純氧曝氣在黑臭河道治理中的應用效果研究

張華俊，蔣聲東，李 森，蘇 蕾，張文磊

（1.黔南民族師范學院旅游與資源環(huán)境學院，貴州 都勻 558000；2.華設設計集團股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.廣州資源環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣東 廣州 510601）

0 引言

黑臭是河流污染的一種極端表現(xiàn)，河水由于受到嚴重污染溶解氧大幅下降，進入缺氧厭氧階段[1-2]，引起污染物酸化分解和厭氧細菌分泌代謝產物，導致發(fā)黑發(fā)臭而嚴重影響城市發(fā)展質量與居民人居環(huán)境[1-8]，消除河道黑臭對人居健康與持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義[9]。工程實踐證明原位治理是一種可靠、有效的黑臭河道治理技術，目前國內外河道原位治理技術主要有河道曝氣復氧、生物接觸氧化、河流濕地系統(tǒng)和生態(tài)浮床等[10]。曝氣復氧是治理黑臭河道的一種有效工程措施[2-3]，可大幅提高河水溶解氧和氧化還原電位，直接抑制或阻斷黑臭物質產生[4,11-12]，在我國黑臭河道整治中具有廣范應用[12]。目前國內外主要采用的曝氣技術包括空氣曝氣、純氧曝氣及臭氧曝氣等[11]。純氧曝氣氧的轉移速率是空氣曝氣的4.7倍，可快速提高水體溶解氧水平，恢復和增強水中好氧微生物活力，加快污染物降解[13-14]。目前黑臭河道曝氣復氧的研究多集中在最佳曝氣方式選擇、需氧量計算、曝氣過程中水體動力學條件影響等方面[15]，而專門針對純氧曝氣結合微生物在相對封閉未截污完全的黑臭河道治理工程中的實際工程效果系統(tǒng)研究較少，多為開放式河道處理或排污口應急處理效果的研究，少有純氧曝氣設備運行模式與處理效果成本平衡的研究[16-17]。本研究以日本進口純氧曝氣設備進行實際工程應用的黑臭河道為對象，研究了純氧在黑臭河道水體中的保持能力并重點研究了不同運行模式下純氧曝氣不同時段對截污未完全的黑臭河道治理效果對比研究。

1 材料與方法

1.1 試驗設備與技術特點

試驗所用純氧曝氣設備為日本進口產品，機型OD-911型，數(shù)量1套，用電規(guī)格11 kW，尺寸：Φ910×2795（H），重約1.1 t，占地面積3 m×2 m，日消耗氧氣量約108 kg。設備工藝：原水→微生物培養(yǎng)槽→氣體置換裝置→出水。設備原理：通過構建水體及底泥好氧環(huán)境，治理過程中無需藥劑，完全自然凈化。

技術特點：① 在水體底部進行高濃度氧氣溶解水供給，利用水分子原理進行氣體置換，無氣泡，氣體在水分子中滯留時間長，無需大量供給氣體，純氧利用率幾乎 100%，氧氣在水中衰減時間長。②從根本上凈化河道，不使用造成二次污染的藥劑與化學材料，逐漸恢復河道自凈能力。生態(tài)凈化系統(tǒng)完全依靠氧氣、微生物等原生態(tài)進行自然凈化。③實現(xiàn)氣體完全溶解，無損失，減少運營成本，運營成本僅為抽水泵電費和純氧費。④施工工程簡單，設備幾乎不需要維護。無需龐大工程施工，核心設備無需每天耗費人力物力進行維護，只需定期點檢。

1.2 試驗設計

本試驗黑臭河道水質較差，水體溶解氧在0.8～3.5 mg/L，該河道寬度10～15 m，關閉閘門保持水體深度0.7～1.2 m，該河道每年冬春季水溫在 15℃以上。晴天時沒有污水匯入，水體處于靜止狀態(tài)，降雨時會有溢流污水匯入，另外河道受潮汐及閘門影響水位存在變化。該河道淤泥主要分兩層，最下部固體污泥厚度有 1 m，半年前上部淤泥已清淤，目前上部淤泥厚度累計有 50 cm 以上。高壓純氧設備設置在河道下游閘門處（圖1），其中設備主要功耗來自提升水泵，水泵在設備處將水提升入裝置，利用純氧進行氣體置換，置換后的高濃度含氧水通過管道自流至下游300 m處折回，形成該河段水體的內循環(huán)，提高氧利用率，試驗設計設備運行時間采取24 h-0 h-12 h-8 h的模式，每種模式持續(xù)7 d，試驗期間其他措施暫停使用。研究表明溶解氧持續(xù)距離是衡量純氧曝氣效果的主要指標之一，純氧曝氣后溶解氧持續(xù)距離越長，能保證越長河道水質得到改善，同時降低純氧曝氣成本。工程中實際復氧效果能維持到400 m 左右[16]，故本試驗設定重點監(jiān)測300 m內的溶解氧濃度。試驗開始后每3 d在純氧設備出水口、150 m、300 m位置多次測量水體溶解氧濃度，測量時間點為8:30，14:00，18:30。測量位置固定為水面下10 cm，同時檢測出水口處與300 m處水化指標（NH3-N、TP及CODCr），試驗布點位置如圖1所示。

圖1 試驗河道樣點布置圖

在高壓純氧設備出水口采集1桶（25 L）河水為檢測對象，運回室內每天3~4次檢測水體溶解氧含量情況，觀察氧氣在水中的持久性。

1.3 數(shù)據檢測與分析作圖

每3 d對各樣點水體（表層10 cm）進行采樣后運回實驗室檢測水化指標，檢測指標有CODCr、NH3-N、TP，水化指標采用哈希水質快速分析儀（DR1900）測定；DO采用便攜式溶氧儀（JPB-607A）現(xiàn)場測定。本研究數(shù)據分析采用SPSS20.0軟件，作圖采用Origin 17.0軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 純氧在黑臭河道水體中的保持能力實驗

溶解氧是反映水質的重要指標，通過提高水體溶解氧含量，可達到消除黑臭，減少污染負荷，維持生態(tài)凈化系統(tǒng)結構穩(wěn)定和最大凈化功能[18]，在最佳曝氣參數(shù)條件下，純氧曝氣氧利用率可以維持在90%左右[16]，純氧曝氣時溶解氧在水中的保持能力具有較好研究價值。由圖2可知，水桶中水體溶解氧保持能力較強，剛取水的溶解氧含量高達20.1 mg/L，第一天19℃時，水體飽和溶解氧對應的濃度是9.27 mg/L，此時水體溶解氧為10.55 mg/L，高于所對應飽和氧濃度，表明純氧曝氣水體溶解氧保持能力較強，經過一天靜置仍能保持飽和狀態(tài)。第二天溶解氧濃度較快衰減，傍晚時達到5.27 mg/L，第三天、四天水體溶解氧衰減緩慢，最終降低到2.73 mg/L，但仍高于《城市黑臭水體整治工作指南》中輕度黑臭水體所定義的溶解氧濃度2 mg/L。試驗表明，純氧曝氣能快速提高黑臭水體溶解氧水平，與其他曝氣方式不同的是其溶解氧保持能力較強，能在幾天內都保持較高水平。通過數(shù)據分析可知純氧曝氣具有較大優(yōu)勢，出水口溶解氧濃度能達到20+ mg/L，說明它能將純氧氣高效、快速轉移到河道水體中，通過靜置實驗，得出溶解氧在水體中保持能力也較強，這是傳統(tǒng)曝氣方式遠不及的。其次純氧曝氣能向河道水提供更充足的溶解氧，大大保證微生物在有充足溶解氧下對河道污水有機物的分解。

表1 各溫度下水體飽和溶解氧值

圖2 純氧在黑臭水體中衰減曲線

2.2 純氧曝氣對水體溶解氧水平的影響

由圖3可知，設備試驗期間出水口處水體溶解氧水平總體較高，最高值超過溶解氧儀檢測上限20+ mg/L，結果與張紹君的研究一致[16]。在輸水管爆裂期間最低為0.49 mg/L，在停止運行期間加上污水排入時溶解氧水平最低為0.81 mg/L。純氧設備出水口處溶解氧水平在一天內3個時段的變化規(guī)律較為一致，都存在因設備運行時長不同、河道排污、輸水管爆裂等導致波動的顯著規(guī)律存在。前期溶解氧水平存在14:00＞18:30＞8:30的關系，這與設備開停時段有關（8:00—18:00），8:30水平較低與運行時間較短有關，18:30較低則與已關機有關。該處河道水體溶解氧濃度直接反映了設備的開停狀況。當設備24 h開啟后，該點不同時段溶解氧水平差異變小。在24 h模式中三者出現(xiàn)較大差異與該時段輸送管爆裂有關。總體而言12 h運行模式與8 h運行模式導致的溶解氧水平差異不大，而在12 h運行模式（8:00—20:00）下，溶解氧水平存在如下關系18:30＞14:00＞8:30，所有監(jiān)測時段設備都在運行，表明運行時間越久，即使該模式時段期間有污水進入，水體溶解氧水平越高。而在8 h運行模式（8:00—16:00）下，溶解氧水平存在如下關系14:00＞18:30＞8:30，18:30時段溶解氧水平降低與機器關停有關，而仍高于8:30時段，表明純氧曝氣氧氣在水體中的保持能力較強，經過2.5h后仍處于較高水平。

圖3 出水口處水體溶解氧變化情況

由圖4可知，該樣點在試驗期間溶解氧水平較高，表明了出水口來水對該樣點的強烈影響，僅在純氧設備關停時含量<2 mg/L，高含量溶解氧利于污染物降解。該樣點處3時間點溶解氧變化趨勢也較一致，溶解氧受出水口顯著影響，其變化規(guī)律同出水口處較一致。前期存在14:00＞18:30＞8:30關系，隨著運行時間的延長（24 h），三者之間的差異逐漸降低。當純氧設備關停時，三監(jiān)測時段溶解氧水平均快速降低，三者間的差異性也降低。待實施12 h運行模式后，溶解氧水平提升，溶解氧水平存在如下關系18:30＞14:00＞8:30。在8 h運行模式下，溶解氧水平相對12 h模式有所降低，但仍存在18:30＞14:00＞8:30順序關系，相對而言，12 h同8 h模式下的差異性同樣較小。

圖4 150 m處水體溶解氧變化情況

由圖5可知，該樣點處各時段溶解氧變化趨勢與前2樣點規(guī)律一致，表明該純氧設備輻射范圍較大，前期運行時段（8:00—18:00），導致溶解氧水平存在14:00＞18:30＞8:30關系，隨著運行時間延長（24 h），溶解氧水平持續(xù)上升，且三者間差異縮小，輸水管道破裂后溶解氧水平又開始降低，管道修好后溶解氧立即升高，表明純氧設備對水體溶解氧的顯著影響。關機后溶解氧又立即降低，且三者之間差異較小。當運行12 h（8:00—20:00）后，溶解氧水平回升但＜24 h模式下的，由于管道破裂溶解氧又有所降低。在該模式下，溶解氧水平存在如下順序18:30＞14:00＞8:30。曝氣時段包含了監(jiān)測三個時段，表明隨著曝氣時間增加，水體溶解氧水平逐漸增加。在8 h運行模式下（8:00—16:00），溶解氧水平仍存在如下順序18:30＞14:00＞8:30，雖18:30時段設備已經關閉，但溶解氧水平仍較高，同樣表明純氧曝氣在水體中的保持能力較強。

圖5 300 m處水體溶解氧變化情況

2.3 純氧曝氣對水體污染物濃度的處理效果

試驗處理前河水感官上黑臭且渾濁，透明度極低，純氧設備開啟后在無大量排污前提下河水逐漸消除黑臭轉綠，粘稠油膜消失，說明該河道有機污染物迅速削減。水體顏色由灰黑色轉變成為“土黃色”，表明濁度顆粒中還原性無機物轉變?yōu)檠趸瘧B(tài)[16]。研究表明人工曝氣對CODCr、NH3-N和TP有一定去除效果，水質得到好轉[4,14]。通過對河道兩樣點（出水口0 m和300 m）水質監(jiān)測系統(tǒng)研究各污染物濃度變化情況。

由圖6可知，出水口處試驗前期水體NH3-N與CODCr濃度整體呈上升趨勢到達到最大（49.4 mg/L和51 mg/L）后又開始降低，在25 d后降低到最小值（1.52 mg/L和7 mg/L）后一直持續(xù)增加。其中NH3-N增加并未超過之前最高值，而CODCr濃度超過之前最高值。TP濃度變化表現(xiàn)出了同CODCr相同的趨勢，最后濃度也高于之前的最大值。試驗前期各指標濃度存在一定波動，但無較大增加，該時間段水體黑臭渾濁、污水排入導致水位上漲，此外漂浮大量垃圾，該現(xiàn)象表明了純氧設備的作用，雖有大量排污但設備24 h運行使水體溶解氧維持較高水平，加速降解有機污染物，導致污染物濃度未見大幅增加。而后污染物濃度出現(xiàn)快速增加趨勢，這與純氧輸水管破裂有關，影響了設備處理效果。29日后各污染物濃度降低，這段期間純氧設備處于關停階段，同時閘門開啟，水位較低（20 cm），水體異常清澈。該段時間處于春節(jié)前，工廠停工排污較少，加之水淺水清陽光直射有利于微生物的降解，加速污染物的降解，兩者綜合作用共同促進了污染物濃度降低。試驗后期處于春節(jié)后，工廠恢復生產，排污量增大，水體排入乳白色液體，導致透明度僅有15 cm，純氧設備雖有運行但水體營養(yǎng)鹽濃度逐漸升高，這也與后期設備運行時間縮短有關。

圖6 出水口處水體各污染物濃度變化情況

由圖7可知，閘門處（300 m）各污染物濃度變化規(guī)律同出水口較一致，最開始純氧設備長時間運行，污染物濃度快速降低，其中NH3-N濃度從22 mg/L快速降低至10.8 mg/L，但CODCr和TP濃度降低較小。輸水管的爆裂也影響了該點增氧效果，加上污染物持續(xù)排入，導致此時閘門處污染物濃度有個快速增加趨勢，在28日后到達最高值，其中NH3-N濃度為46 mg/L，CODCr濃度為54 mg/L，TP濃度為2.54 mg/L，待管道修復后，各污染物濃度又出現(xiàn)快速降低趨勢，各污染物濃度降幅達37.8%~70.4%，其中NH3-N降解效率最高，TP最低。這與純氧水輸送管修好、排污量減少、水體水位降低及閘門開啟上游較潔凈水體移至閘門口處等有關。隨后監(jiān)測點各污染物濃度持續(xù)增加同樣與春節(jié)過后工廠恢復生產，排污量持續(xù)增大，加之純氧設備運行時間縮短至8~12 h，不足以削減過多污染物有關。

圖7 300 m處水體污染物濃度變化情況

3 討論

純氧曝氣技術可作為水體突發(fā)污染事件應急措施或對河道排污口進行應急處理[16-17]，同時連續(xù)純氧曝氣對底泥有明顯的原位修復作用[16]。通過本研究掌握了純氧曝氣下河道實際溶解氧每段時間的變化規(guī)律和影響因素等，有助于在黑臭河道治理工程上快速找到問題并設計相應參數(shù)進行解決。純氧設備向水體連續(xù)或間歇充入純氧，加速水體復氧以提高溶解氧水平，配合投加微生物從而恢復及提升水中土著好氧微生物活力，在河道內形成多種微生物和水生動物共存的生態(tài)系統(tǒng)，通過各類微生物和水生生物共同作用降解污染物，從而改善河道水質[3,10,15]。在溶解氧作用下，水中H2S、FeS和NH3等在好氧微生物作用下被氧化成 Fe（OH）3和NO3-等，F(xiàn)e（OH）3沉淀在底泥表面形成密實保護層，可減少底泥中污染物擴散釋放，抑制厭氧微生物活動。同時，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+結合底泥中PO43-，降低TP含量。水體溶解氧＞5.0 mg/L 時，硝化細菌進行硝化作用，將水體大部分NH3-N 轉化為硝態(tài)氮，有效降低NH3-N 濃度[18]。曝氣還能增加水體紊動，有效促進底泥中氨氮向水體擴散，這能促進底泥微生物數(shù)量和多樣性的增加，為底泥污染物的生物降解提供良好基礎[3,10]。

研究表明在純氧曝氣初期會對底泥有較大攪動，底泥中的磷會釋放到水體中，引發(fā)初期TP含量的升高，隨著曝氣的持續(xù)進行，水體溶解氧越來越高，部分溶解態(tài)P和Ca離子結合，轉化成難溶的磷酸鈣沉淀，底泥P向水體釋放被抑制，水體P含量逐步下降[17]。底泥會消耗其上覆水體中的溶解氧，長時間曝氣對底泥起到了原位修復作用，隨著曝氣時間的增加，上下層溶解氧濃度差值有變小趨勢，表明底泥中的耗氧物質在不斷被氧化，從而減弱底泥對上覆水體的二次污染[16]。純氧曝氣相對于化學手段更符合環(huán)保理念，改善水體溶氧環(huán)境以促進生物處理，不會引起二次污染。設備安裝工程量及占地面積不大，但其能耗卻不容小視，投資和運行成本比較大，適合在大型工程上輔助使用，同時為更有效治理黑臭河道應以建立和恢復具有生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)結構為原則，還需結合截污納管、雨污分流、海綿城市、原位處理等其他系統(tǒng)工程措施同步實施。

4 結論

（1）純氧設備能快速提升水體溶解氧至20 mg/L以上，溶解氧保持能力較強，能在4 d內仍保持在2.73 mg/L以上水平。純氧曝氣能有效消除河道黑臭現(xiàn)象，對NH3-N削減效果最為顯著，對CODCr和TP 也有一定削減，但排污輸入、管道破裂、天氣等因素會導致效果有所波動。

（2）純氧設備對水體溶解氧水平影響顯著，高濃度含氧水從出水口向下游150 m到300 m方向擴散，能迅速提升全河段溶解氧水平，在擴散過程中，存在部分損失導致下游河段溶解氧水平略低于出水口處。3樣點在24 h運行模式下，溶解氧水平存在：14:00＞18:30＞8:30，三者差異性較小。待實施12 h運行模式后，存在如下關系18:30＞14:00＞8:30。在8 h運行模式下，溶解氧水平相對12 h模式有所降低，但仍存在18:30＞14:00＞8:30順序關系。

（3）溶解氧水平能直觀反映純氧設備開停情況，各樣點各時段都表現(xiàn)出24 h＞12 h＞8 h的規(guī)律，其中12 h與8 h差異較小，基于成本考慮可選擇8 h工作模式。在持續(xù)污染物排入前提下，純氧曝氣配合微生物對污染物具有較好的消解，曝氣時間越長效果越好，設備停機水體污染物濃度呈增加趨勢。