纯氧曝气在河道排污口应急处理上应用效果探究

郭跃华，程 浪，李瑞博，吴胜春

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518102)

1 引言

近年来我国社会经济发展取得了巨大成就，但对资源消耗和环境污染的负面影响逐渐凸显，已经成为了制约我国可持续发展的瓶颈。水作为生命生产生活的重要资源，存在着前所未有的水质的功能危机，水体黑臭严重影响市民的生活环境和身心健康，水质超标严重威胁水生生物的生存和生产开展。2015年发布的《水污染防治行动计划》提出，到2020年全国地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内，到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除。在黑臭水体治理过程中，保持水体中足够溶解氧，对于水质改善至关重要。因此，如何增加水体中的溶解氧是黑臭水体治理中的研究热点。目前常用的增氧方式分为人工增氧和自然增氧，人工增氧较自然增氧具有更宽泛的使用范围和边界条件，因而被工程项目广泛采纳。曝气作为人工增氧的主流措施被设计到系统治理工程中，常见措施包括：射流曝气、喷泉曝气、跌水曝气、微孔曝气和微纳米曝气等。这些曝气方式共同的特点，是采用空气作为氧原子的供体，通过扩散的方式溶解到水体中增加水体的溶解氧的含量。然而在常温常压下，空气中氧气分压较小，体积比仅为21%，实际供氧的能力非常有限。赵启超等在研究清水氧传质性能试验结果表明，旋流曝气器、膜片式微孔曝气器、微纳米曝气装置，标准氧传质效率分别为2.4%、2.8%、31%[1]。工程实践也证明采用空气曝气的方式快速提高水体中溶解氧效果并不理想，因此需要探索更高效的曝气增氧方式。纯氧曝气作为一种水体快速充氧的方法，在国外河道治理中已有成功案例。在国内，纯氧曝气在污水处理好氧工艺单元上也有一定的应用研究基础，但在开放的黑臭河道综合治理上的研究比较少见。在本文中，笔者通过在黑臭河道点源排污口上应用纯氧曝气措施对其快速改善水体黑臭效果进行探究；结果表明：纯氧曝气能够快速消除水体感官黑臭，对化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)具有显著消除的效果，但对氨氮(NH3-N)的去处效果并不理想。

2 试验材料与方法

2.1 排污口参数及水质

试验地点为海口市龙昆沟南大桥下，点源排污口口径大小为3 m×2.5 m，在污水口建设长18 m，宽6 m，深2.5 m的调蓄池；晴天为管道污水溢流，溢流量为104 t/h，雨天混进大量的雨水，溢流量增加。溢流水质指标：溶解氧(DO)0.15 mg/L、氨氮(NH3-N)20.38 mg/L、总磷(TP)5.48 mg/L、化学需氧量(CODCr)53 mg/L，水温(WT)28 ℃。

2.2 曝气设备参数及材料

选用日本奥诚环境株式会社的低压纯氧溶解装置(图1)，型号为RO-919，占地6 m2，出水流量180 m3/h，日处理量4320 m3/d，综合耗氧量80 kg/d，直径(Φ)91.8 cm，高(H)288.6 cm；进水管为国产标准型Φ160，水泵功率3.3～7.7 kW，工作电流10 A，扬程14 m，纯氧采用华南特种气体生产的工业级瓶装液态氧。

2.3 周期、仪器与分析方法

在曝气启动后每隔1 h监测1次溶解氧的浓度，连续监测8 h；每隔1 h观测1次水体颜色及透明度变化，连续观测3 h；每隔2.5 h监测1次氨氮、化学需氧量、总磷浓度的变化，连续监测30 h。溶解氧(DO)测定采用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的雷磁品牌溶氧仪，氨氮(NH3-N)采用纳氏比色法进行测定，化学需氧量(CODCr)采用重铬酸钾法测定，总磷(TP)采用分光光度法测定。

图1 低压纯氧溶解装置

3 结果与分析

3.1 溶解氧变化趋势分析

图2显示调蓄池内的溶解氧浓度随时间变化图。从图中可以看出，当纯氧曝气设备开启后，调蓄池中污水的溶解氧浓度不断上升，调蓄池中污水起始溶解氧浓度为0.15 mg/L，曝气0.5 h后溶解氧浓度上升到4.21 mg/L，1 h后溶解氧浓度上升到10.37 mg/L，2 h后溶解氧浓度上升到16.74 mg/L，3 h后溶解氧浓度上升到23.29 mg/L，4 h后溶解氧浓度上升到27.81 mg/L，5 h后溶解氧浓度上升到32.73 mg/L，达到最高值，持续曝气溶解氧浓度不再发生变化，水体中的溶解氧实际含量由供氧量和耗量的差额决定的。图2显示，在曝气初期由于污水中好氧物质较多，曝气设备提供的氧气优先被污水中的好氧物质消耗。连续曝气0.5 h，污水池中的溶解氧浓度仅达到4.21 mg/L。随着纯氧曝气的持续进行，1 h后调蓄池中溶解氧的浓度上升到10.37 mg/L，达到了空气曝气提升水体溶解氧的极限值。有研究表明，在标准状况下，纯氧在水中的饱和溶解度可以达到49 mg/L，而空气曝气时氧气的饱和溶解度只能达到10 mg/L[2]。此后的3个小时内，污水池中的溶解氧浓度以每小时4～6 mg/L的速度增加，5 h后最终停留在31～33 mg/L之间波动，不再显著上升。这可能污水中的耗氧物质基本消除，水体中纯氧达到了饱和溶解度，多余的溶解氧通过气泡的形式溢出到大气中，供给与溢出达到了动态平衡。

3.2 水体感官变化分析

图3调蓄池中水体的颜色曝气前后对比效果。从图中可以看出随着溶解氧的不断提升，调蓄池中的水体颜色逐渐发生变化。曝气前水体呈现墨黑色，水体透明度为5 cm；曝气0.5 h后调蓄池中水体颜色变化成灰白色，水体透明度为13 cm；曝气1 h后调蓄池中水体中颜色再次变化成土黄色，水体透明度为30 cm ；曝气2 h后调蓄池水体的颜色变成淡黄色，水体透明度明显提高达到50 cm，水体表层开始出现白色泡沫。之后几小时持续曝气水体颜色变化不显著，透明度变化不明显。

研究表明水体发黑现象是多种因素综合表现的结果。当大量有机耗氧物质进入水体后，水体中的溶解氧不断下降，在微生物的作用下，有机硫被分解和硫酸盐被还原，最终产生硫化氢(H2S)；铁的氧化物和氢氧化物被还原成二价铁离子，当溶解氧进一步减少甚至水体呈现厌氧状态时，二价铁离子与硫化氢结合形成硫化亚铁(FeS)；FeS是黑色沉积物，水体中微小的悬浮物质会吸附一部分FeS，而部分沉积于水底的FeS沉积物还会在厌氧分解产生的气体或气泡的托浮作用下重新进入水体，在其他因素的协同作用下，使水体呈现黑色[3]。罗纪旦等[4]通过试验发现，水体发黑与悬浮颗粒有直接联系，悬浮颗粒中的致黑物质主要是腐殖酸和富里酸。应太林等[5]对苏州河水体黑臭机理进行研究，通过沉淀分离、充氧及氧化还原电位测定等试验，发现悬浮颗粒对水体致黑起到主导作用，并指出悬浮颗粒中的腐殖酸和富里酸吸附络合Fe、Mn和S形成的化合物成为主要致黑物质，并证明了二价铁离子在致黑方面的主导作用。

图2 水体中溶解氧浓度随时间的变化

当低压纯氧溶解装置启动后，水体中溶解氧不断增多，氧化性不断增强，氧化还原电位也随之升高，水体中悬浮态Fe、Mn和S形成的络合物逐渐被氧化解体，铁、锰离子被氧化成高价态，黑色物质浓度逐渐降低，这是水体颜色从黑色、灰白、土黄再到淡黄色变化的主要原因。由于水和氧气是在低压溶氧设备中完成接触反应后外排到调蓄池水体中，水体中的溶解氧因压力减小不断从水体中均匀溢出，形成微小的气泡颗粒形成气浮效果，将比重小于1的难溶性物质进行去除，比重较大的颗粒物沉降到水体底部。随着试验的推进，水体透明度不断增加。

图3 调蓄池中水体的颜色曝气前后对比

3.3 氨氮变化趋势分析

图4调蓄池中氨氮浓度随曝气时间的变化图。从图中可以看出低压纯氧溶解装置启动前，调蓄池中的氨氮含量为20.38 mg/L；连续曝气30 h，氨氮的浓度在19.25～23.95 mg/L之间变化，最大变幅为4.70 mg/L，最小值出现在曝气5 h后19.25 mg/L，最大值出现在曝气10 h后23.95 mg/L，总体呈现先上升后平稳的趋势，曝气结束时氨氮的浓度停留在23.05 mg/L，较曝气启动前升高13%。

水体中的氨氮主要来源于含氮有机化合物的分解，在曝气初期水体中氨氮呈现上升态势，这可能与曝气对底泥的扰动有关。当曝气启动时，曝气的进水端和出水端对底泥产生剧烈的扰动，底泥中的氨氮释放到水体中，引起水体中氨氮的升高。当设备正常运行后，底泥的搅动越来越小，水体中的处于氨氮平衡状态。氨氮主要是依靠硝化细菌进行转化，在有氧条件下消化细菌把氨氮转化成硝酸盐氮，但硝化细菌的生长速率十分缓慢，长期处于厌氧状态的生活污水中硝化菌种含量较低，pH值处于酸性状态，这些都不利于硝化反应的进行，因此氨氮浓度没有呈现下降趋势。陈诚等[6]研究了臭氧在水厂的应用效果。研究结果表明，有机物经过臭氧氧化后，分子量在3 K～1 K范围内的有机物会有较大幅度的上升，分子量小于1K的有机物变化不大。氨氮属于小分子物质，分子量小于1 K，因此不能被直接氧化，仅靠单纯的纯氧曝气无法降解和转化水体中的氨氮。张绍君等[7]研究纯氧曝气对河流黑臭现象的工程控制效果时，指出纯氧曝气工艺能够将河水溶解氧的浓度从零迅速提高到20 mg/L，但对氨氮的去除效果不显著。张鞠萍等[8]研究曝气生物滤池时也发现类似的现象，曝气24 h后氨氮质量浓度基本没什么变化，甚至略有上升。Shilo M等[9]在实验条件下研究硝化细菌的增殖情况，结果表明硝化细菌增殖1倍至少需要26 h。

因此，氨氮浓度不但没有下降反而略微上升的主要原因，可能是硝化细菌休眠体还未被充分激活没能起到降解氨氮的作用，然而水体中少量异养微生物却能迅速大量繁殖，并生物降解有机物，产生微量氨氮代谢产物。氨氮释放和消耗处于短暂的动态平衡，后期添加硝化细菌氨氮快速下降，也证实了这一点。

图4 调蓄池中氨氮浓度随曝气时间的变化

3.4 化学需氧量变化趋势分析

图5为调蓄池中化学需氧量浓度随曝气时间的变化图。从图中可以看出低压纯氧溶解装置启动前，调蓄池中的化学需氧量(CODCr)浓度为48.03 mg/L；连续曝气30 h后，CODCr的浓度变化区间50.98～21.09 mg/L，最大值出现在曝气5 h后50.98 mg/L，最小值出现在曝气15 h后21.09 mg/L，浓度变幅为29.89 mg/L；曝气10 h后CODCr不再显著下降，CODCr浓度在22.71 mg/L左右波动，较起始CODCr浓度相较下降53%。

化学需氧量反映了水中受有机物污染的程度,是衡量水体污染的重要指标之一。在同等条件下，异养菌相对自养菌具有较强的竞争优势，曝气初期随着水体中的溶解氧升高，异养菌快速响应，优先利用水体中的CODCr，进行新陈代谢活动和有机物分解活动，这可能是曝气初期CODCr快速下降的主要原因。随着CODCr浓度的逐步降低，有机部分越来越少减少，无机部分比重越来越大，降解速率放缓或停滞。因此曝气后半段CODCr浓度维持在21～22 mg/L之间波动。张绍君等[7]通过对纯氧曝气在黑臭河道中应用的研究，结果表明曝气后河水的化学需氧量的去除率为23%～45%；德国MESSER集团协助上海环境科学院在上海苏州河支流新泾港下游进行了纯氧曝气工艺的现场中试，试验结果表明，纯氧曝气可以有效降低黑臭水体中化学需氧量的浓度，当河水流速较平缓时，化学需氧量的去除率为19.5%～55.6%[10]，这与研究的结果十分类似。

图5 调蓄池中化学需氧量浓度随曝气时间的变化

3.5 总磷酸盐变化趋势分析

图6为调蓄池中总磷酸盐浓度随曝气时间的变化图。从图中可以看出低压纯氧溶解装置启动前，调蓄池中的总磷酸盐(TP)浓度为5.48 mg/L；连续曝气30 h后，TP的浓度变化区间6.07～3.46 mg/L，最大值出现在曝气5 h后6.07 mg/L，最小值出现在曝气30 h后3.46 mg/L，浓度变幅为2.61 mg/L；曝气10 h后TP浓度不再显著下降，在3.71左右波动，较起始TP浓度相较下降32%。当含磷物质进入水体后，受到沉积物中各种条件的影响，会在水与底质的界面上不断地交换；溶解态的磷可以被底质吸附进入沉积物中，沉积物中的磷也可以在一定条件下不断地向水中释放。在曝气初期，曝气设备的启动，对底泥有较大的搅动，底泥中的磷部分释放到水体中，引发曝气初期的TP浓度的升高，随着曝气的持续进行，水体中的溶解氧越来越高，部分溶解态的TP和水体中溶解态的Ca离子向结合，逐步被转化成难溶的磷酸钙而沉淀，底泥向水体释放磷的过程被抑制，水体中TP的含量逐步下降，在曝气10 h后TP下降到最底水平。张丽萍等[11]在对近春湖底泥的研究中发现，磷的释放过程受厌氧过程和底泥颗粒吸附的影响，耗氧速率高的底泥具有更大的磷释放潜力；这表明提高水体的溶解氧，可降低底泥磷的释放，有助于水体中TP的稳定。

图6 调蓄池中总磷酸盐浓度随曝气时间的变化

4 结论

本文通过对纯氧曝气在河道排污口应急处理上应用效果探究。得到结论：纯氧曝气能够快速提升水体的溶解氧，0.5 h可以将水体的溶解氧从0.15 mg/L提高到4.21 mg/L，5 h内水体中的溶解氧达到32.73 mg/L。纯氧曝气可以使水体的颜色快速变化透明度显著增加，0.5 h水体黑色变成黑白色，2 h水体变成淡黄色，水体透明度从5 cm提高到50 cm。纯氧曝气可以在10 h内将污水中CODCr从48.03 mg/L消减到22.71 mg/L，消解率为53%。纯氧曝气可以在10 h内将污水中TP从5.48 mg/L消减到3.71 mg/L，消解率为32%。纯氧曝气对氨氮的去除效果不好，曝气后水体中的氨氮升高了13%。

5 展望

城市黑臭河道水体污染治理是我国开展环境治理，促进生态文明建设稳步推进的重要举措。探索黑臭水体综合治理的有效措施，化解黑臭水体对水生态系统的长期困扰，成为了国家与社会的迫切需求。本文针纯氧曝气在河道排污口应急处理上应用效果进行探究，结果表明纯氧曝气可以快速消除黑臭，能够有效改善水体感官效果，对CODCr、TP有一定的降解效果，但对氨氮的去除效果不好。如何进一步提高纯氧曝气对氨氮的降解效果，需要与硝化细菌相耦合，充分平衡水体中溶解氧与硝化细菌的动态关系，最大效率发挥对水体净化作用，是未来需要进一步研究的重点和难点。