曝氣技術(shù)在黑臭水體治理中的研究進(jìn)展

吳佐京通，戴先譜，吳 輝，潘紅忠

(1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100;2.長江大學(xué)國際水生態(tài)研究院，湖北 武漢 430100;3.荊門市環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 荊門 448000)

城市黑臭水體是城市建成區(qū)內(nèi)，呈現(xiàn)令人不悅的顏色和散發(fā)出令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱[1-2]。中國對黑臭水體的判定，常以水體透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮等4個水質(zhì)參數(shù)作為評價指標(biāo)[3-6]，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

“水十條”頒布以后，水體黑臭現(xiàn)象在全國范圍內(nèi)明顯減少，尤其是地級市黑臭水體治理成績斐然[7-8];與此同時，已治理過的水體復(fù)黑現(xiàn)象也較為普遍[9]。因此，當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)消除水體黑臭，仍然是中國水污染治理的重點工作[10]。普遍認(rèn)為，治理水體黑臭方法可分為物理、化學(xué)、生物生態(tài)3種方法。物理方法常見于底泥疏浚、曝氣、引水等[11];化學(xué)方法一般指投加藥劑或吸附劑[12];生物生態(tài)方法則是基于微生物的生命代謝活動去除污染物質(zhì)[13]。

其中，最直接有效的方法是曝氣增氧[14-15]，通過人為增加水體中的溶解氧含量(DO)，可提高水體自凈能力，從而快速去除黑臭。目前國內(nèi)外對曝氣技術(shù)治理黑臭水體有一定研究，現(xiàn)綜述如下。

1 常見曝氣技術(shù)

在黑臭水體治理過程中，常使用曝氣方式有鼓風(fēng)曝氣、表面曝氣、射流曝氣等3類[16-17]。鼓風(fēng)曝氣主要是通過空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓縮，被壓縮后的空氣經(jīng)由輸氣管道輸送至曝氣器，最終經(jīng)由不同規(guī)格的曝氣器擴(kuò)散到目標(biāo)水體中。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中，曝氣器的質(zhì)量與規(guī)格直接影響整個系統(tǒng)的復(fù)氧效率，在工程應(yīng)用中曝氣器常有多孔管、固定螺旋曜氣器、水射器和微孔擴(kuò)散板等類型[18]。根據(jù)逸散出氣泡的大小尺寸，可分為微氣泡、小氣泡、中氣泡、大氣泡等。在氣泡尺寸與氧傳遞效率研究中，莊健等[19]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，氣泡的尺寸越大，其相對氧轉(zhuǎn)移效率越低。Yao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，微氣泡復(fù)氧效果良好，是常規(guī)曝氣的3.2倍，而能耗僅為常規(guī)曝氣的一半左右。

表面曝氣也稱機(jī)械攪拌曝氣，是利用高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)帶動軸流式葉輪運(yùn)作，利用葉輪的轉(zhuǎn)動使水流經(jīng)由導(dǎo)流裝置進(jìn)行環(huán)形噴射，水體在脫離噴射裝置時受空氣阻力作用，形成的間斷水珠在重力作用下重新回落到水面，以此來實現(xiàn)水體的循環(huán)流動，最終增加水體含氧量的一種曝氣裝置[21]。

射流曝氣系統(tǒng)的核心設(shè)備是射流器，射流裝置通過產(chǎn)生高速噴射水流在射出路徑中形成一個空腔，空腔周圍的水體向空腔內(nèi)部擠壓形成一個負(fù)壓狀態(tài)，將空氣與水體吸入進(jìn)混合室，經(jīng)由擴(kuò)散管形成汽水混合體向預(yù)設(shè)方向噴射而出，由于汽水混合物的高速噴射的特性，在此狀態(tài)下水體中的氣泡因空氣與水體的相互作用被切割成尺寸細(xì)小同時比表面積大的氣泡，增大水體與氧氣的接觸面積，加快氧氣溶于水體這一過程，以此完成水體的曝氣目的[22]。

綜上，微氣泡曝氣由于復(fù)氧效果好、能耗低，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的曝氣技術(shù)。

2 曝氣去除黑臭水體污染物效果研究

2.1 黑臭水體中有機(jī)物去除效果

在黑臭水體治理中，曝氣去除有機(jī)物是一種有效且易實施的手段。石慧等[23]在處理屠宰廢水試驗中，采用自制的25 L曝氣設(shè)備工作8 h，COD(化學(xué)需氧量)平均去除率可達(dá)82.83% ，BOD(生化需氧量)平均去除率可達(dá)81.09%。王美麗等[24]在室內(nèi)模擬曝氣對上覆水污染物濃度影響實驗中發(fā)現(xiàn)，在最佳的曝氣條件下，COD去除率可達(dá)69.73%。孫從軍等[25]在1997年治理上澳塘潘家橋河段過程中，采用的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)經(jīng)過1個月治理，水中CODCr去除率為 48.5%～61.0%，BOD5去除率在 56.4%～72.5%。陸暉等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在景觀水體修復(fù)實驗中，微納米曝氣對水體中COD的去除率可達(dá)67.59%。Wu等[27]在廣東東莞市茅洲河，單獨采用微納米曝氣技術(shù)對其支流進(jìn)行修復(fù)，COD去除率達(dá)到64.3%。洪濤等[28]采用微米氣泡治理黑臭水體實驗中發(fā)現(xiàn)，微米曝氣COD去除率比普通曝氣高12% 。

綜上可見，經(jīng)曝氣系統(tǒng)處理后，黑臭水體中有機(jī)物去除效果較好，其中CODcr去除率能達(dá)到80%以上，最高可達(dá)84.8%。COD去除率會隨著外界環(huán)境的改變而發(fā)生變動，處理效果欠佳時僅為19.5%;至于BOD5，由于曝氣對微生物的影響途徑受環(huán)境擾動較小，去除率穩(wěn)定在56.4%～88.2%。

2.2 黑臭水體中氮、磷等污染物去除效果

氮、磷等形態(tài)的污染物，在黑臭河道中較為常見。往往河道致臭就是由于氮類污染物含量過高，在厭氧條件下形成氨氣(NH3) 、硫化氫(H2S)等氣體，利用曝氣技術(shù)可以改善水體溶解氧水平，進(jìn)而去除黑臭河道中的氮磷污染物[29]。王美麗[30]通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，微米曝氣裝置具有良好的水體復(fù)氧效果，氨氮和總氮去除率可達(dá)44.10%和38.96%，去除效果明顯高于空白對照組。張家港市重污染河道花園浜河治理項目中，王文林等[31]采用新能源曝氣技術(shù)治理黑臭河道，研究表明,水體中總氮、氨氮、總磷濃度下降顯著,最大去除率分別達(dá)16.9%、45.6%、33.5%。采用微納米曝氣技術(shù)治理廣西大學(xué)東校園景觀湖，氨氮去除率為70.20%，總氮去除率為66.75%，總磷去除率為17.30%。1994年，北京清河黑臭河道治理項目中，采用了葉輪吸氣推流式曝氣方式運(yùn)行30 d，水體氨氮去除率達(dá)25.6%～40.0%[32]。鮑曉偉等[33]利用曝氣技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖污水，研究發(fā)現(xiàn)總氮去除率28%～54%，總磷在曝氣進(jìn)行15 d時去除效果最佳，為81%。

上述研究表明，曝氣對水體中氮的去除效果較好，對總磷的去除效果相對不明顯。通過曝氣改善水體溶氧含量，利于氮元素向高價態(tài)轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到高效除氮的目的。磷元素的去除主要通過微生物的代謝活動，若河道中微生物含量有限，則磷的去除效果相對不明顯。諸多曝氣技術(shù)中，因微納米曝氣技術(shù)的復(fù)氧率高、水體擾動小，氮磷的綜合去除效果最佳。

2.3 黑臭水體中重金屬去除效果

水體中的重金屬主要富集在底泥與水體之中[34]，相對于有機(jī)物、氮、磷等污染物去除，水體中重金屬污染物的去除更加困難[35]。因重金屬具有富集性、難降解等特點，且對人體健康具有嚴(yán)重威脅[36]，因此需引起高度重視。

宋蘭蘭等[34]以揚(yáng)州市真州鎮(zhèn)有機(jī)污染水體為研究對象，通過實驗發(fā)現(xiàn)，淺層底泥曝氣，重金屬釋放速率適中，與水體重金屬氧化能力相匹配，可顯著減輕河道底泥重金屬污染。

楊長明等[37]在安徽省合肥市南淝河道修復(fù)過程中采用精準(zhǔn)曝氣布氧系統(tǒng)，研究表明微孔曝氣對重金屬鎳(Ni)形態(tài)改變較大，曝氣前后殘渣態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例由39.5%上升到55.0%。經(jīng)過10 d曝氣技術(shù)處理，重金屬鎳(Ni)在底泥間隙水中所占的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降。

建議今后加大曝氣去除重金屬的機(jī)理研究力度，可考慮深入到化學(xué)層面，如曝氣產(chǎn)生的羥基自由基，其強(qiáng)氧化性對重金屬的去除效果研究。

3 曝氣去除污染物影響因素分析

由常見曝氣技術(shù)對比可知，微氣泡曝氣是目前最有發(fā)展前景的曝氣技術(shù)。在此，僅探討微氣泡曝氣技術(shù)曝氣位置、曝氣強(qiáng)度、曝氣時間對污染物去除效果的影響。

3.1 曝氣位置對污染物去除效果影響分析

影響曝氣對污染物的去除效果，除了曝氣技術(shù)本身外，曝氣位置也很關(guān)鍵[38-40]。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知，底部曝氣在污染物去除方面整體優(yōu)于水體曝氣。王美麗等[24]經(jīng)過室內(nèi)模擬實驗發(fā)現(xiàn)，在泥水交接界面向下15 cm處COD去除率為63.79%，而處于水體位置曝氣COD去除率不足26.66%。

國內(nèi)外對于曝氣位置的研究主要集中于水體和底泥2個位置，從有機(jī)物、氮和磷污染物的去除實驗研究可知，底泥曝氣整體去除率要比水體曝氣效果更佳。建議今后關(guān)于曝氣最佳位置的研究可聚焦底泥曝氣機(jī)理研究，并據(jù)此得到曝氣最佳位置與治理河流體量的關(guān)聯(lián)性。

3.2 曝氣強(qiáng)度對污染物去除效果影響分析

綜上，曝氣強(qiáng)度與污染物去除率兩者間存在強(qiáng)相關(guān)性，但受時限制約，建議加強(qiáng)關(guān)于兩者相關(guān)性與時間變化的規(guī)律研究。

3.3 曝氣時間對污染物去除效果影響分析

曝氣時間對于污染物去除率的影響評價是諸多曝氣影響因素中較為熱門的一類[48-49]，Izadi Parnian等[50]研究發(fā)現(xiàn)對比連續(xù)曝氣，間歇曝氣對P-攝取、聚合物質(zhì)合成和糖原降解的關(guān)聯(lián)程度更高。

鮑曉偉等[51]通過設(shè)計不同間隔時間曝氣處理畜禽養(yǎng)殖污水的效果試驗，以1 h為循環(huán)周期，設(shè)計了4種曝停比(1∶3，1∶1，3∶1,連續(xù)曝氣)，研究發(fā)現(xiàn)曝停比與水體pH關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)， 總氮(TN)和總磷(TP)在曝停比為3∶1時去除率最高。尚亞丹等[52]發(fā)現(xiàn)間歇曝氣條件下，鐵碳微電解耦合人工濕地凈化生活污水效果最佳。蘇東霞等[53]采用序批式反應(yīng)器 (SBR)進(jìn)行短程硝化實驗過程，并設(shè)計3種曝停比(3∶1、3∶2、3∶3)，得出COD去除率分別為76.71%、78.44%、79.94%，時間間隔與去除率為正相關(guān)關(guān)系。柴蓓蓓等[54]研究結(jié)果表明間隔曝氣污染物去除效果要優(yōu)于連續(xù)曝氣，在曝停比為2∶1(即曝氣40 min、停曝20 min)工況條件下，TN去除率為75.23%，高于連續(xù)曝氣(72.79%); TP去除率分別為76.08%、54.45%，去除效果差異顯著。

綜上所述，有關(guān)曝氣的曝停比仍局限于現(xiàn)有的經(jīng)驗公式之中，有關(guān)曝停比與污染物去除效果的函數(shù)模型研究內(nèi)容甚少，建議加大有關(guān)模型研發(fā)及優(yōu)化力度，節(jié)約能源的同時提高污染物去除率。

4 曝氣與其他技術(shù)耦合對污染物去除效果研究

盡管因為高能效、低損耗等特點，曝氣技術(shù)被廣泛低地應(yīng)用污水處理中，但單一曝氣技術(shù)的弊端依然難以避免，如：污染物去除效果不穩(wěn)定[57]、易引發(fā)二次污染、去除不徹底、水質(zhì)難維護(hù)以及生物降解能力較低等。

表2 不同修復(fù)技術(shù)對黑臭水體污染物的去除率 %

整體而言，曝氣與一種或多種技術(shù)結(jié)合，如植物、微生物、化學(xué)藥劑等，可提高污染物的去除率，均可達(dá)到良好的治理效果;曝氣工藝與物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，關(guān)于曝氣技術(shù)與其他技術(shù)耦合機(jī)理研究不多，建議深入到耦合機(jī)理層次進(jìn)行研究，譬如在精確曝氣控制領(lǐng)域，就如何解決控制器算法的滯時性以及與曝氣技術(shù)之間的適配性等。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，曝氣技術(shù)治理黑臭水體的效果受諸多因素影響，如深度、位置、強(qiáng)度和時間等影響治理效果的程度不一、機(jī)理不同;并且各因素的影響作用并非相互獨立，比如曝氣強(qiáng)度與曝氣時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)曝氣時間較長時，曝氣強(qiáng)度的影響會逐漸降低。與此類似，不同曝氣位置、深度也會改變其他因素對治理效果的影響權(quán)重;另外，除本文列舉的曝氣影響因素外，還有一些因素，如水體流速、溫度、水體大小，氣候變化等都會對曝氣效果產(chǎn)生影響。曝氣與其他技術(shù)的耦合可取長補(bǔ)短、強(qiáng)化治理效果，如曝氣與植物、微生物結(jié)合可以提升氮類污染物的去除率;曝氣與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組合，可以降低系統(tǒng)能耗。

目前曝氣與其他技術(shù)的耦合機(jī)理尚不明確，有待進(jìn)一步的深入研究。此外，在眾多影響因素中篩選出關(guān)鍵因素，厘清因素作用機(jī)制和互相作用關(guān)系，仍值得繼續(xù)探究。