基于水体曝气复氧技术的黑臭水体、底泥污染原位降解的反应机理

技术的核心机理是 “氧气”作为最关键的电子受体，驱动了整个生态系统的物质转化和能量流动，其作用路径与生态系统的演变过程如下图所示：

第一阶段：化学氧化（快速除臭、初步消黑）

复氧初期，氧气首先与水和底泥表层的强还原性物质发生快速的非生物化学氧化反应。

1）硫化氢（H₂S）的氧化：快速除臭

反应：恶臭的主要来源H₂S被氧气迅速氧化。

关键路径：

2H₂S + O₂ → 2S（单质硫，微黄色）+ 2H₂O 部分氧化

H₂S + 2O₂ → SO₄²⁻（硫酸根，无色无臭）+ 2H⁺ 完全氧化

2）硫化亚铁（FeS）的氧化：初步消黑

反应：黑色底泥最主要的显色物质就是FeS，氧气对其攻击、破坏。

关键路径：

4FeS + 3O₂ + 6H₂O → 4FeOOH（羟基氧化铁，黄褐色）+ 4S

4FeS + 9O₂ + 4H₂O → 4FeOOH + 4SO₄²⁻

FeS被转化为黄褐色的FeOOH（即铁锈的主要成分），底泥由“黑”转“黄褐” 。

第二阶段：好氧生物降解（稳定净化、降低污染负荷）

当强还原性物质被消耗后，溶解氧含量稳定上升，为好氧微生物创造了生存条件，治理进入以生物反应为主的新阶段。

1）有机物的彻底矿化 ： 净化水体

过程：好氧异养菌（如芽孢杆菌、假单胞菌等）利用水中溶解氧，将小分子有机酸、醇类等厌氧发酵产物以及残留的有机物彻底氧化。

关键反应：有机物 + O₂ → CO₂ + H₂O + 能量（微生物生长）

大幅降低水体的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD），有机物被矿化，水体透明度提高。

2）硝化作用 ：去除氨氮

过程：在厌氧环境下，含氮有机物分解产生氨氮（NH₄⁺/NH₃），是毒性和富营养化的元凶。复氧后，硝化细菌（亚硝化菌和硝化菌）将其氧化。

关键反应：

亚硝化：NH₄⁺ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O

硝化：NO₂⁻ + 0.5O₂ → NO₃⁻

将毒性较强的氨氮转化为毒性较低的硝酸盐氮，使氮无害化。

第三阶段：生态系统重构与底泥稳定（长期维持）

持续的复氧改变了整个生态系统的结构和功能，实现长效治理。

1）微生物群落演替

过程：生态系统从 “厌氧菌主导” （产甲烷菌、硫酸盐还原菌）转变为 “好氧菌主导” （好氧异养菌、硝化菌）；系统的功能从“产生污染”变为“降解污染”，建立良性循环的微生态。

2）底泥结构改变与氧化层形成

过程：氧气持续渗透到底泥表层（几毫米到几厘米），形成一个黄褐色的、致密的好氧氧化层。这层物质主要是铁铝的氢氧化物和稳定的有机-无机复合物。此氧化层产生三重屏障效应：

①物理屏障：阻碍下层厌氧区产生的臭气（如CH₄、H₂S）向水体释放。

②化学屏障：三价铁（Fe³⁺）能强力固定底泥中的磷，生成不溶性的磷酸铁沉淀，有效抑制底泥中磷的释放，防止水体富营养化。

③生物屏障：氧化层内活跃的好氧菌持续分解从下层扩散上来的有机污染物。

综上：

有机物减少：通过好氧生物降解，底泥中易降解的、导致黑臭的有机组分（蛋白质、脂肪、碳水化合物等）被微生物呼吸消耗，转化为CO₂和H₂O，总量大幅下降。

无机物相对增加与转化：底泥的无机骨架（如FeOOH等铁铝氧化物/氢氧化物）相对比例升高，并成为底泥的主要成分和显色物质，使其呈现黄褐色。此时的底泥趋于稳定化、惰性化。