臭氧混合曝氣增氧技術(shù)在城市河道水質(zhì)改善中的應(yīng)用

孫 玥

(遼寧河庫管服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水體自凈過程中溶解氧作用十分明顯，人工曝氣增氧技術(shù)通過國內(nèi)外河道水環(huán)境治理實(shí)際應(yīng)用效果看，技術(shù)操作程度簡單，污染物去除效果較快，在當(dāng)前國內(nèi)城市河道水環(huán)境治理中得到廣泛應(yīng)用[1- 6]。目前純氧、鼓風(fēng)以及機(jī)械曝氣為當(dāng)前國內(nèi)主要采用曝氣技術(shù)，其中增氧效率最高的為純氧曝氣，但對氨氮去除效果不明顯，其他曝氣技術(shù)對氨氮去除的效果也低于40%[7]。近些年來，隨著城市社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市河道中氨氮濃度超標(biāo)較為嚴(yán)重，氨氮主要來自于生活和工業(yè)污水的排放，為加大對城市河道水環(huán)境治理，尤其是黑臭水體的質(zhì)量，亟需降低氨氮濃度指標(biāo)。為此王正芳提出一種微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧技術(shù)[8]，并以蘇州城市河段為具體實(shí)例，通過應(yīng)用試驗(yàn)表明該技術(shù)對水體氨氮去除效果較為明顯。為此本文針對渾河城市段河道氨氮濃度超標(biāo)問題，引入該項(xiàng)新技術(shù)，采用原位試驗(yàn)方式，采用試驗(yàn)方式探討該新技術(shù)對城市段氨氮去除效果，并對曝氣類型、曝氣時(shí)間進(jìn)行分析。成果對于城市河道水環(huán)境治理具有實(shí)用借鑒價(jià)值。

1 原位試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)河段概況

本文以渾河沈陽城市段為試驗(yàn)河段，選取的試驗(yàn)河段總長度為5km，河流寬度均值約為200m，平均流速在1.0～1.5m/s之間。由于河道兩岸生活和工業(yè)廢水排污未能完全截留，使得試驗(yàn)河段氨氮總體超標(biāo)較為嚴(yán)重，通過水樣監(jiān)測，該河段氨氮平均濃度為1.59mg/L，超過劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為此本文選取該試驗(yàn)河段，針對河段氨氮濃度超標(biāo)的問題，采用微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧新技術(shù)，通過布設(shè)曝氣增氧裝置，對氨氮濃度去除效果進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)河段概況

本文分別在試驗(yàn)河段內(nèi)選取氨氮濃度較高的5個(gè)監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面之間的間距如圖1所示。

圖1 曝氣設(shè)備及斷面位置

圖1中上游段為AB段，中游為BD段，下游段為DE段。4臺微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧機(jī)安裝在中游C斷面，上游下游間距為60m，水面以下深度分別在1.5～1.8m之間，該試驗(yàn)裝置主要由太陽能電板、超微納米氣泡發(fā)生器、潛水泵、臭氧發(fā)生器、防水電纜以及消音裝置組成。如圖2所示。

圖2 微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

2021年11月5日—12月20日，采用4臺設(shè)備進(jìn)行曝氣深度為1.0～1.5m的純粹空氣曝氣，第一投放臭氧的時(shí)間為11月10日，將2g/h的臭氧發(fā)生器分別加設(shè)到4臺設(shè)備上。第二次投放臭氧的時(shí)間為12月5日。將10g/h的臭氧發(fā)生器分別加設(shè)到4臺設(shè)備上，設(shè)備增氧功率設(shè)置為3.0kW，進(jìn)氣量為240L/min，分別產(chǎn)生1um～100um直徑的氣泡。每臺設(shè)備在不考慮水流作用下覆蓋的水域面積為50m×20m×2m。采用開機(jī)50min后停機(jī)15min的間歇市曝氣方式進(jìn)行試驗(yàn)，每天進(jìn)行16組循環(huán)試驗(yàn)。

1.4 采樣點(diǎn)布設(shè)

分別設(shè)置5個(gè)斷面對混合曝氣增氧設(shè)備對水體氨氮去除效果進(jìn)行試驗(yàn)，采樣原位速測對各斷面上分別選取3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行均值測定。為對河道相同斷面兩側(cè)氨氮去除效果進(jìn)行試驗(yàn)，在中游C處斷面選取3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行原位速測。采樣便攜式多參數(shù)測量儀器對水體中的主要污染指標(biāo)包括電導(dǎo)率、溫度、氨氮、硝酸鹽氮進(jìn)行原位速測。

1.5 室內(nèi)試驗(yàn)測定

分別從A、C、E 3個(gè)斷面選取3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行水樣的采集，室內(nèi)測定的水質(zhì)指標(biāo)為酸堿度、濁度、化學(xué)需氧量以及總磷指標(biāo)。分別采用重鉻酸鉀以及鉬酸銨分光光度法對化學(xué)需氧量及總磷指標(biāo)進(jìn)行測定，采用標(biāo)準(zhǔn)重量方法對濁度進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 曝氣時(shí)間對水質(zhì)改善效果試驗(yàn)

分別以A斷面代表上游段、C斷面代表中游段以及E斷面代表下游段對曝氣時(shí)間下溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮以及硝酸鹽氮濃度指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測定分析，從而探討臭氧混合曝氣增氧新技術(shù)的曝氣時(shí)間對水質(zhì)改善的效果影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1—4。

表1 不同曝氣時(shí)間各斷面溶解氧濃度影響

由表1可知，各斷面在不同曝氣時(shí)間溶解氧濃度變化規(guī)律較為一致，溶解氧總體均呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化，但各斷面從遞增到遞減變化的拐點(diǎn)有所不同，中游段由于曝氣裝置在前9d進(jìn)行安裝，溶解氧濃度要高于上游段和下游段。上下游段溶解氧濃度變化較為一致，溶解氧濃度拐點(diǎn)在上游段的時(shí)間要早于中游段和上游段，從第9d開始溶解氧濃度呈現(xiàn)明顯增加，且隨著曝氣時(shí)間的增加遞增幅度要高于中游段和上游段，下游段在曝氣第23d溶解氧濃度為6.525mg/L。由表2可知，各河段氨氮從曝氣第9d開始呈現(xiàn)明顯的遞減變化，但各河段氨氮遞減變化有所差異，到30d后上游、中游、下游氨氮去除率可分別達(dá)到60.2%、63.5%、74.5%，氨氮去除率均在60%以上，對氨氮具有較好的改善效果，曝氣后氨氮濃度波段變化主要原因?yàn)橥庠次廴疚镙斎胗绊懫錆舛茸兓?。由?可知，各河段電導(dǎo)率隨著曝氣時(shí)間的增加總體呈遞減變化。由表3可知,各河段硝酸鹽氮在不同曝氣時(shí)間的濃度變化和氨氮濃度變化具有一定的相似性，水體中具有較充足的溶解氧時(shí)主要以硝化為主，因此對氨氮具有較好的去除效果，而對總氮去除效果不高，隨著曝氣時(shí)間的增加，氨氮和硝酸鹽氮指標(biāo)相關(guān)度增加，通過試驗(yàn)測定分析，曝氣時(shí)間達(dá)到30d后水體氨氮和硝酸鹽氮離子相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.85以上。

表2 不同曝氣時(shí)間各斷面氨氮濃度影響

表3 不同曝氣時(shí)間各斷面硝酸鹽氮濃度影響

表4 不同曝氣時(shí)間各斷面電導(dǎo)率影響

2.2 曝氣位置對河岸兩側(cè)水質(zhì)改善效果分析

試驗(yàn)分析曝氣裝置不同點(diǎn)位對兩岸水質(zhì)改善效果，結(jié)果見表5—8。

表5 不同曝氣位置河岸兩側(cè)溶解氧影響

表6 不同曝氣位置河岸兩側(cè)氨氮影響

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，中心點(diǎn)位Y的增氧效果好于兩側(cè)點(diǎn)位，曝氣14d后各點(diǎn)位溶解氧與水體中的氨氮進(jìn)行硝化反應(yīng)，溶解氧濃度有所降低，到30d后水質(zhì)總體區(qū)域穩(wěn)定，溶解氧溶度較高。各點(diǎn)位下電導(dǎo)率變化差異度較低。各點(diǎn)位氨氮濃度由于硝化影響隨著曝氣時(shí)間的增加其濃度總體呈現(xiàn)先遞增后遞減變化，氨氮濃度在中小點(diǎn)位的去除效果好于兩側(cè)點(diǎn)位，因此對于交叉區(qū)域點(diǎn)位水質(zhì)受曝氣影響較為明顯，這主要是因?yàn)槠貧鈴?fù)合作用影響水體紊動程度加大，使得水體中氧氣混合傳遞程度有所提高，加快了氨氮硝化。

表7 不同曝氣位置河岸兩側(cè)硝酸鹽氮影響

表8 不同曝氣位置河岸兩側(cè)電導(dǎo)率影響

2.3 上下游沿程水質(zhì)改善效果分析

對河道上下游沿程水質(zhì)改善效果進(jìn)行試驗(yàn)分析，各試驗(yàn)斷面結(jié)果見表9—12。

表9 河道上下游沿程斷面溶解氧濃度變化

表10 河道上下游沿程斷面氨氮濃度變化

上下游段溶解氧在曝氣第9d濃度變化較為接近，中游D斷面溶解氧濃度最高，隨著曝氣時(shí)間的增加，在硝化作用下各斷面溶解氧濃度均有所減小，到曝氣30d后中游和上游溶解氧濃度較為接近，下游E斷面溶解氧出現(xiàn)最高濃度。各斷面電導(dǎo)率較為接近，下游E斷面電導(dǎo)率最低。C斷面為曝氣交叉區(qū)域，其氨氮濃度下降速率較快。隨著曝氣時(shí)間增加氨氮濃度低值逐步向下游推進(jìn)。曝氣第9d氨氮濃度最低位置在C斷面，進(jìn)入曝氣第16和24d其氨氮濃度最低值出現(xiàn)下游E斷面約425m處，下游段氨氮去除效果最高，其次為中游段，上游段氨氮去除效果最低，這主要是因?yàn)樵谒w充足的溶解氧下，硝酸鹽氮硝化作用加強(qiáng)，有效降低水體中氨氮濃度。

表11 河道上下游沿程斷面硝酸鹽氮濃度變化

表12 河道上下游沿程斷面電導(dǎo)率變化

2.4 河道水質(zhì)總體改善效果分析

對微孔管道空氣-臭氧混合曝氣裝置對河流水質(zhì)總體改善效果進(jìn)行了測定分析，分析結(jié)果見表13。

表13 河流水質(zhì)總體改善效果

從不同斷面酸堿度、濁度、化學(xué)需氧量、總磷濃度變化可看出，在較短時(shí)間內(nèi)微孔管道空氣-臭氧混合曝氣裝置通過增氧可以對河道水質(zhì)進(jìn)行明顯改善?；瘜W(xué)需要量受外部污染物源輸入影響濃度遞減程度有所減小，該項(xiàng)新技術(shù)對河流水環(huán)境治理中氨氮和磷超標(biāo)的去除具有較好的應(yīng)用前景。該項(xiàng)新技術(shù)由于提高水體中的羥基自由基，使得水體有機(jī)物分解和降解作用得到加強(qiáng)，采用微米級別氣泡產(chǎn)生于臭氧發(fā)生器具有上升速率低，延長停留時(shí)間，加大表面積，提高傳質(zhì)率的優(yōu)點(diǎn)，此外曝氣采用微米氣泡可以提高水體中的好氧生物的豐度，從而提高水體污染物降解程度，加快水體凈化速率。

3 結(jié)論

(1)在進(jìn)行水體氨氮應(yīng)急短期處理時(shí)，可以在檢測點(diǎn)周圍布設(shè)曝氣設(shè)備，距離曝氣點(diǎn)較近區(qū)域氨氮濃度可迅速較低，但持續(xù)時(shí)間較短，一般可維持在3d以內(nèi)，要保持長期氨氮處理，建議在檢測點(diǎn)上游約250m處布設(shè)曝氣設(shè)備。

(2)該曝氣設(shè)備一次性投入的成本較少，技術(shù)維護(hù)成本為每臺1年約2000元，每臺設(shè)備每天的運(yùn)行費(fèi)用約為30元，處理效果較為穩(wěn)定，適用于以氨氮、磷為主要超標(biāo)因子的城市段河流。

(3)本文對于曝氣設(shè)備布設(shè)臺數(shù)對于河道水質(zhì)改善效果還未分析，在后續(xù)研究中應(yīng)對如何布設(shè)其曝氣設(shè)備臺數(shù)可達(dá)到理想水質(zhì)效果進(jìn)行深入分析和探討。