强。
在本发明中，通过底栖动物扰动与膜曝气生物膜原位消除耦合技术地共同作用下，在有利于厌氧氨氧化菌生长的同时加强了反硝化作用。
进一步的，曝气膜载体包括多个中空纤维膜单元，每一中空纤维膜单元由多根聚丙烯材质和/或聚四氟乙烯和/或聚偏二氟乙烯材质的膜丝构成，这形成了中空纤维膜载体。在一个优选的实施例中，曝气膜载体选择透气性良好的致密微孔中空纤维膜材料，以此种膜为载体，可以在很小的空间内为微生物的生长繁殖提供很大的表面积，从而增大微生物的密度，而且能够提供无泡曝气，使得其氧气传质效率比常规的曝气系统要高得多，这样既能满足对氧的需要，又能节省能源。在一个优选的实施例中，本发明的曝气膜载体为帘式中空纤维膜组，其由多个中空纤维膜单元构成，每一中空纤维膜单元由多根中空纤维膜丝构成，帘式中空纤维膜组沿水平方向布置在底栖动物围隔正上方，以用于对生态释放的污染物进行捕捉。
进一步的，气体产生装置为太阳能曝气机，其通过空气输送管与布置在水体的上覆水层中的曝气膜载体连通，实现间歇、低能耗的供氧。
进一步的，底栖动物围隔由不透水高分子材料制成，其为矩形结构且上下表面不密封。
进一步的，底栖动物为寡毛类、摇蚊幼虫、螺、贝类和线虫中的一种或几种。
进一步的，曝气膜载体距水体底质5-15cm设置。
进一步的，在本发明申请中，为解决现有技术中用作曝气膜载体的中空纤维膜的根部沉积难以被清除的问题，本发明的耦合系统还提供一种改进的曝气系统，该曝气系统包括用于安装中空纤维膜束并且用于曝气的曝气管，曝气管包括用于安装中空纤维膜束的安装部、安装中空纤维膜束之后形成的曝气腔和能够接收气体并且能够向中空纤维膜束根部释放气体的气体通道，其中，曝气腔与安装后的中空纤维束的内腔相通，气体通道与曝气腔之间以相互不连通的方式设置，并且气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作。在具体的实施例中，对应每一中空纤维膜单元或每一中空纤维膜组设置有两个曝气管，两个曝气管对应中空纤维膜丝的两端设置，中空纤维膜丝的端部固定在相对应的曝气管的安装部内。中空纤维膜丝能够为一端与对应的曝气管通气连通形成进气端、另一端封堵的结构，在另外的实施例中也能够为两端均与相对应的曝气管通气连通形成进气结构。
在本发明中，曝气管的底部为近似圆形的结构，其内腔通过一沿曝气管长度方向伸展的内部隔板在径向方向上被分隔成气体通道的主气道和前述曝气腔。在曝气管的进气端口处对应前述内部隔板设置有整体结构为L形的调节板，该调节板以能够转动的方式设置在曝气管的进气端口处，其具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在气体压力超过一定阈值时调节板能够被推动自第一工作位置移动至第二工作位置。在第一工作位置处，调节板的第一板体与内部隔板相抵配合并且调节板的第二板体将气体通道的主气道的入口封闭，此时曝气腔的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入曝气腔；当调节板在第二工作位置处时，调节板的第二板体与内部隔板相抵配合，并且调节板的第一板体将曝气腔的入口封闭，此时气体通道的主气道的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入气体通道的主气道。
当L形的调节板在第一工作位置处时，曝气管仅能够用于曝气，以使得气体进入中空纤维膜束的中空内腔，继而供给微生物膜所必需的氧气和调节水体底质内的溶解氧浓度。当L形的调节板在第二工作位置处时，曝气管仅能够用于对中空纤维膜束外露在曝气管的安装部之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，能够始终保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。
在本发明中，气体通道还包括沿曝气管的侧壁设置的侧气道和与侧气道连通的出气道，每一出气道均以能够使得气体向中空纤维膜束根部释放的方式倾斜设置。
在本发明中，通过将用于对中空纤维膜束根部吹扫的气体通道集成设置在曝气管上，无需再额外设置布气装置；而且通过调节板的切换操作，使得曝气管能够满足曝气和对中空纤维膜束根部吹扫两个相互独立的工作。
另外，在本发明中，用于中空纤维膜束的安装部提供一种沿曝气管长度方向为波浪形的安装腔，安装腔具有波峰和波谷，这使得中空纤维膜束安装到安装部后形成与安装腔的形状相适应的波浪形中空纤维膜组，进而在安装部的有限长度内大大提高了中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性。其中，气体通道的出气道对应安装腔的每一波峰和波谷分别设置至少一个，以保证对中空纤维膜束根部污染清除的彻底性和均匀性。
在本发明的另外一种实施例中，提供一种与前述调节板结构不同的调节机构。该调节机构包括壳体、进气口和两个出气道，其中进气口与气体产生装置相连通，用于接收来自气体产生装置的气体；两个出气道分别第一出气道和第二出气道，其中第一出气道用于与曝气管的曝气腔的入口相连通，第二出气道用于与曝气管的气体通道的主气道相连通。该调节机构包括置于壳体内部的气道切换机构，所述气道切换机构包括内壳、横隔膜、第一截止阀和第二截止阀。其中横隔膜为软体材料制成，优选的通过硅胶制成，横隔膜为半球形结构，在压力下能够向初始状态相反的方向变形；横隔膜设置在内壳的内腔内，并且将内壳的内腔分隔成为第一腔和第二腔。
在上述实施例的调节机构中，第一截止阀包括第一弹簧、第一推板、第一滑杆和第一截止阀体，第一滑杆自内壳的第一腔向外穿出，第一弹簧在内壳的第一腔内外套设置在第一滑杆上，第一推板固定在第一滑杆位于第一腔内的杆端上。第一截止阀体固定设置在第一滑杆位于内壳外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第一出气道。第二截止阀包括第二弹簧、第二推板、第二滑杆和第二截止阀体，第二滑杆自内壳的第二腔向外穿出，第二弹簧在内壳的第二腔内外套设置在第二滑杆上，第二推板固定在第二滑杆位于第二腔内的杆端上。第二截止阀体固定设置在第二滑杆位于内壳外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第二出气道。
在上述实施例的调节机构中，横隔膜具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在第一工作位置处，横隔膜处于初始状态下，其为朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，在该初始状态下，横隔膜与第二截止阀的第二推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第二推板形成压迫，使得第二弹簧被压缩、第二滑杆向内壳外部伸展，最终使得第二截止阀的第二截止阀体将第二出气道关闭。在横隔膜的第一工作位置处，第二出气道被关闭，此时，自调节机构的进气口进入的气体仅能自第一出气道流出，即，此时能够进行曝气管的曝气工作。在横隔膜的第二工作位置处，横隔膜与第一截止阀的第二推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第一推板形成压迫，使得第一弹簧被压缩、第一滑杆向内壳外部伸展，最终使得第一截止阀的第一截止阀体将第一出气道关闭。在横隔膜的第二工作位置处，第一出气道被关闭，此时，自调节机构的进气口进入的气体仅能自第二出气道流出，即，此时能够进行曝气管针对中空纤维膜束的根部的吹气工作。
横隔膜自第一工作位置向第二工作位置的变换是借助于压缩空气的气压实现的。当需要进行针对中空纤维膜束的根部的吹气工作时，可通过与内壳的第二腔连通的压缩空气进气管向第二腔内充入压缩空气，当第二腔内的气压达到一定阈值(20-50KPa)时，横隔膜受力向相反方向弯曲，即形成朝向第一截止阀的半圆形凸起状态。当需要停止针对中空纤维膜束的根部的吹气工作时，可切断向第二腔内的压缩空气供应，横隔膜会在第一截止阀的第一弹簧的复位力下恢复至初始状态，即恢复至朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，此时横隔膜会迫使第二截止阀工作，以使得第二截止阀体将第二出气道封闭。在本发明中，第一截止阀的第一弹簧的弹簧力与第二截止阀的第二弹簧的弹簧力不相同，第一截止阀的第一弹簧的弹簧力能够在第二腔的压缩空气供应被中断后迫使横隔膜恢复至初始状态，而第二截止阀的第二弹簧的弹簧力不能够迫使横隔膜向朝向第一截止阀的方向完全变形。
在上述实施例中，在通过横膈膜与截止阀配合形成调节机构中，横膈膜随着压缩空气的充入产生自第二截止阀向第一截止阀方向的变形，该种变形控制方式简单且灵敏，能够快速实现通道之间的切换；并且配和截止阀的阀体的半圆形结构，能够在需要关闭相应通道时有效实现对相应通道的完全封闭，同时，在弹簧的作用下又能够在需要打开相应通道时快速且灵敏的打开相应通道。
本发明的第二方面提供一种水体内源污染原位消除方法，包括以下步骤：
在需进行污染水体处理的底质处布置底栖动物围隔，在底栖动物围隔内投放能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；
在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上，在底栖动物围隔上方布置曝气膜载体，曝气膜载体上附着有生物膜；
进行通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，其中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
进一步的，通过曝气膜载体向外的氧气供应除附着于载体的生物膜外，还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气，以突破泥-水涉及的固-液界面，在底栖动物辅助下实现固-液-气三相的真正富氧。
在本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统及其方法中，在水体底部区域面向底泥与泥水界面，通过投放的底栖动物的掘穴、摄食等生物扰动活动，实现底栖动物围隔范围内的底质污染物质向水体的上覆水层的生态释放；而在水体的上覆水层区域，基于设置在底栖动物围隔竖直上方的曝气膜载体和附着在曝气膜载体上的生物膜，能够实现对经底栖生物扰动而被生态释放到上覆水层中的污染物质的原位降解。也就是说，在本发明的耦合系统中，通过底栖生物扰动向上覆水中主动释放内源污染，实现内源污染的生态释放去除，然后在底栖动物围隔的上方，通过附着在曝气膜载体上的生物膜对经生物扰动释放的内源污染物进行原位消除。
本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统，能够在水体底部的整个竖直空间上起作用，底栖动物扰动行为造成的生态释放能够加速围隔范围内的内源物质流动，削减水体底质内的内源污染物存量；同时，借助于通过曝气膜载体的曝气，除了向生物膜供应其所必需的氧气，还能够实现向水体底质内渗入氧气，从而能够实现对水体底质的溶解氧浓度的改善，强化并保障了底质中原生细菌微生物的生命活动，从根本上助力微生境恢复再造。与传统膜曝气生化降解系统仅能对水中液相可溶物产生部分作用不同，本发明突破了泥-水涉及的固-液界面，实现了污染物的降解区域从上覆水进一步扩大至泥-水界面及以下，使水-固两相微生境均能得到恢复，实现了固-液-气三相的真正富氧。
从以上可以看出，在本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统，复合地使用了底栖动物的生物扰动释放技术和经曝气膜生物反应器的生态降解技术两种污染物处理技术。在本发明中，这两种技术不但能够实现各自的技术作用，而且两者之间还具有意料不到的协同作用。具体地，在本发明中通过借助于曝气膜载体的曝气使得氧气部分地渗入到水体底质内，不但改善了水体底质内的溶氧浓度，而且能够强化底栖动物的生命活动，从而进一步促进了因底栖动物生物扰动而形成的生态释放效果。相应地，借助于底栖动物的生物扰动行为，能够相当程度地促进经曝气膜载体的曝气产生的氧气向水体底质内的渗入。即，借助于底栖动物的生物扰动，能够将经曝气膜载体的曝气向水体底质内渗入的溶解氧带入泥水界面以及泥水界面以下的水体底质深层区域，这能够大大激化水体底泥中微生物的生命活性，使得污染物的降解区域从上覆水区域进一步扩大至泥水界面及以下。从此可以看出，相比较于现有技术中单独使用底栖动物扰动技术或者膜曝气生物反应器技术的方案，本发明的耦合系统实现了意料不到的技术效果。
本发明提到的耦合技术由更生态、高效和可持续性单元构成，其他耦合技术或只耦合微生物与植物，没有考虑重污染水体底泥严重缺氧、微生物难以适应、植物难以存活的情况；或采用藻类和底栖动物共生的方式；或者没有氧环境改善、没有释放与降解的全流程作用。
有益效果：在本发明中，由于曝气管的气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作，当曝气腔被切换用于工作时，曝气管仅能够用于曝气，以使得气体进入中空纤维膜束的中空内腔，继而供给微生物膜所必需的氧气和调节水体底质内的溶解氧浓度；当气体通道被切换用于工作时，曝气管仅能够用于对中空纤维膜束外露在曝气管的安装部之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，能够始终保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。
下面结合附图中所示的实施例以及附图标记详细公开本发明的本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统。
附图说明
图1示出了本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统的结构布置。
图2(A)示出了上覆水溶解氧浓度随时间的变化。
图2(B)示出了实验结束时沉积物溶解氧侵蚀深度。
图3示出了上覆水中TOC浓度随时间变化。
图4示出了上覆水中的NH4 +-N浓度随时间的变化。
图5示出了上覆水中的NO2 --N和NO3 --N浓度随时间的变化。
图6示出了上覆水中的TN浓度随时间的变化。
图7示出了上覆水中的PO4 3-、TP浓度随时间的变化。
图8为本发明中的曝气管结构示意图。
图9为本发明中的曝气管在接受中空纤维膜束的安装后沿图8的A-A向的剖面结构示意图。
图10为本发明其中一个实施例中的调节板在第一工作位置处的结构示意图。
图11为本发明其中一个实施例中的调节板在第二工作位置处的结构示意图。
图12为本发明另外一个实施例中的调节机构的结构示意图，其中横隔膜在其第一工作位置处。
图13为本发明另外一个实施例中的调节机构的结构示意图，其中横隔膜在其第二工作位置处。
附图标记
1 水体底质
2 底栖动物围隔
3 曝气膜载体
4 孔洞廊道
5 空气输送管
6 气体产生装置
7固定或移动源(如地面或船体)
8 曝气管
9 中空纤维膜束
10 安装部
11 曝气腔
12 内部隔板
13 主气道
14 调节板
15 第一板体
16 第二板体
17 扭簧
18，19倾斜表面
20 转轴
21 侧气道
22 出气道
23 安装腔
24 壳体
25 进气口
26 第一出气通路
27 第二出气通路
28 内壳
29 第一腔
30 第二腔
31 第一弹簧
32 第一推板
33 第一滑杆
34 第一截止阀体
35 第二弹簧
36 第二推板
37 第二滑杆
38 第二截止阀体
39 横隔膜
40 压缩空气进气管
41 通气孔
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。
图1示出了本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统的结构布置。参照图1，本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统包括底栖动物围隔2和曝气膜生物反应器，底栖动物围隔2部分埋设在水体底质内，并且底栖动物围隔2内布置有能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；曝气膜生物反应器包括气体产生装置、曝气膜载体3和生物膜，生物膜附着在曝气膜载体3上；曝气膜载体3布置在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上对应底栖动物围隔布置在其上方，以使得生物膜能够从上方捕捉因底栖动物扰动而向上释放的底质污染物；曝气膜生物反应器具有通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
在上述实施例中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气。
在上述实施例中，底栖动物能够借助自身扰动在水体底质1中创造出孔洞廊道4，渗入到水体底质内的氧气为自底栖动物创造出的孔洞廊道渗入到水体底质1内。
在上述实施例中，曝气膜载体包括多个中空纤维膜单元，每一中空纤维膜单元由多根聚丙烯材质和/或聚四氟乙烯材质的膜丝构成。膜丝具有疏水透气、自支撑、氧气传递效率高的特点，多跟膜丝并为一束，每束膜丝两端粘入硬质密封连接头，保持透气。
在上述实施例中，气体产生装置6为太阳能曝气机，其通过空气输送管5与布置在水体的上覆水层中的曝气膜载体3连通。空气泵与太阳能电池板、储电电池系统连接，无需外接电源，整个系统可置放于固定或移动源(如地面或船体)7上。空气输送管为多排PPR管，每排管连接成环，左右管连接多束中空纤维膜，每束纤维膜头部有硬接头，热熔连接接入PPR管。
在上述实施例中，曝气膜载体3通过固定部件安装在底栖动物围隔上方，固定部件由镀锌钢管纵向连接而成，水平方向与PPR管固定，底部与底栖动物围隔连接，底端插入沉积物底部0.5米深。
在上述实施例中，底栖动物围隔由不透水高分子材料制成，其为矩形结构且上下表面不密封。
在上述实施例中，底栖动物为水丝蚓、摇蚊幼虫、螺中的一种或几种。
在上述实施例中，曝气膜载体3在竖直方向上设置至少两组，最下部的膜丝束距水体沉积物5-15cm设置。
如图8和图9所示，在本发明的实施例中，为解决现有技术中用作曝气膜载体的中空纤维膜的根部沉积难以被清除的问题，本发明的耦合系统还提供一种改进的曝气系统，该曝气系统包括用于安装中空纤维膜束9并且用于曝气的曝气管8，曝气管8包括用于安装中空纤维膜束9的安装部10、安装中空纤维膜束9之后形成的曝气腔11和能够接收气体并且能够向中空纤维膜束9根部释放气体的气体通道，其中，曝气腔11与安装后的中空纤维束的内腔相通，气体通道与曝气腔11之间以相互不连通的方式设置。
如图8所示，在本发明的实施例中，曝气管8的底部为近似圆形的结构，其内腔通过一沿曝气管8长度方向伸展的内部隔板12在径向方向上被分隔成气体通道的主气道13和前述曝气腔11。如图10和图11所示，在曝气管8的进气端口处对应前述内部隔板12设置有整体结构为L形的调节板14，该调节板14通过转轴20以能够转动的方式设置在曝气管8的进气端口处，其具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在气体压力超过一定阈值时调节板14能够被推动自第一工作位置移动至第二工作位置。在第一工作位置处，调节板14的第一板体15与内部隔板12相抵配合并且调节板14的第二板体16将气体通道的主气道13的入口封闭，此时曝气腔11的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管8的进气端口仅能够进入曝气腔11；当调节板14在第二工作位置处时，调节板14的第二板体16与内部隔板12相抵配合，并且调节板14的第一板体15将曝气腔11的入口封闭，此时气体通道的主气道13的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管8的进气端口仅能够进入气体通道的主气道13。图10和图11中所示箭头为气体传导的方向。
当L形的调节板14在第一工作位置处时，曝气管8仅能够用于曝气，以使得气体进入中空纤维膜束9的中空内腔，继而供给微生物膜所必需的氧气和调节水体底质内的溶解氧浓度。当L形的调节板14在第二工作位置处时，曝气管8仅能够用于对中空纤维膜束9外露在曝气管8的安装部10之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束9根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，能够始终保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。
在上述实施例中，调节板14在初始状态下通过扭簧17被定位在主气道的入口处，并在扭簧17的作用下保持对主气道的入口的闭合。当来自气体产生装置的气体压力超过所设定的阈值时，会使得调节板克服扭簧17的扭力产生转动，直至转动到第二工作位置处。并且，在本发明中，调节板的第一板体15和第二板体16的表面均设置为倾斜表面18和19，以使得在调节板第一工作位置处时，第一板体15和第二板体16的表面均形成将气体向曝气腔导向的导向面，而在调节板的第二工作位置处时，能够将气体导向主气道。
在本发明的实施例中，气体通道还包括沿曝气管8的侧壁设置的侧气道21和与侧气道21连通的出气道22，每一出气道22均以能够使得气体向中空纤维膜束9根部释放的方式倾斜设置。
在本发明的实施例中，通过将用于对中空纤维膜束9根部吹扫的气体通道集成设置在曝气管8上，无需再额外设置布气装置；而且通过调节板14的切换操作，使得曝气管8能够满足曝气和对中空纤维膜束9根部吹扫两个相互独立的工作。
另外，在本发明的实施例中，用于中空纤维膜束9的安装部10提供一种沿曝气管8长度方向为波浪形的安装腔23，安装腔23具有波峰和波谷，中空纤维膜束通过浇注或胶封的方式安装在安装腔内，这使得中空纤维膜束9安装到安装部10后形成与安装腔23的形状相适应的波浪形中空纤维膜组，进而在安装部10的有限长度内大大提高了中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性。其中，气体通道的出气道22对应安装腔23的每一波峰和波谷分别设置至少一个，以保证对中空纤维膜束9根部污染清除的彻底性和均匀性。
在本发明的另外一种实施例中，提供一种与前述调节板14结构不同的调节机构。该调节机构包括壳体24、进气口25和两个出气通路，其中进气口25与气体产生装置相连通，用于接收来自气体产生装置的气体；两个出气通路分别为第一出气通路26和第二出气通路27，其中第一出气通路26用于与曝气管8的曝气腔11的入口相连通，第二出气通路27用于与曝气管8的气体通道的主气道13相连通。该调节机构包括置于壳体24内部的气道切换机构，所述气道切换机构包括内壳28、横隔膜39、第一截止阀和第二截止阀。其中横隔膜39为软体材料制成，优选的通过硅胶制成，横隔膜39为半球形结构，在压力下能够向初始状态相反的方向变形；横隔膜39设置在内壳28的内腔内，并且将内壳28的内腔分隔成为第一腔29和第二腔30。
在上述实施例的调节机构中，第一截止阀包括第一弹簧31、第一推板32、第一滑杆33和第一截止阀体34，第一滑杆33自内壳28的第一腔29向外穿出，第一弹簧31在内壳28的第一腔29内外套设置在第一滑杆33上，第一推板32固定在第一滑杆33位于第一腔29内的杆端上。第一截止阀体34固定设置在第一滑杆33位于内壳28外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第一出气通路26。第二截止阀包括第二弹簧35、第二推板36、第二滑杆37和第二截止阀体38，第二滑杆37自内壳28的第二腔30向外穿出，第二弹簧35在内壳28的第二腔30内外套设置在第二滑杆37上，第二推板36固定在第二滑杆37位于第二腔30内的杆端上。第二截止阀体38固定设置在第二滑杆37位于内壳28外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第二出气通路27。
在上述实施例的调节机构中，横隔膜39具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在第一工作位置处，横隔膜39处于初始状态下，其为朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，在该初始状态下，横隔膜39与第二截止阀的第二推板36相抵触，并且依靠横隔膜39自身的弹性形变力对第二推板36形成压迫，使得第二弹簧35被压缩、第二滑杆37向内壳28外部伸展，最终使得第二截止阀的第二截止阀体38将第二出气通路27关闭。在横隔膜39的第一工作位置处，第二出气通路27被关闭，此时，自调节机构的进气口25进入的气体仅能自第一出气通路26流出，即，此时能够进行曝气管8的曝气工作。在横隔膜39的第二工作位置处，横隔膜39与第一截止阀的第二推板36相抵触，并且依靠横隔膜39自身的弹性形变力对第一推板32形成压迫，使得第一弹簧31被压缩、第一滑杆33向内壳28外部伸展，最终使得第一截止阀的第一截止阀体34将第一出气通路26关闭。在横隔膜39的第二工作位置处，第一出气通路26被关闭，此时，自调节机构的进气口25进入的气体仅能自第二出气通路27流出，即，此时能够进行曝气管8针对中空纤维膜束9的根部的吹气工作。
横隔膜39自第一工作位置向第二工作位置的变换是借助于压缩空气的气压实现的。当需要进行针对中空纤维膜束9的根部的吹气工作时，可通过与内壳28的第二腔30连通的压缩空气进气管40向第二腔30内充入压缩空气，当第二腔30内的气压达到一定阈值(20-50KPa)时，横隔膜39受力向相反方向弯曲，即形成朝向第一截止阀的半圆形凸起状态。当需要停止针对中空纤维膜束9的根部的吹气工作时，可切断向第二腔30内的压缩空气供应，横隔膜39会在第一截止阀的第一弹簧31的复位力下恢复至初始状态，即恢复至朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，此时横隔膜39会迫使第二截止阀工作，以使得第二截止阀体38将第二出气通路27封闭。在本发明中，第一截止阀的第一弹簧31的弹簧力与第二截止阀的第二弹簧35的弹簧力不相同，第一截止阀的第一弹簧31的弹簧力能够在第二腔30的压缩空气供应被中断后迫使横隔膜39恢复至初始状态，而第二截止阀的第二弹簧35的弹簧力不能够迫使横隔膜39向朝向第一截止阀的方向完全变形。内壳的第一腔具有与壳体的内腔连通的通气孔41，以平衡第一腔与壳体之间的气压。
本发明的另一实施例还公开了一种水体内源污染原位消除方法，包括以下步骤：
在需进行污染水体处理的底质处布置底栖动物围隔，在底栖动物围隔内投放能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；
在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上，在底栖动物围隔上方布置曝气膜载体，曝气膜载体上附着有生物膜；
进行通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，其中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。
在上述方法实施例中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气。
实验过程
采用室内培养实验。
采集水样50L，底泥20L。底泥采集表层沉积物(0-10cm)，表层沉积物使用100目(0.15mm)筛网滤去粗颗粒物及大型底栖动物，沉淀去除上层水体后混匀，而后在低温(-80℃)条件下冷冻72h，冻死沉积物中的虫卵与小型生物，解冻后放入装置。取100g处理后底泥进行各项指标测定(含水率、孔隙度及总氮、总磷等)，获得初始沉积物背景值。水样使用500目浮游生物网过滤后保存，取100mL过滤后水样进行水质指标测定(NH4 +、NO3 -、NO2 -、TN、TOC、PO4 3-、TP)，获得初始水样背景值。底栖动物将从清水溪河道采集的底泥中获得，底栖动物置于少量未筛分的沉积物中培养，后续将在实验室进行挑选、驯化。
生物膜介质采用两种曝气膜，曝气膜A和曝气膜B分别是PP和PTFE材质。剪下长8cm的直径4mm的塑料软管，共80根。每根塑料软管中粘入长度为17cm的PP材质膜丝20根，共做40个；每根塑料软管中粘入长度为17cm的PTFE材质膜丝10根，共做40个。将相同材质的膜丝装上分流器，每个分流器十根，共得8个装好膜丝的分流器，氧气通过分流器吹入管中而后到达细丝。
自制的模拟湖系统，主要由水缸、曝气泵、流量计三部分构成。水缸为长×宽×高＝18cm×16cm×16.5cm的长方体塑料装置，顶部敞开。将稳定好的沉积物混匀，每个水缸中加入沉积物750g，并加入0.2L过滤水样将壁上残留泥样冲下，而后每个水缸中加入过滤后水样2.3L。将做好的膜丝装置搭建至水缸中，装置搭建好后，静置1-2天，待水缸中上覆水澄清，开启曝气泵，调节流量计，开始实验。
在培养体系稳定时，挑选底栖动物即水丝蚓，挑选长度大小基本一致的个体，添加到750g混匀的沉积物中培养，各系统正式实验的水缸中添加生物量为100只。
本实验设置六个实验组，分别是空白实验组(C组)、水丝蚓实验组(T组)、曝气膜PTFE实验组(MA组)、水丝蚓+曝气膜PTFE实验组(TMA组)，曝气膜PP实验组(MB组)、水丝蚓+曝气膜PP实验组(TMB组)。各个实验组设置两个重复实验，以保证实验准确性。每个实验装置中加入750g黑臭底泥，2.5L上覆水。根据筛选出的较佳曝气量对除C组和T组之外的组进行曝气。添加动物前，采集各装置的上覆水，进行水质指标测定，作为背景值。
运用便携式多参数水质测定仪测试上覆水的温度、溶解氧。
每隔四天从系统中采集上覆水进行水质指标测定。采用注射器从每个装置吸取上覆水50mL，在利用0.45μm的水系针式过滤器过滤后，使用UV2355型紫外可见分光光度计测定溶解性无机氮(NH4 +、NO3 -、NO2 -)和磷酸盐(PO4 3-)。水质指标的测定方法如下：NH4 +采用纳氏试剂比色法、NO3 -采用紫外分光光度法、NO2 -采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法、PO4 3--采用钼锑抗分光光度法测定。TP不进行过滤，采用过硫酸钾消解法消解，而后按照钼锑抗分光光度法进行比色。水样用0.22μm的玻璃纤维膜过滤，然后使用TOC分析仪(TOC-L CPH，岛津，日本)通过高温灼烧测定总有机碳以及TN的含量。
实验分析结果：底栖生物-膜曝气生物膜耦合系统对水中碳氮磷的控制效果
黑臭系统溶解氧(DO)变化规律
图2A描述了上覆水中溶解氧随时间的变化。C组和T组上覆水中的DO浓度变化几乎一致，但C组的溶解氧浓度略高于T组，可能是水丝蚓消耗了溶解氧，MA、MB、TMA、TMB组的溶解氧浓度总体呈现上升趋势，最后在3.5mg/L小幅波动。
图2B描述了实验结束时沉积物溶解氧侵蚀深度，C组的溶解氧侵蚀深度很低，约200μm，T组的侵蚀深度为1000μm，MA、MB组的溶解氧侵蚀深度为900μm，TMA、TMB组的溶解氧侵蚀深度分别为1100、1400μm，TMB组的溶解氧侵蚀深度最大。在沉积物-水界面处溶解氧浓度的大小顺序为MB＞MA＞TMB＞TMA＞C＞T，MB组在沉积物-水界面溶解氧浓度最大约为2.5mg/L，T组最低约为0.8mg/L，各个处理组的溶解氧浓度差异较大。
上覆水中有机碳(TOC)含量变化规律
上覆水中TOC浓度随时间变化如图3所示。C、T组的TOC浓度在不断波动，甚至最后浓度比实验开始时更高，而各实验组的TOC浓度最终都有所下降，且彼此之间相差不远。实验结束时，TOC浓度的顺序为C＞T＞TMB＞MB＞TMA＞MA，有水丝蚓扰动与曝气膜原位消除污染物的组别TOC浓度比只有曝气膜进行曝气的组别要高，这可能是水丝蚓扰动释放了底泥中的C元素的结果。
上覆水中不同形态N浓度的变化规律(NH4 +，NO2 -，NO3 -，TN)
氨氮是一种还原形态氮，整个系统中的氨氮浓度变化受到不同水体扰动程度所造成的氨氮得释放速率和不同溶解氧浓度水平的极大影响。
从图4中可看出，C组和T组上覆水中的NH4 +-N浓度变化呈现相似的变化规律，但T组NH4 +-N浓度稍高于C组，可能是水丝蚓的扰动致使沉积物中的内源污染物加速释放出来。MA组、MB组、TMA组和TMB组的NH4 +-N浓度变化表现为波动-下降-稳定三个阶段，实验开始前12天，在8mg/L上下小幅波动，12天后迅速下降，24天后稳定在0.3mg/L左右，各组氨氮去除率分别为93.3％、92.5％、95.1％、94.0％。膜材质为PP的MB、TMB组比膜材质为PTFE的MA、TMA组氨氮浓度更高，可能是PP材质膜的表面积更大，能够供给更多微生物附着。
图5进一步说明了基于NH4 +的N转化动力学，其中有一个从NO2 -到NO3 -的转变。TMA、TMB组处理中NO2 --N浓度的增加(2.5mg/L)与NH4 +-N的减少相对应，随后出现的NO3 --N浓度新峰值(2mg/L)与NO2 --N的衰减峰值大体一致。MA、MB组其他处理也观察到类似的结果，因此没有进一步详细说明。C组的NO2 --N浓度前25天在1mg/L上下波动，整个实验过程，T组的NO2 --N浓度在0.2mg/L左右，最高值为0.42mg/L，NO3 --N浓度在1mg/L左右，同时其NO2 --N和NO3 --N浓度变化最小。各处理组最终的NO2 --N浓度都几乎接近于0，几乎完全转化。
从图6中可看出，C、T组最后的TN有所下降，而MA、MB、TMA和TMB组TN浓度呈现出波动-下降-平稳三个阶段，前12天浓度小幅波动，在第12天后浓度迅速开始下降，在第24天浓度降到1mg/L附近，在24天后浓度变化很小，逐渐平稳，这与NH4 +-N浓度变化一致。各实验组总氮去除率分别为87.7％、89.7％、84.9％、83.3％，处理效果较为理想。
上覆水中磷的变化规律(PO4 3-、TP)
图7描述了各处理组的上覆水中磷浓度(PO4 3-、TP)随时间的变化。各处理组的初始PO4 3-浓度都在10mg/L左右。上覆水中PO4 3-浓度的大小顺序为T组＞C组＞TMA组＞TMB组＞MA组＞MB组。C组和T组的PO4 3-一直呈现出较高的浓度，最高分别达到了17.51、17.01mg/L。MA、MB、TMA、TMB组PO4 3-浓度总体呈现下降趋势，最终的PO4 3-浓度在1mg/L左右，其PO4 3-去除率分别为89.5％、92.6％、84.7％、95.0％，但TMA、TMB组PO4 3-浓度比MA、MB组更高。
各处理组TP浓度变化与PO4 3-浓度变化相似，上覆水中TP浓度的大小顺序为T组＞C组＞TMA组＞TMB组＞MA组＞MB组。对比C组，T组的TP浓度稍高一些，可能是底栖动物的扰动加速了沉积物中的磷释放到上覆水中。MA、MB、TMA、TMB组TP浓度总体也呈现下降趋势，最终的TP浓度在1mg/L左右，其TP去除率分别为90.9％、90.6％、85.9％、93.6％，但TMA、TMB组TP浓度比MA、MB组更高。其中，材质为PP的膜比PTFE膜对于磷的处理效果更好，可能为PP材质膜的直径更小，比表面积更大，有利于微生物的附着生长。
底栖生物(水丝蚓)扰动下的内源生态释放
水丝蚓是一种典型的底栖无脊椎动物，对富营养、污染物含量高和溶解氧低的水体具有很高的耐受性，经常出现在严重污染的水体中，生存能力强。目前，有相关研究表明，水丝蚓相对其它种类的底栖动物具有更强的生物扰动作用。水丝蚓的生物扰动作用不仅可以直接影响沉积物-水界面的理化性质，如沉积物粒度、溶解氧浓度和各形态氮(NH4 +-N、NO3 --N、NO2 --N)、磷含量等，还可以通过影响沉积物-水界面的环境条件和界面微生物的数量和活性来间接影响界面物质的交换和转化等过程。
T组的上覆水中NH4 +-N、TN以及PO4 3-、TP的浓度高于对照组C组(图4、6、7)，上覆水中氮磷浓度的差异证实水丝蚓的生物扰动促使沉积物中的氮向上覆水中释放。水丝蚓的生物扰动作用，会大大提高沉积物中微生物的矿化活动，提高营养物的再生效率，尤其是磷的再生。沉积物中溶出的磷最终通过生物扩散和生物平流混合释放到上覆水中。
此外，水丝蚓的存在加速了耗氧，降低了溶解氧含量，这可能有利于厌氧氨氧化菌的生长，T组中厌氧氨氧化菌的数量相比于C组的增加了一倍正好证实了这一点。TMA组的反硝化细菌是MA组的两倍，这说明水丝蚓的生物扰动可能会促进反硝化反应，通过掘穴，水丝蚓不仅增加了泥水界面面积和沉积物中溶解氧的消耗，还间歇地将上覆水抽入到这些坑道中。正是因为水丝蚓的这些生命活动，上覆水中的电子受体如硝酸盐被带入到沉积物的下层，从而缩短了上覆水中硝酸盐向沉积物底层的缺氧反硝化区的扩散距离。同时在这些坑道中存在着比沉积物表层数量更多的细菌，这些细菌中包含大量反硝化细菌，更好地促进系统反硝化反应，因而生物扰动作用对反硝化反应具有一定的促进作用。
鉴于水丝蚓的最佳性能，工程化生物污染物转移可能有助于在不破坏沉积物微环境的情况下持续有效地减少污染负荷。鉴于底栖动物的生物扰动增强了从受污染的沉积物中抽取营养的能力，那么就应该能结合其他原位消除技术很好地对上覆水进行现场污染控制。
膜曝气生物膜的生物强化
曝气膜通过曝气设备对生物反应器提供氧气，实际是对于附着于膜表面的生物膜提供其新陈代谢所需的氧气。通过向透气膜曝气，使得系统的DO浓度升高。DO的升高促进了沉积物向上覆水释放的NH4 +-N向NO2 --N，NO3 --N的转化，曝气膜组的NH4 +-N浓度从初始值8.6mg/L左右下降到0.15mg/L左右(图4)，这在一定程度上扩大了上覆水与沉积物中氨氮的浓度差，通过浓度梯度加速了NH4 +-N的释放，使得NH4 +-N被利用而减少。
曝气膜除了向系统提供氧气，还为微生物提供了附着的场所。微生物根据不同的氧气浓度梯度，形成了分层结构，从膜向外依次为：好氧区、缺氧区、厌氧区，不同的分区有着不同的微生物功能群。污水通过反应器内的生物膜分层结构后，可进行同步硝化反硝化(SND)，使得NH4 +-N转化为NO2 --N、NO3 --N后再转化为氮气排出，而氨氮的去除主要依靠硝化细菌完成，DO的升高使得氨氮的去除得以加强(图2、)。生物膜内侧与膜丝接触，氧气扩散距离短，故氧气浓度高，且内侧的有机物浓度较低，进而形成了高氧低碳环境，因此避免了好氧异养菌对于功能菌的干扰，硝化细菌易于在生物膜内部生长繁殖，特别是生长在内侧靠近氧源的硝化细菌可获得较充足的氧进行硝化反应，使得氨氮得到转化去除，因此曝气膜组氨氮的去除率较高(图4，MA、MB组氨氮去除率分别为93.3％、92.5％)。
曝气膜促进了沉积物的反硝化过程，使得曝气膜组的反硝化菌数量增多，这可能是由于更加充足的碳源、NO2 -、NO3 -底物促进了耦合硝化反硝化的作用(PTFE膜组上覆水中的亚硝态氮浓度最高峰为2mg/L，硝态氮浓度最高峰为2.06mg/L；PP膜组上覆水中的亚硝态氮浓度最高峰为1.05mg/L，硝态氮浓度最高峰为3.09mg/L)，使得氮元素更好地去除。
膜上附着的生物膜可以吸收溶解态的磷，吸附颗粒态的磷，从而降低上覆水中的磷元素浓度，另外在膜表面还会形成隔离层，从而减少内源磷向水体中的释放，而且反过来水体中的磷水平会直接影响生物膜的生长繁殖情况。
另外，比表面积更大的曝气膜对于黑臭水体有着更明显的作用，PP材质的膜对于NH4 +-N、TN以及PO4 3-、TP的处理效果都优于PTFE材质的膜(图4、6、7)，这正是PP材质的膜比表面积更大，更有利于微生物附着生长的缘故。
耦合技术对于黑臭系统的作用
尽管膜曝气生物膜和底栖动物(水丝蚓)各自都对黑臭系统有着积极的改善作用，但存在一些局限性，而二者的耦合可以克服这些问题。
就单独的T组而言，水丝蚓的活动导致水和泥中的DO都偏低，使界面的微生境进一步变差。而在曝气膜存在时，沉积物界面的DO环境明显改善(图2)。水丝蚓单独存在的另外一个问题是上覆水的水质变差，T组有着较高的氨氮和磷浓度，而TMA组很好地控制了上覆水中N和P的浓度(图6、7)。
就单独的MA、MB组而言，曝气膜对于泥中溶氧有所提升，而TMA、TMB组氧气能更好的传入沉积物中，这主要得益于水丝蚓开通的界面廊道。尽管TMA、TMB组溶解氧与MA、MB组相似，但该结果可归因于传入沉积物的DO被微生物所迅速利用。MA组的另一个问题是膜上的生物膜很难作用于底泥中的氮磷，而在TMA组中，由于水丝蚓扰动沉积物所释放的污染物可为膜上的生物膜原位捕获，从而为微生物所转化去除，底泥中的TN、TP显著地降低了。
对于耦合技术TMA、TMB组的上覆水中和沉积物-水界面的DO含量与C组相比均有明显的提升(图2，实验结束时，TMA、TMB组上覆水中的DO浓度分别高于C组3.15mg/L、3.8mg/L，泥水界面大约2mg/L)。相比于T组，TMA组较好的控制了上覆水的水质条件。在实验第20天，TA、TB组上覆水的氨氮浓度就已经降到了1mg/L以下的水平，而同时T组还处于较高的浓度水平，为9.56mg/L(图4)。相比于MA组，TMA的溶解氧穿透深度更高(图2B)，说明水丝蚓的存在促进了氧气向沉积物内部的渗透，水丝蚓的活动创造了更多的孔洞廊道。
TMA组中上覆水中和沉积物-水界面的DO含量的提升意味着耦合技术改善了底栖水体的溶氧环境，一方面很好的控制了上覆水，解决了底栖动物扰动释放的N，一方面也加强了沉积物本身对N的去除，并使其具有了自净脱氮的能力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，所述曝气系统包括用于安装中空纤维膜单元并且用于曝气的曝气管，曝气管包括用于安装中空纤维膜单元的安装部、安装中空纤维膜单元之后形成的曝气腔和能够接收气体并且能够向中空纤维膜单元根部释放气体的气体通道，其中，曝气腔与安装后的中空纤维单元的内腔相通，气体通道与曝气腔之间以相互不连通的方式设置，并且气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作；曝气管的内腔通过沿曝气管长度方向伸展的内部隔板在径向方向上被分隔为所述气体通道的主气道和所述曝气腔；
所述气体通道的主气道和所述曝气腔之间通过这样的方式进行切换工作：
在曝气管的进气端口处对应所述内部隔板设置有整体结构为L形的调节板，该调节板以能够转动的方式设置在曝气管的进气端口处，其具有第一工作位置和第二工作位置，并且在气体压力超过一定阈值时调节板能够被推动自第一工作位置移动至第二工作位置；在第一工作位置处，调节板的第一板体与内部隔板相抵配合并且调节板的第二板体将气体通道的主气道的入口封闭，此时曝气腔的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入曝气腔；当调节板在第二工作位置处时，调节板的第二板体与内部隔板相抵配合，并且调节板的第一板体将曝气腔的入口封闭，此时所述气体通道的主气道的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入所述气体通道的主气道；
或者，曝气系统还包括调节机构，所述调节机构包括壳体、进气口、第一出气道和第二出气道，其中第一出气道用于与曝气管的曝气腔的入口相连通，第二出气道用于与曝气管的气体通道的主气道相连通；所述调节机构还包括置于壳体内部的气道切换机构，所述气道切换机构包括内壳、横隔膜、第一截止阀和第二截止阀，其中横隔膜具有第一工作位置和第二工作位置，在第一工作位置处，横隔膜处于初始状态下，其为朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，在该初始状态下，横隔膜与第二截止阀的第二推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第二推板形成压迫，使得第二截止阀的第二弹簧被压缩、第二截止阀的第二滑杆向内壳外部伸展，最终使得第二截止阀的第二截止阀体将第二出气道关闭；在横隔膜的第二工作位置处，横隔膜与第一截止阀的第一推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第一推板形成压迫，使得第一截止阀的第一弹簧被压缩、第一截止阀的第一滑杆向内壳外部伸展，最终使得第一截止阀的第一截止阀体将第一出气道关闭。
2.根据权利要求1所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，横隔膜自第一工作位置向第二工作位置的变换是借助于压缩空气的气压实现的。
3.根据权利要求1所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，第一截止阀的第一滑杆自内壳的第一腔向外穿出，第一弹簧在内壳的第一腔内外套设置在第一滑杆上，第一推板固定在第一滑杆位于第一腔内的杆端上，第一截止阀体固定设置在第一滑杆位于内壳外部的杆端上，以用于打开和关闭第一出气道。
4.根据权利要求1所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，第二截止阀的第二滑杆自内壳的第二腔向外穿出，第二弹簧在内壳的第二腔内外套设置在第二滑杆上，第二推板固定在第二滑杆位于第二腔内的杆端上，第二截止阀体固定设置在第二滑杆位于内壳外部的杆端上，以用于打开和关闭第二出气道。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，气体通道还包括沿曝气管的侧壁设置的侧气道和与侧气道连通的出气道，每一出气道均以能够使得气体向中空纤维膜束根部释放的方式倾斜设置。
6.根据权利要求5所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，用于中空纤维膜单元的安装部提供沿曝气管长度方向为波浪形的安装腔，安装腔具有波峰和波谷。
7.根据权利要求6所述的水体内源污染原位生态消除用曝气系统，其特征在于，气体通道的出气道对应安装腔的每一波峰和波谷分别设置至少一个。
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