0 引言

　　地表水体污染较重时，污染物通过颗粒物的吸附、沉淀、水生生物死亡沉积等方式蓄存于底泥中，当外源污染受到控制时，污染物从底泥中释放出来，成为地表水体的内污染源^[1]。随着城市污染河道治理工作逐步开展，曝气技术得到广泛应用，曝气可直接对水体或底泥进行充氧和搅动，进而促进底泥中污染物的去除和河道水质的改善^[2]。底泥被普遍认为是水系中氮磷元素的源和汇，因此氮磷元素在底泥原位曝气过程中的释放规律备受关注^[3,4]。李大鹏等^[2]对比研究水曝气和底泥曝气对城市河道上覆水氨氮(NH₄⁺-N)去除效果的影响作用。陈玉霞^[5]研究不同曝气扰动条件下，表层底泥对上覆水和间隙水中氮素迁移与转化的影响。上述研究大多关注污染河道上覆水和间隙水中氮形态的变化，缺乏曝气对污染河道内源氮变化影响的研究。刘波等^[6]探讨不同曝气方式(水曝气和底泥曝气)对水体中氮素迁移与转化的影响，同时也初步对比曝气前后间隙水和底泥吸附态NH₄⁺-N的变化。目前尚未对曝气方式、曝气位置形成系统性的规律和认识，无法从理论基础上有效支撑技术的应用和发展。本研究采用实验室模拟的方法模拟原位曝气，探究不同曝气条件下底泥中污染物的释放规律，系统分析静置释放、连续曝气、间歇曝气及泥水界面曝气、底部曝气对底泥中污染物的释放规律和影响作用。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　本研究供试底泥取自岳阳市王家河，使用抓斗式采样器采集距岸边2～3m处上层0～10cm的底泥。底泥大体呈黑色，并带有田螺、扇贝、生活垃圾等杂质，流动性较强。底泥经采集运回后进行密封、遮光，保存于聚氯乙烯桶内，防止自然降解和丧失泥中水分。底泥样品采集后需自然静置2d，倒出储存于桶内的上清液，再过筛除去杂质，密封储存。分析供试底泥本底值理化指标，包括含水率57.71%、p H值7.92、有机质7.10%、总氮(TN)4 491.51mg/kg、总磷(TP) 3 332.48mg/kg。

　　1.2 试验方法

　　试验装置采用自行设计定制的聚氯乙烯桶，尺寸规格D×h=10cm×25cm(见图1)。分别设置静态、连续曝气、间歇曝气、泥水界面曝气、底部曝气5组试验，混匀预处理后的供试底泥平铺于装置底部，铺设厚度为10cm。取1.2L蒸馏水沿桶侧壁缓慢加入，尽量避免扰动底泥。试验周期15d，对第1,3,5,7,10,15d进行采样，每次分别从5个装置内采集100m L水样待测，水样采集后添加等量蒸馏水补给至装置内，测定采集上覆水水样的TN,NH₄⁺-N,TP、溶解氧(DO)及酸碱度(p H)等水质指标。

　　图1 试验装置  

　　2 试验结果与分析

　　2.1 底泥污染物静态的氮磷释放

　　静态时，底泥中氮磷污染释放及DO,p H值变化情况如图2所示。由图2可知，在静态释放试验中，TN总体呈先上升后缓慢降低的趋势，7d时上覆水中的TN浓度峰值接近8.0mg/L。NH₄⁺-N浓度在0～15d试验周期内，始终保持上升趋势，随着试验的进行，上升速率趋于平缓，15d时上覆水中的TN主要为NH₄⁺-N。TP浓度先上升后趋于平稳，类似于TN变化，TP在7d左右时浓度峰值超过2.0mg/L。上覆水中DO浓度总体呈下降趋势，试验初期0～5d内，溶解氧浓度变化基本持平，维持在4.86mg/L左右，随后呈明显下降，15d时上覆水DO仅为1.09mg/L，上覆水中p H值基本维持在7.4。试验初期，由于上覆水选用的蒸馏水中氮磷元素浓度低，底泥中的有机物、氮磷元素等污染物因扩散作用持续汇入上覆水，此时由于污染物经历由低浓度向高浓度的过渡，且未完全构建硝化系统，因此上覆水中的溶解氧消耗速率保持在相对较低水平。随着反应进行，污染物降解开始大量消耗DO，此阶段有机物水解产物中的酸性物质不能水解完全，因此5～7d时上覆水的p H值出现下降。有机物中的氮磷随着水解过程转化为NH₄⁺-N和溶解性P，赋存于上覆水中。

　　图2 静态条件时的变化  

　　2.2 不同曝气方式下底泥中污染物释放模拟试验

　　不同曝气方式下，底泥中氮磷污染释放及DO,p H值变化情况如图3所示。由图3可知，相比静态释放试验中上覆水的污染物浓度，曝气措施可有效降低氮磷的污染水平，连续曝气和间歇曝气均有效提升DO水平，DO水平提高会加快底泥中有机质的降解^[7]，有机物降解过程附带氮磷元素的迁移转化。试验周期15d内，间歇曝气分别将TN,NH₄⁺-N和TP浓度由静态试验条件下的6.85,6.51,1.23mg/L降至3.21,1.56,0.17mg/L。曝气后的TN浓度总体呈先上升后下降再趋于稳定的趋势，第5～15d，间歇曝气运行试验组中，上覆水TN浓度明显低于连续曝气条件下试验组，曝气运行方式的变化对NH₄⁺-N去除的差异性不显著。试验初期，间歇曝气一定程度上促进磷元素由底泥向上覆水中释放，3d时TP浓度峰值达1.87mg/L，试验周期结束后，2种曝气方式下的TP浓度趋于一致。间歇曝气中的厌氧间隙会加速底泥中磷元素的释放^[8]，因而在上覆水中出现更高的TP峰值。曝气措施对p H值形成明显的先上升后下降趋势，但变化幅度有限，且曝气方式的差异对p H值变化的影响也不明显。曝气措施改善系统中的好氧环境，促进硝化作用，从根本上改变静态条件下的NH₄⁺-N浓度的累积，由底泥扩散至上覆水及含氮有机物在好氧微生物作用下分解产生的两部分氮素，3d后在硝化细菌的分解作用下逐步转化为硝态氮。连续曝气虽提供更高的溶解氧水平，但一定程度上抑制反硝化作用，相反间歇曝气为反硝化作用的发挥提供间隙，因此尽管两种曝气方式对NH₄⁺-N去除效果的差异不明显，但间歇曝气以更经济的方式去除TN。

　　图3 不同曝气方式下的变化  

　　2.3 不同曝气位置下污染物释放的模拟试验

　　不同曝气位置条件下，底泥中氮磷污染释放及DO,p H值变化情况如图4所示。相比泥水界面的曝气位置，底部曝气可更有效地抑制TN、TP等污染物的聚集。在试验周期15d内，上覆水中的TN浓度由界面曝气位置下的3.21mg/L降至底部曝气位置下的1.89mg/L,TN去除率提高约30%。曝气位置变化对NH₄⁺-N去除的影响作用较弱，即不论是界面曝气还是底部曝气，硝化反应均可提供充足的氧气环境，底部曝气位置比界面曝气有利于反硝化细菌的生存和反硝化反应的进行。曝气位置的变化对TP在上覆水中的浓度峰值影响作用明显，底部曝气时，上覆水中TP浓度在第3d出现峰值0.94mg/L，比界面曝气位置降低近1倍。底部曝气对底泥颗粒产生更强烈的扰动作用，底泥颗粒在上覆水中运动，对TP呈更好的好氧吸附效果，也刺激聚磷菌的活性^[9]。曝气位置的变化意味着曝气产生的气泡在泥水相中延长运动轨迹，气泡中氧气在界面的交换得到增强，因而上覆水中DO水平更高。曝气位置的变化对上覆水中p H值的影响作用较微弱^[2]，系统p H最终稳定在7.5左右。

　　综合静态试验、曝气方式变化及曝气位置变化条件下的底泥污染释放规律，底部间歇式的曝气形式能以更小的能耗获得更好的充氧效率，并对氮磷污染物的释放去除展现更好的优势，主要体现在提高去除率和降低峰值方面。底部间歇曝气和静态释放条件下的TN,NH₄⁺-N,TP浓度分别为1.89,1.34,0.19mg/L和6.85,6.51,1.23mg/L，可见，底部间歇式曝气对TN,NH₄⁺-N,TP的去除效果显著，去除率分别高达72.41%,79.42%,84.55%。相比去除率的改善，底部间歇式曝气抑制上覆水中氮磷指标峰值，也防止水环境底泥中营养元素短期内的大量释放，避免暴发水华等恶化现象。

　　图4 不同曝气位置时的变化 

　　3 结语

　　1)曝气措施在河湖水环境治理工程中，能有效增加泥水相的DO水平，稳定p H值，有效促进硝化细菌和聚磷菌的生物活性，可有效去除内源污染显著的河湖水体中的污染物。曝气周期初期对底泥进行搅动干扰，上覆水体中污染物的浓度存在急剧上升的可能和风险，尤其是NH₄⁺-N和TN浓度，10～15d周期内，TN,NH₄⁺-N及TP等污染指标基本平稳，河湖环境逐步得到恢复和改善。

　　2)底部间歇式曝气可比连续曝气和界面曝气以更低的运行能耗，使TN,NH₄⁺-N,TP去除率更高和浓度峰值更低，15d内的去除率分别高达72.41%,79.42%,84.55%。不同曝气方式和曝气位置均能满足底泥中硝化反应的环境需求，对去除氮素的区别主要在于反硝化反应作用的发挥，在好氧、兼性和厌氧条件交替的环境下，有利于硝化作用与反硝化作用的协同发挥，同时底部曝气位置为微生物活动提供更好的悬浮载体。