1 绪论
1.1 研究背景
水是生命之源、万物之本，是人类宝贵的自然资源。
河道作为城市水资源的主要载体，对城市经济、社会与环境之间的协调发展具有重要的意义[1]。河流在城市中穿梭和流动，好比人体内的血管，发挥着极其重要的功能，它影响着地区小气候的变化、生命体的活动、生态环境的平衡、缓解了城市内涝和干旱、净化了水质和空气，并承担着供水、交通航运的功能，能够给人们提供了游览休憩的优美环境。
然而，随着社会经济的快速发展，城市化进程加快，生活污水、工农业废水排放量大幅增加，同时大多城市污水处理基础设施严重滞后，污染排放监管力度不足，导致大部分污水没有达到排放标准或未经任何处理就直接排入了河道水体[2]，造成的污染负荷大大超过了城市河道的自净能力，城市河道水质严重恶化，有些河道呈现出严重的黑臭的现象，使得河流不但不能发挥其原有的功能，还对生态环境的平衡、美好的城市形象、居民们的身体健康和人们正常工作生活造成了恶劣的影响。
城市河道黑臭现象由来已久，早期经济发达国家便开始研究对黑臭河道的治理技术，在 19 世纪的英国，泰晤士河[3]是一条著名的，被成功修复的黑臭河道，其修复时间前后长达百年。泰国的 thachin 河、美国上特拉华河、流经欧洲多个国家的莱茵河都被严重污染，受到很多国家的关注和重视。
相比于发达国家，中国的经济发展在相对落后，河道黑臭现象出现的时间较晚。但中国在追求快速发展的过程中同样对环境造成了严重的破坏，使得许多河流受到了严重的污染，陆续出现了河道黑臭的现象，如 20 世纪上海苏州河、武汉巡司河、南京秦淮河、苏州外城河、郑州贾鲁河等都普遍存在严重黑臭现象[4] 。近年来，黑臭河道的治理逐渐受到政府的高度重视。随着，“十三五”规划，“水十条”以及近几年《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》的发布，各个省份也相继发布河道治理措施，拉开了黑臭河道治理的大幕，河道环境的综合治理成为了国家战略的重点，体现了自下而上的公众诉求和自上而下水治理的根本。
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1.2 城市黑臭河道的成因
河道黑臭现象的出现是一种复杂的物理、化学和生物过程。“黑”主要指的是水体和底泥在视觉上呈现出黑色，“臭”是指河道水体和底泥散发具有刺激性的恶臭气味[5]。“黑臭”是水体受到污染的一种极端现象。
自然界河流都具有一定的自净能力，当一些污染物进入河道时，底泥及上覆水体中的微生物和动植物可以对污染物进行好氧分解，被消耗的溶解氧一部分通过大气与水面的接触补充到水体中，还有一部分来自于水生植物的光合作用产生。污染物中的营养元素被生物的生命活动所利用或富集与动植物体内，参与自然界的物质大循环，维持了河道系统的稳定。
但是当大量污染物进入河道中，污染物分解过程中消耗了过多的溶解氧，造成大气复氧失衡以及光合作用产生氧的速率不够，水体中溶解氧浓度迅速下降，水体呈现的缺氧状态，使河道自净能力逐渐丧失。过量的污染物以及溶解氧水平的降低会对水体中各种生物的生命活动造成影响，导致部分水生动植物以及微生物的死亡，微生物群落结构被破坏，微生态环境失衡。同时动植物的残体在水体中腐败分解需要消耗更多的溶解氧，形成恶性循环。在缺氧状态下，底泥及水体中好氧微生物的生命活动和代谢作用会被抑制，厌氧微生物的逐渐成为优势菌群，污染物降解方式由好氧分解转化为厌氧分解。有机物的腐败、发酵会生成 S2-和 Fe2-，生成硫化亚铁等导致水体变黑的物质，同时产生 H2S、NH3、硫醇以及甲烷等具有恶臭气味且有毒的气体[6]，致使河道出现黑臭现象。
河道污染来源主要有外源污染和内源污染，外源污染分为点源污染和面源污染。点源污染指的是工业废水、生活污水的集中排放；面源污染主要指的是环境中的各种污染物通过雨水或者渗透作用进入河道。控制外源污染是黑臭河道治理过程中首先要考虑的问题。
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2 试验材料和方法
2.1 试验对象
本研究中试验对象为某黑臭河道的底泥及上覆水体。此河道黑臭现象较为严重，水流速度缓慢，水面漂浮着枯草、水生动植物残体、生活垃圾等杂物。
研究过程中涉及到温度的影响，常温组取样及试验时间为夏季，低温组取样及试验时间为冬季，河道上覆水体和底泥基本理化性质如表 2.1 所示。
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2.2 试验材料
2.2.1 试验装置
本试验中采用静态试验装置来模拟真实黑臭河道，试验装置为圆柱状有机玻璃，直径 20cm，高 50cm。为尽量在实验室模拟真实河道底泥及上覆水体情况，查阅相关文献以及前期试验，研究过程中底泥铺设厚度设置为 15cm 左右，添加上覆水体深度设置为 30cm 左右。试验装置如图 2.1-2.2 所示。
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3.1 微生物菌剂种类以及投加量对修复效果的影响 .................. 17
3.1.1 试验方法 ......................... 17
3.1.2 上覆水体水质修复效果 ........................... 18
4 曝气联合微生物菌剂修复黑臭河道的试验研究 .............. 39
4.1 普通强度曝气联合微生物菌剂修复黑臭河道的试验研究 .......... 39
4.1.1 试验方法 ......................... 41
4.1.2 上覆水体修复效果 ........................... 41
5 温度对底泥污染物迁移规律以及组合技术修复效果的影响 .... 80
5.1 温度对底泥污染物迁移规律的影响 ............................ 80
5.1.1 试验设计 ...................................... 80
5.1.2 上覆水体污染物变化情况 ....................................... 81
5 温度对底泥污染物迁移规律以及组合技术修复效果的影响
5.1 温度对底泥污染物迁移规律的影响
在室内静态模拟试验的基础之上，将试验装置中原上覆水体置换成基本无污染负荷的自来水，这样试验过程中底泥和上覆水体污染物的变化规律，直接反映了底泥和上覆水体污染物的迁移转换规律。通过在不同季节温度下进行模拟试验，对比分析了温度对于底泥污染物迁移转换规律的影响。
5.1.1 试验设计
为了较好的反映静态模拟状况下底泥污染物迁移规律，在试验装置中添加底泥之后，用基本无污染负荷的自来水代替原河道污水作为上覆水体，通过虹吸的方法小心加入到试验装置中，尽量避免对底泥造成剧烈的扰动。此试验组称为自来水组。
为研究温度对于底泥污染物释放的影响，将本试验分为两部分，一次试验在夏季，试验期间试验装置水温为 20~25 摄氏度，为常温组。一次试验在冬季，试验期间试验装置水温在 5~8 摄氏度，为低温组。
试验共运行 34 天，定期检测底泥及上覆水体各项指标。具体试验分组如表5.1 所示：
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6 结论与建议
6.1 结论
本文通过室内模拟试验，使用微生物菌剂技术对黑臭河道进行修复，降解系统中各种污染物，并提出曝气联合微生物菌剂修复城市黑臭河道的组合技术，深入研究了不同曝气位置、曝气强度对于组合技术修复黑臭河道效果的影响，考虑了泥水界面扰动对底泥污染物迁移规律的影响。同时研究了不同季节温度对于底泥污染物的迁移以及组合技术修复效果的影响。主要结论如下：
（1）试验中选取的两种微生物菌剂中，微生物 A 菌剂对于黑臭河道的修复效果较好。选用微生物 A 菌剂采用混合投加方式能够取得比直接投加法更好的修复效果，并确定了 A 菌剂在使用过程中适宜的投加量。
（2）对于曝气联合微生物菌剂修复黑臭河道的效果进行分析表明，曝气能够显著的提高微生物菌剂的修复效果，且组合修复技术均能比单一修复技术取得更好的修复效果。不同的曝气位置和曝气强度通过影响系统中溶解氧分布情况，对不同污染物的去除过程有着不同程度的影响。通过综合考虑之后，对黑臭河道修复效果最优的工况为底泥低强度曝气联合微生物菌剂的组合技术。
底泥低强度曝气联合菌剂的组合技术能够使试验模拟河道系统中溶解氧浓度达到 3.76mg/L，TN 去除率达到 78.28%，NH3-N 去除率达到 87.63%，TP 去除率达到 78.29%，COD 去除率达到 89.85%，底泥厚度消减量达到 2.27cm，底泥氧化层厚度达到 1.57cm，底泥有机质去除率达到 15.08%。
参考文献（略）