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近年来城市河道中出现的黑臭现象成为亟待解决的环境污染和生态失衡问题。当外源污染逐步得到有效阻控后,黑臭河道底泥中内源污染物释放造成的二次污染越来越得到人们的重视。其中,氮营养盐释放是城市黑臭河道治理过程中的主要污染源,曝气造流作为黑臭河道治理中一种常用的原位修复措施,对底质环境及底泥中营养盐的迁移转化有重要影响。本论文依托国家重大科技专项"城市黑臭河道外源阻断、工程修复与原位多级生态净化关键技术研究与示范"(2009ZX07317-006)和国家自然科学基金"城市黑臭河道泥水界面硝化-反硝化对曝气扰动的响应机制"(41101471),以上海市工业河和温州市山下河为研究对象,在现场调研的基础上先后开展了底泥曝气造流原位修复小试和中试研究,系统分析了不同曝气造流条件下底泥内源氮营养盐行为特征,并结合实测流速通过Surfer软件和CFD(Computational Fluid Dynamics)方法模拟分析了曝气造流对应的流场及流态特征,探讨其相关的内在联系,同时采用 DGGE(Denatured Gradient Gel Electrophoresis)方法分析了曝气造流条件下浮泥层和黑泥层主要微生物优势菌群的响应特征,在以上研究基础上,开展了上海市工业河和温州市山下河治理示范工程曝气造流对底泥原位修复效果研究。主要研究结论如下:(1)不同曝气造流条件下模拟装置呈现湍流状态。其中,小试装置各工况平均流速依次为245 mm/s,291 mm/s,314 mm/s和358 mm/s,相应雷诺数为1101,1528,1761和1525;中试装置曝气机叶轮转速依次为350 rpm,230 rpm,160 rpm和290 rpm,分别对应工况运行平均流速为277 mm/s,181 mm/s,133 mm/s和225 mm/s,相应工况雷诺数依次为2272,1625,1315和1481。(2)通过结合实测值和模拟结果,X轴向流态在小试装置中靠近两端曝气机断面紊动更剧烈,而中试装置沿水流方向逐渐平缓;小试和中试装置Z轴向断面流态在泥水界面处流态最为剧烈。表明曝气造流促进底泥内源氮释放,各工况流场特征与流速和雷诺数两个水力学参数具较好一致性,因此分析认为流速和雷诺数可作为有效表征曝气造流的定量参数。(3)曝气造流条件下,小试装置充氧效率主要与流速相关,各工况运行稳定时的DO(Dissolved Oxygen)浓度与流速成线性关系。而中试装置充氧效率高于小试装置,其运行稳定时DO浓度接近相应水温条件下饱和DO水平。曝气造流下SOD(Sediment Oxygen Demand)在流速350mm/s以内时与流速成线性关系。中试装置内源总负荷相对较高导致SOD值小于小试装置。(4)曝气造流促进了上覆水硝化反应进行,氨氮转化为亚硝氮和硝氮,并扩散进入浮泥层。上覆水氨氮削减雷诺数1528-1761时与运行稳定时DO浓度和流速相关,在雷诺数在2232-2479时,氨氮削减与SOD及雷诺数正相关。浮泥层氨氮、硝氮及上覆水硝氮变化也与雷诺数和SOD正相关,紊动影响了 DO传质效率和浮泥层氨氮释放量;黑泥层氮营养盐行为主要与浓度差形成的扩散相关。总的来说,在一定流速范围(303mm/s-320mm/s)内雷诺数与硝化率正相关。(5)反硝化作用强度在一定流速区间内与雷诺数和SOD正相关。小试装置反硝化率最高对应流速区间为291 mm/s-314mm/s,雷诺数为1528-1761,而中试装置中该流速区间为303 mm/s-320 mm/s,雷诺数为2232-2479。通过拟合各装置内各工况硝化-反硝化作用得到流速为285mm/s时,对应雷诺数为2099,反硝化率最高达到42.29%。(6)在小试装置中,底泥细菌和古菌优势类群与雷诺数、硝化率和反硝化率正相关。细菌多样性高于古菌。而在中试装置中,浮泥层参与硝化反应优势菌群在303 mm/s-320 mm/s流速区间多样性丰度较好,表明硝化反应主要发生在浮泥层。其中,氨氧化细菌(Ammonia Oxidizing Bacteria,AOB)优势类群亚硝化单胞菌与DO浓度和硝化率相关,亚硝化螺菌属与SOD,硝化率,流速和雷诺数正相关。氨氧化古菌(Ammonia Oxidizing Archaea,AOA)优势类群为奇古菌门和泉古菌门,前者和不可培养古菌与流速和雷诺数呈较好正相关性,后者与硝化率呈较好正相关性,曝气造流下,AOA多样性和丰富度高于AOB。亚硝酸盐氧化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria,NOB)优势类群为硝化杆菌属,其在运行稳定时多样性和丰度下降说明亚硝氮转化为硝氮,硝化杆菌属主要与雷诺数和流速正相关。(7)曝气造流促进硝氮向浮泥层和黑泥层扩散,提高底泥的反硝化作用强度。反硝化细菌(Denitrifying Bacteria,DB)在采样点2黑泥层具有更好的多样性和丰度,并且黑泥层中DB在303 mm/s-320 mm/s流速区间多样性和丰度上升。DB优势类群Dechloromonas sp.主要与反硝化率,雷诺数和流速呈正相关。在流速为303 mm/s-320 mm/s时微生物优势类群演替明显,这与该区间硝化-反硝化性能最优一致。各优势菌群均主要与流速和雷诺数正相关。(8)基于以上模拟装置相关研究,在工业河和山下河开展了底泥曝气造流原位修复示范工程效应研究,结果表明采用间歇曝气造流运行提高了反硝化率,其中工业河平均流速为133.3mm/s,对应雷诺数为1840时,反硝化率达到43.6%±12.9%,而山下河曝气造流时平均流速为169.4mm/s,对应雷诺数为2308时,反硝化率提高到52.6%±5.9%。相关CFD计算结果表明,曝气机放置深度与排列方式较好的耦合了硝化反硝化作用,当平均流速和雷诺数越接近模拟研究最优值,反硝化率越好。