曝气技术在黑臭河道上的研究进展

陈 平，倪龙琦

（东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆163318）

当今社会经济在不断地发展，但对水环境的保护却不断忽略，一味追求经济的利益，从而造成了大量的生活污水及工业废水无节制的排入河道中的现象，水体超负荷容纳外源性污染物，同时内源性污染物氮，磷等营养盐的释放引起藻类大量生长和繁殖，水中溶解氧含量降低，水质显著下降，大量的水生生物由于缺氧而死亡，水体生态系统的稳定遭受了破坏，水体变黑变臭。儿童在100m范围内短时接触黑臭水体所受的健康危害远大于成年人[1]。全世界许多河道都出现了水体黑臭的现象[2]。近年来，我国也越来越重视黑臭水体的治理问题，《2016年中国环境公报》指出我国开始对1286个黑臭水体开始重点整治。解决河道污染及生态修复的关键是选取适宜的治理技术[3]。

根据河道受污染后缺氧而导致黑臭的特点，采用人工曝气技术增加河道中溶解氧含量，提高水中耗氧微生物的活性，同时对河道底泥中氮磷等营养盐的释放产生了抑制作用，防止水体产生黑臭现象[4]。

1 人工曝气技术的分类

目前，国内外用于黑臭水体修复所采用的人工曝气技术包括水下射流曝气设备、纯氧充氧曝气系统、微气泡曝气系统、叶轮曝吸气推流式曝气器设备等[5]。

1.1 水下射流曝气设备

射流曝气设备的运行原理是利用潜水泵将水抽取，再经泵体增压后高速推出，管道用于装置出水，并且水射器将空气吸入水体中形成气-水混合状态经水力切割后流入水体。水下射流曝气设备易于安装，占地面积极小，噪音小但若出现故障问题时维修较繁琐。

1.2 微气泡曝气系统

微米曝气作为新一代高效曝气技术与普通曝气技术相比，它具有气泡直径小（一般小于50μm），更高的氧传质效率，更大的表面积且水力停留时间较长[4]。洪涛[6]等人采取微气泡曝气法和普通曝气法治理北京市黑臭水体，结论是与普通曝气方式相比微纳米曝气的DO浓度提高 3mg·L-1，CODCr提高12%，NH3-N、提高10%，TP提高9%。总体对黑臭水体的去除效果较好于普通曝气方式，但由于现在的研究仍处于实验室水平对许多方面的认知仍不够，实际应用仍需要进一步确定。

1.3 纯氧曝气系统

纯氧曝气系统原理是采用深冷分离制氧，变压吸附制氧制取纯度高达90%以上的O2，用以替换空气。虽然纯氧曝气系统效率较高但由于其需要专门制备氧气的设备（PSA）导致其运行成本较高，不能广泛应用[7]。

1.4 叶轮吸气推流式曝气器

叶轮吸气推流式曝气设备是湖泊、河道中人们的最常用的充氧的办法之一。通常由电动机、转动轴、叶轮、进气甬道等构成。其原理主要是高速运行的叶轮在进气甬道内形成低于大气压的压力，吸入空气，叶轮将空气转化为微小气泡射入水中。其优点是安装方便；受水位影响；小维修简便等。但由于叶轮容易被堵塞缠绕；较浅水位上运行时容易绞起底泥；影响航运。该技术曾应用于我国，1990年为保证亚运会成功举办，在北京小清河中放置8台美国的Aire-O2曝气设备，通过叶轮抽吸气体推流式曝气器向水中充氧气，DO浓度上升到5～7mg·L-1在使用曝气技术的区域内。

2 单工艺曝气技术修复黑臭水体

早在20世纪50年代，国内外许多学者们就已经对人工曝气充氧技术开始了研究与应用。1977年和1985年英国泰晤士河上分别运行了10tO2·d-1和30tO2·d-1的曝气复氧船显著优化了大雨期间地面径流的冲击负荷污染，水中溶解的增加减少了水生动植物的死亡。1989年美国在Hamewood河道上安装了曝气设备，简易的曝气设备也增加了水中溶解氧含量。德国于1994年在柏林河道上启动了曝气复氧船大大的维系了河道中生态系统的平衡。在国内，1990年亚运会期间安装8台11kW的曝气设备向水中充氧，效果明显。

2.1 河道曝气技术

上海市利用曝气复氧治理苏州河道雨天黑臭问题，由于苏州河黑臭的原因是河道北新泾下游17km处，37座泵站直排导致水体被突发式冲击负荷污染，宜选用曝气充氧船和固定式充氧站治理，保证河道中溶解氧浓度大于4mg·L-1，可使河道在晴天时消除黑臭恢复河道内生态平衡，雨天时减少冲击负荷造成的黑臭影响[8]。

李开明[9]等人于广州市朝阳涌上游黑臭河段现场分别采用功率相同的3种不同曝气式样的曝气设备（叶轮式曝气设备，水车式曝气设备，射流式曝气设备）进行黑臭河道的曝气增氧试验，河道经水射器曝气充氧后溶解氧浓度最高可达5mg·L-1，CODCr最高去除率达到33.3%，NH3-N的最高去除率为26%。水车式曝气机的充氧效果、NH3-N、CODCr的去除效果，还是河体内生物生态系统的稳定和自净都优于其它两种设备。试验结果表明针对于河道狭窄，截污困难以及水流速度较慢的小型黑臭河道的治理宜应用水车式曝气增氧设备。

德国梅塞尔公司帮助上海环境科学研究院在上海苏州河下游开展了BIOX（微孔曝气工艺和纯氧曝气工艺优点组合结合形成微气泡纯氧曝气技术）工艺。此河COD高达100～200mg·L-1，河道流态复杂。经治理后当河流流速较平缓时，COD降低19.5%～55.6%，B/C从0.46降至0.4，溶解氧浓度上升至9mg·L-1。由于不受河流稳态的影响，该工艺适用于用于水上航运较多及被污染的旅游景观性河道的曝气复氧治理[7]。

2.2 底泥曝气技术

一些研究人员对底泥曝气进行了探究，分析了底泥曝气对磷[10]、重金属[11]、硫化氢产生的影响。雷恒毅[12]等人将广州市荔湾区受污染较严重的河道作为研究对象，结合河道的特点采用底泥曝气（箱筏式射流曝气船和TRSS底泥稳定剂。底泥的氧化还原电位从（-210±17.5）mV 增加至（220±15）mV，硫化物在底泥中的降解率已达到86.35%～92.1%，经治理后底泥中重金属形态稳定，释放量降低了79.5%～87.2%，TP的去除率在90%左右，消除了河道的黑臭状态，底泥颜色变浅并且恢复了河道的稳态。对底泥进行曝气可加快水体DO的恢复，有效控制水体中COD Mn、NH3-N和TP的释放[13]。氮磷含量的超标是黑臭水体内的主要问题，底泥中内源污染成为水体污染的主要来源在外源污染得到控制后。

何岩[14]等人通过进行对黑臭河道的实验模拟，可以得出结论可利用间歇曝气或低氧连续曝气（空间内好氧环境和缺氧环境的交替）实现对底泥内源氮硝化作用和内源氮反硝化作用的有效耦合减少底泥中氮负荷，较好的控制内源氮的释放。

3 人工曝气技术与生态修复技术协同治理黑臭水体

人工曝气生态净化系统即生态水处理工艺辅以曝气复氧，用于处理城市景观河道治理一方面可降低水体中污染物使水体净化，另一方面为人民提供有观赏价值的水上绿植，实现污水资源化运用[15]。生物促生剂可对地表水[16,17]、底泥[18]进行修复,但独立使用生物促生剂治理黑臭水体时,上覆水及底泥中溶解氧含量较低，NH3-N、TP、COD等指标含量较高[19]。并且治理黑臭河道过程中常用的物理方法是曝气。因此，生态修复技术可配合曝气技术联合应用。

韩大巍[20]等人通过对北京昌平区内河道内的上侧水体及底泥进行取样试验，使用曝气（间歇性曝气）和生物促生剂共同治理水体60h后COD去除率为50%，TP降低98%，NH3-N降低78%，同时由于释放出更多的磷，底泥厚度减小。在联合修复过程中间完全驯服河道内微生物仅需一个月时间，这更有利于微生物繁衍。由此可见联合工艺的协同作用更能表现出优良的修复价值。

金承翔[11]等人利用人工曝气充氧，增添功能性微生物菌剂（光合菌剂，硝化细菌），生物促生剂，放养水生值物（凤眼莲）联合作用治理上海市普陀区黑臭河水。10d后经工艺协同处理的水体中CODCr去除率可达77%，BOD5去除率达91%，NH3-N去除率达93%，TP净化率达76%水中藻类生物降低生态系统趋于稳定。而单独使用生物促生剂的水体CODCr和BOD5的去除率分别为54%和77%，TP含量基本无变化。结果表明组合技术协同作用明显优于单一技术，可使水中有机污染物含量快速降低，恢复水体生态平衡。曝气可以迅速增加水体中溶解氧含量，水体中的污染物可由厌氧发酵转化为好氧矿化，提高水体净化能力。生物促生剂和微生物剂投加，则可使水体净化进一步加强并缩短修复周期。

徐玉良[21]等人利用生物膜自净设备及微气泡增氧系统，培植生植物（千屈菜，芦苇，梭鱼草等）投放水生动物（鱼，螺等）对昆山市凌家浜黑臭水体进行治理。2013年10月DO浓度达到10mg·L-1，COD降低了77%，TP去除率达到71.4%。TN去除率达到78.36%。结果表明该技术可提高水中溶解氧含量和增加透明度，若加强管理，可从根源上恢复河流的生态系统。

同时针对于不能在短期内完全拦截的黑臭河道可采用曝气复氧+微生物菌剂的原位生物增强技术进行治理[22]。卢丽君[18]利用曝气充氧和生物促生剂（MTBE）协同作用治理受污染底泥大量刺激了好氧微生物的增长，且反硫化细菌数降低，硫化氢气体产量降低，有效改善水体黑臭现象。但由于其侧重于底泥修复而对上覆水治理效果不理想，仍需继续探究选择最优的曝气方式。

4 结论

黑臭水体的治理应遵循“综合性，安全性，经济性，长效性”，人工曝气技术占地面积小，效率高，运营成本低，等优点同时即可单独使用治理黑臭水体，提升上覆水中溶解氧含量，抑制沉积物中氮磷的释放，并采用生态修复技术（生物膜、生物促生剂等）协同作用治理黑臭水体且其作用效果远大于单独使用曝气或生态修复的方法。然而从目前的角度来看生态修复技术协同曝气的新型处理正在探索中，并没有得到改善。在未来实践中,还需探索更深层次的联合处理手段，针对于不同地区，河道的周边环境和水流的紊态程度等选用不同曝气方式和生态修复种类为城市水体处理提供更优化的技术方式。