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溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是影響水質的關鍵因子。提高水體DO含量對改善黑臭水體水質具有重要現實意義。DO含量不僅影響水體中微生物的代謝活性,同時控制污染物在沉積物一水界面之間的遷移轉化過程。然而,黑臭水體復氧過程中,沉積物一水界面(Sediment-Water Interface,SWI)的污染物擴散規律不清,限制了其修復效果。
本研究以農村黑臭水體為研究對象,通過實驗研究和理論分析的手段,探究不同復氧方式對沉積物一水界面結構特征的影響,評估復氧方式對黑臭水體修復的效果:分析了沉積物中污染物擴散通量變化過程:解析SWI與營養鹽遷移擴散的相互關系,從微界面角度揭示復氧對黑臭水體修復機理,為黑臭水體修復與治理提供技術與理論支撐。
Unisense微電極測量系統的應用
Unisense微電極系統被用來測量沉積物和水體中的溶解氧(DO)濃度和氧化還原狀態。測量三個沉積物柱用于測量水-沉積物剖面中的溶解氧(DO)濃度和氧化還原狀態(Eh),使用氧氣和氧化還原微電極測試完成。
主要研究結果如下:
(1)實驗研究表明,人工曝氣復氧和投加釋氧劑(Oxygen Release Compound,ORC)復氧均能提高黑臭水體溶解氧含量,進而改善水質。在持續曝氣條件下黑臭水體DO均維持在7 mg/L左右:在間歇曝氣作用下(曝1h停11h、曝1h停7h、曝lh停3h)各反應器中黑臭水DO含量分別維持在1~4 mg/L、3~5 mg/L、5-7 mg/L.曝氣復氧對黑臭水體中各類污染物具有良好的去除效果,氨氮去除率均在90%以上;曝氣周期8h條件下,TN去除率可達到77.0%:曝氣周期為4h條件下,PO43-的去除率達到91.4%;此外,間歇曝氣對有機物降解效果更好,降解率最高達79,1%。釋氧劑復氧能在短時間內(48小時)維持水體溶解氧含量(DO>8 mg/L),但容易導致水體pH升高;釋氧劑復氧對NH3-N和YN的去除效果較好。
(2)不同復氧方式下,沉積物一水界面擴散邊界層厚度和氧滲透深度均有增加。持續曝氣復氧條件下,沉積物一水界面擴散邊界層厚度(Diffusion Boundary Layer,DBL)從450~550μm分別提高至1600~2600μm,氧滲透深度從950~1000μm逐漸增加至2700~2750μm。間歇曝氣條件下,DBL厚度由850~1100μm增加至1650~2500μm,氧滲透深度從1100~1700μm逐漸增加至9600~10800μm。投加釋氧劑可以增加DBL厚度(從1350~1800μm提高到3450~4200μm),但對沉積物中氧滲透深度改變不明顯(從450~500μm增大到1000~2000μm)。
(3)復氧可以改變沉積物中污染物(營養鹽)的擴散通量,研究表明曝氣復氧對營養鹽擴散抑制效果優于釋氧劑復氧。持續曝氣條件下,氨氮擴散通量同比降低4.23~5.59μg/cm2/day;磷擴散通量降低了0.50~0.74μg/cm2/day,而對照組(未曝氣)擴散通量增加了3.84μg/cm2/day。與持續曝氣復氧相比,間歇曝氣對污染物擴散的抑制更為顯著,氨氮擴散通量從31.26~38.89μg/cm2/day降低至2.25~10.59μg/cm2day;磷擴散通量降低不明顯,在實驗結束時約為1.39~1.48μg/cm2/day,降低了0.46~1.08μg/cm2/day。釋氧劑的投加抑制了氨氮的釋放,氨氮擴散通量從5.17~6.15μg/cm2/day降低至4.18~5.29μg/cm2/day;對沉積物中磷的釋放沒有明顯的抑制作用,甚至可能促進磷的釋放。