曝氣技術(shù)在黑臭河道上的研究進展

陳 平，倪龍琦

（東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶163318）

當今社會經(jīng)濟在不斷地發(fā)展，但對水環(huán)境的保護卻不斷忽略，一味追求經(jīng)濟的利益，從而造成了大量的生活污水及工業(yè)廢水無節(jié)制的排入河道中的現(xiàn)象，水體超負荷容納外源性污染物，同時內(nèi)源性污染物氮，磷等營養(yǎng)鹽的釋放引起藻類大量生長和繁殖，水中溶解氧含量降低，水質(zhì)顯著下降，大量的水生生物由于缺氧而死亡，水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定遭受了破壞，水體變黑變臭。兒童在100m范圍內(nèi)短時接觸黑臭水體所受的健康危害遠大于成年人[1]。全世界許多河道都出現(xiàn)了水體黑臭的現(xiàn)象[2]。近年來，我國也越來越重視黑臭水體的治理問題，《2016年中國環(huán)境公報》指出我國開始對1286個黑臭水體開始重點整治。解決河道污染及生態(tài)修復的關(guān)鍵是選取適宜的治理技術(shù)[3]。

根據(jù)河道受污染后缺氧而導致黑臭的特點，采用人工曝氣技術(shù)增加河道中溶解氧含量，提高水中耗氧微生物的活性，同時對河道底泥中氮磷等營養(yǎng)鹽的釋放產(chǎn)生了抑制作用，防止水體產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象[4]。

1 人工曝氣技術(shù)的分類

目前，國內(nèi)外用于黑臭水體修復所采用的人工曝氣技術(shù)包括水下射流曝氣設(shè)備、純氧充氧曝氣系統(tǒng)、微氣泡曝氣系統(tǒng)、葉輪曝吸氣推流式曝氣器設(shè)備等[5]。

1.1 水下射流曝氣設(shè)備

射流曝氣設(shè)備的運行原理是利用潛水泵將水抽取，再經(jīng)泵體增壓后高速推出，管道用于裝置出水，并且水射器將空氣吸入水體中形成氣-水混合狀態(tài)經(jīng)水力切割后流入水體。水下射流曝氣設(shè)備易于安裝，占地面積極小，噪音小但若出現(xiàn)故障問題時維修較繁瑣。

1.2 微氣泡曝氣系統(tǒng)

微米曝氣作為新一代高效曝氣技術(shù)與普通曝氣技術(shù)相比，它具有氣泡直徑小（一般小于50μm），更高的氧傳質(zhì)效率，更大的表面積且水力停留時間較長[4]。洪濤[6]等人采取微氣泡曝氣法和普通曝氣法治理北京市黑臭水體，結(jié)論是與普通曝氣方式相比微納米曝氣的DO濃度提高 3mg·L-1，CODCr提高12%，NH3-N、提高10%，TP提高9%?？傮w對黑臭水體的去除效果較好于普通曝氣方式，但由于現(xiàn)在的研究仍處于實驗室水平對許多方面的認知仍不夠，實際應用仍需要進一步確定。

1.3 純氧曝氣系統(tǒng)

純氧曝氣系統(tǒng)原理是采用深冷分離制氧，變壓吸附制氧制取純度高達90%以上的O2，用以替換空氣。雖然純氧曝氣系統(tǒng)效率較高但由于其需要專門制備氧氣的設(shè)備（PSA）導致其運行成本較高，不能廣泛應用[7]。

1.4 葉輪吸氣推流式曝氣器

葉輪吸氣推流式曝氣設(shè)備是湖泊、河道中人們的最常用的充氧的辦法之一。通常由電動機、轉(zhuǎn)動軸、葉輪、進氣甬道等構(gòu)成。其原理主要是高速運行的葉輪在進氣甬道內(nèi)形成低于大氣壓的壓力，吸入空氣，葉輪將空氣轉(zhuǎn)化為微小氣泡射入水中。其優(yōu)點是安裝方便；受水位影響；小維修簡便等。但由于葉輪容易被堵塞纏繞；較淺水位上運行時容易絞起底泥；影響航運。該技術(shù)曾應用于我國，1990年為保證亞運會成功舉辦，在北京小清河中放置8臺美國的Aire-O2曝氣設(shè)備，通過葉輪抽吸氣體推流式曝氣器向水中充氧氣，DO濃度上升到5～7mg·L-1在使用曝氣技術(shù)的區(qū)域內(nèi)。

2 單工藝曝氣技術(shù)修復黑臭水體

早在20世紀50年代，國內(nèi)外許多學者們就已經(jīng)對人工曝氣充氧技術(shù)開始了研究與應用。1977年和1985年英國泰晤士河上分別運行了10tO2·d-1和30tO2·d-1的曝氣復氧船顯著優(yōu)化了大雨期間地面徑流的沖擊負荷污染，水中溶解的增加減少了水生動植物的死亡。1989年美國在Hamewood河道上安裝了曝氣設(shè)備，簡易的曝氣設(shè)備也增加了水中溶解氧含量。德國于1994年在柏林河道上啟動了曝氣復氧船大大的維系了河道中生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在國內(nèi)，1990年亞運會期間安裝8臺11kW的曝氣設(shè)備向水中充氧，效果明顯。

2.1 河道曝氣技術(shù)

上海市利用曝氣復氧治理蘇州河道雨天黑臭問題，由于蘇州河黑臭的原因是河道北新涇下游17km處，37座泵站直排導致水體被突發(fā)式?jīng)_擊負荷污染，宜選用曝氣充氧船和固定式充氧站治理，保證河道中溶解氧濃度大于4mg·L-1，可使河道在晴天時消除黑臭恢復河道內(nèi)生態(tài)平衡，雨天時減少沖擊負荷造成的黑臭影響[8]。

李開明[9]等人于廣州市朝陽涌上游黑臭河段現(xiàn)場分別采用功率相同的3種不同曝氣式樣的曝氣設(shè)備（葉輪式曝氣設(shè)備，水車式曝氣設(shè)備，射流式曝氣設(shè)備）進行黑臭河道的曝氣增氧試驗，河道經(jīng)水射器曝氣充氧后溶解氧濃度最高可達5mg·L-1，CODCr最高去除率達到33.3%，NH3-N的最高去除率為26%。水車式曝氣機的充氧效果、NH3-N、CODCr的去除效果，還是河體內(nèi)生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和自凈都優(yōu)于其它兩種設(shè)備。試驗結(jié)果表明針對于河道狹窄，截污困難以及水流速度較慢的小型黑臭河道的治理宜應用水車式曝氣增氧設(shè)備。

德國梅塞爾公司幫助上海環(huán)境科學研究院在上海蘇州河下游開展了BIOX（微孔曝氣工藝和純氧曝氣工藝優(yōu)點組合結(jié)合形成微氣泡純氧曝氣技術(shù)）工藝。此河COD高達100～200mg·L-1，河道流態(tài)復雜。經(jīng)治理后當河流流速較平緩時，COD降低19.5%～55.6%，B/C從0.46降至0.4，溶解氧濃度上升至9mg·L-1。由于不受河流穩(wěn)態(tài)的影響，該工藝適用于用于水上航運較多及被污染的旅游景觀性河道的曝氣復氧治理[7]。

2.2 底泥曝氣技術(shù)

一些研究人員對底泥曝氣進行了探究，分析了底泥曝氣對磷[10]、重金屬[11]、硫化氫產(chǎn)生的影響。雷恒毅[12]等人將廣州市荔灣區(qū)受污染較嚴重的河道作為研究對象，結(jié)合河道的特點采用底泥曝氣（箱筏式射流曝氣船和TRSS底泥穩(wěn)定劑。底泥的氧化還原電位從（-210±17.5）mV 增加至（220±15）mV，硫化物在底泥中的降解率已達到86.35%～92.1%，經(jīng)治理后底泥中重金屬形態(tài)穩(wěn)定，釋放量降低了79.5%～87.2%，TP的去除率在90%左右，消除了河道的黑臭狀態(tài)，底泥顏色變淺并且恢復了河道的穩(wěn)態(tài)。對底泥進行曝氣可加快水體DO的恢復，有效控制水體中COD Mn、NH3-N和TP的釋放[13]。氮磷含量的超標是黑臭水體內(nèi)的主要問題，底泥中內(nèi)源污染成為水體污染的主要來源在外源污染得到控制后。

何巖[14]等人通過進行對黑臭河道的實驗模擬，可以得出結(jié)論可利用間歇曝氣或低氧連續(xù)曝氣（空間內(nèi)好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境的交替）實現(xiàn)對底泥內(nèi)源氮硝化作用和內(nèi)源氮反硝化作用的有效耦合減少底泥中氮負荷，較好的控制內(nèi)源氮的釋放。

3 人工曝氣技術(shù)與生態(tài)修復技術(shù)協(xié)同治理黑臭水體

人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)即生態(tài)水處理工藝輔以曝氣復氧，用于處理城市景觀河道治理一方面可降低水體中污染物使水體凈化，另一方面為人民提供有觀賞價值的水上綠植，實現(xiàn)污水資源化運用[15]。生物促生劑可對地表水[16,17]、底泥[18]進行修復,但獨立使用生物促生劑治理黑臭水體時,上覆水及底泥中溶解氧含量較低，NH3-N、TP、COD等指標含量較高[19]。并且治理黑臭河道過程中常用的物理方法是曝氣。因此，生態(tài)修復技術(shù)可配合曝氣技術(shù)聯(lián)合應用。

韓大巍[20]等人通過對北京昌平區(qū)內(nèi)河道內(nèi)的上側(cè)水體及底泥進行取樣試驗，使用曝氣（間歇性曝氣）和生物促生劑共同治理水體60h后COD去除率為50%，TP降低98%，NH3-N降低78%，同時由于釋放出更多的磷，底泥厚度減小。在聯(lián)合修復過程中間完全馴服河道內(nèi)微生物僅需一個月時間，這更有利于微生物繁衍。由此可見聯(lián)合工藝的協(xié)同作用更能表現(xiàn)出優(yōu)良的修復價值。

金承翔[11]等人利用人工曝氣充氧，增添功能性微生物菌劑（光合菌劑，硝化細菌），生物促生劑，放養(yǎng)水生值物（鳳眼蓮）聯(lián)合作用治理上海市普陀區(qū)黑臭河水。10d后經(jīng)工藝協(xié)同處理的水體中CODCr去除率可達77%，BOD5去除率達91%，NH3-N去除率達93%，TP凈化率達76%水中藻類生物降低生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。而單獨使用生物促生劑的水體CODCr和BOD5的去除率分別為54%和77%，TP含量基本無變化。結(jié)果表明組合技術(shù)協(xié)同作用明顯優(yōu)于單一技術(shù)，可使水中有機污染物含量快速降低，恢復水體生態(tài)平衡。曝氣可以迅速增加水體中溶解氧含量，水體中的污染物可由厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為好氧礦化，提高水體凈化能力。生物促生劑和微生物劑投加，則可使水體凈化進一步加強并縮短修復周期。

徐玉良[21]等人利用生物膜自凈設(shè)備及微氣泡增氧系統(tǒng)，培植生植物（千屈菜，蘆葦，梭魚草等）投放水生動物（魚，螺等）對昆山市凌家浜黑臭水體進行治理。2013年10月DO濃度達到10mg·L-1，COD降低了77%，TP去除率達到71.4%。TN去除率達到78.36%。結(jié)果表明該技術(shù)可提高水中溶解氧含量和增加透明度，若加強管理，可從根源上恢復河流的生態(tài)系統(tǒng)。

同時針對于不能在短期內(nèi)完全攔截的黑臭河道可采用曝氣復氧+微生物菌劑的原位生物增強技術(shù)進行治理[22]。盧麗君[18]利用曝氣充氧和生物促生劑（MTBE）協(xié)同作用治理受污染底泥大量刺激了好氧微生物的增長，且反硫化細菌數(shù)降低，硫化氫氣體產(chǎn)量降低，有效改善水體黑臭現(xiàn)象。但由于其側(cè)重于底泥修復而對上覆水治理效果不理想，仍需繼續(xù)探究選擇最優(yōu)的曝氣方式。

4 結(jié)論

黑臭水體的治理應遵循“綜合性，安全性，經(jīng)濟性，長效性”，人工曝氣技術(shù)占地面積小，效率高，運營成本低，等優(yōu)點同時即可單獨使用治理黑臭水體，提升上覆水中溶解氧含量，抑制沉積物中氮磷的釋放，并采用生態(tài)修復技術(shù)（生物膜、生物促生劑等）協(xié)同作用治理黑臭水體且其作用效果遠大于單獨使用曝氣或生態(tài)修復的方法。然而從目前的角度來看生態(tài)修復技術(shù)協(xié)同曝氣的新型處理正在探索中，并沒有得到改善。在未來實踐中,還需探索更深層次的聯(lián)合處理手段，針對于不同地區(qū)，河道的周邊環(huán)境和水流的紊態(tài)程度等選用不同曝氣方式和生態(tài)修復種類為城市水體處理提供更優(yōu)化的技術(shù)方式。