曝气技术对黑臭水体治理效果影响的研究进展

刘丽香，韩永伟*，刘 辉，高馨婷，侯春飞，熊向艳，阿 彦

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 010021

城市黑臭水体除影响城市生态环境外，还对人们的生活和健康造成了严重影响[1].目前黑臭水体水质虽已明显改善，但水体中氮、磷等元素含量仍超标，水质很难达标[2].人工曝气复氧是黑臭水体提升水质的重要技术措施之一[3]，已被广泛应用于黑臭水体治理工程中，并取得了良好的效果.尽管曝气可增强黑臭水体的自净能力已经得到了广泛认可，但曝气效率仍缺乏定量阐释，特别是曝气对黑臭水体中污染物去除率的影响研究.曝气效率在很大程度上决定着黑臭水体治理的曝气设备选择和治理效果.因此，对曝气效率的深刻理解不仅可以科学选择曝气器和曝气条件，还有助于优化曝气边界条件.但是由于曝气对污染物迁移转化机理的复杂性，目前曝气效率仍存在极大的不确定性.

已有研究主要集中在人工曝气技术的净化机理[4]、曝气设备及其应用[5-10]、曝气对污染物浓度影响等方面[11-16]，缺乏不同曝气技术的复氧效率及其对污染物的去除率等方面的研究，如曝气技术的复氧效率、边界条件、提升水质效果等研究尚未定论.该研究在已有研究的基础上，阐述了不同曝气技术的复氧效率及其对水中ρ(DO)的影响，分析了不同曝气技术改善黑臭水体水质的效果，并对曝气方式、曝气时间、曝气深度和曝气强度等因素对污染物去除率的影响进行了系统梳理，以期为黑臭水体治理提供数据参考.

1 曝气技术对黑臭水体的复氧效果

1.1 曝气复氧效率

曝气技术即人工复氧，是采取手动或自动的方法向水体补充空气或纯氧，增加水体中ρ(DO)，改变水体黑臭现象，恢复水体自净能力.根据增氧的原理不同，曝气技术可分为手动和自动曝气.手动曝气技术分为鼓风曝气、机械曝气和纯氧曝气.鼓风曝气和机械曝气向水体补充的是空气，纯氧曝气向水体补充的是纯氧气.鼓风曝气又分为微气泡曝气、中气泡曝气、大气泡曝气和动态曝气.机械曝气主要指叶轮吸气推流式曝气，是叶轮机械搅拌时实现复氧.以上不同手动曝气技术的复氧效果存在差异[17]，如表1所示.

表1 不同曝气技术的比较Table 1 Comparison of different aeration technologies

手动曝气中，纯氧曝气的复氧效率最高，大气泡曝气的复氧效率最低;微孔曝气、中气泡曝气、大气泡曝气虽然复氧速率相对较快，但因孔洞容易堵塞影响其复氧效果，复氧效率分别为20%～25%和6%；但动态曝气系统由于是大孔排气，不易堵塞，氧气利用率比较稳定，其复氧效率为15%～19%[18]；叶轮吸气推流式曝气技术复氧效率为50%～62.8%[18].根据充氧所需的氧源而分类，有纯氧曝气与空气曝气.纯氧曝气的复氧效率最高，可达70%，因为在纯氧曝气中，氧气的转移速率是空气曝气系统的4.7倍，曝气时间仅是空气曝气的1/3[17].根据工作原理分类，又可分为纯氧-微孔管曝气技术、纯氧-混流增氧曝气技术、鼓风机-微孔布气管曝气技术、曝气复氧船、太阳能曝气机、水下射流曝气技术、叶轮式増氧机等.纯氧-微孔管曝气、纯氧-混流增氧曝气和鼓风机-微孔布气管曝气的复氧效率分别为15%、70%和25%～35%[19-20]，目前还鲜见其他几种类型复氧效率的研究报道.

自动曝气复氧时间短，效率高，水中ρ(DO)较稳定.自动曝气技术通过科学调节曝气量，使水中ρ(DO)在1.0～2.0 mg/L之间，其电耗只占到传统曝气的80%～90%，出水水质较传统曝气有一定提高，如曝气1 d后，传统曝气出水ρ(CODCr)为40 mg/L，精准曝气出水ρ(CODCr)为32 mg/L[21].

1.2 曝气对ρ(DO)的影响

曝气技术已优先应用于城市黑臭河道的治理，并在国内外水体污染治理中取得了较好成效,如英国泰晤士河、德国鲁尔河、德国萨诺河以及中国福州市白马支河、杭州市肖家桥港、昆山市同心中心河和上海市徐汇区新港河等水体中ρ(DO)都得到了显著提高[22]，水质均有所改善.

国内外野外和室内模拟试验结果表明，曝气可以提高水体中ρ(DO)，但不同曝气方式提高的量不同.纯氧-微孔管曝气最早应用在德国的恩舍尔河治理中，该方式使曝气口处ρ(DO)升至15 mg/L，离曝气设备的距离越远，ρ(DO)也越低，同时，治理德国的特尔托运河也采用了该曝气技术，使ρ(DO)从原来的6.3 mg/L升至7.8 mg/L[23]；治理苏州河支流新泾港中使用该曝气技术，使水体中ρ(DO)升至9.46 mg/L[24].治理北京清河黑臭河道中使用叶轮吸气推流式曝气，使水体中ρ(DO)从0 mg/L升至5～7 mg/L[25]；治理竺山湖符渎港中使用叶轮吸气推流式曝气复氧1 h后，发现ρ(DO)较复氧前升高了50%～62.8%[26].英国泰晤士河采用纯氧-混流增氧曝气技术进行治理，使水体中ρ(DO)升高了6.8%[27].王文林等[28]在张家港市重污染河道花园浜河治理中引入了太阳能曝气治理技术，使底层水体中ρ(DO)升高了5～8倍.陈玉霞[29]采用鼓风机-微孔布气管曝气开展室内模拟曝气试验，发现不同曝气条件下ρ(DO)最高可提升4～8倍，ρ(DO)增加量为0.93～6.54 mg/L.张一璠[30]采用叶轮式增氧机曝气，使水体中ρ(DO)增加范围为0.93～7.02 mg/L.

曝气增氧简单、快捷、见效快、无二次污染，能快速提高水体中ρ(DO)至3 mg/L以上.鼓风曝气占地面积大、投资大、复氧效率高；微孔曝气在鼓风曝气分类中复氧效率最高，适合于任何污水处理，特别是污染较重水体；机械曝气设施简单、集中，占地面积小、投资少，适合于中小规模污水处理，特别是水产养殖污染水体；纯氧曝气占地面积小、投资大、安装方便、不易堵塞、复氧效率最高.各种曝气技术的特点和适用范围见表2.

表2 不同曝气技术的特点Table 2 Characteristic of different aeration technologies

2 曝气对黑臭水体中污染物去除率的影响

虽然各种曝气技术都已广泛应用于黑臭水体水质净化的应急处置中，但已有研究都是关于曝气技术在黑臭水体中水质净化的应用报道[18-20]，而定量分析其对黑臭水体中污染物影响的研究还相对较少.以下主要从单独曝气技术、曝气方式、曝气与其他治理技术结合、曝气位置、曝气时间、曝气深度和曝气强度等方面探讨曝气对有机物、氮、磷等污染物的去除率.

2.1 单独曝气对黑臭水体污染物去除率的影响

2.1.1单独曝气对黑臭水体有机物去除率的影响

单独曝气后，黑臭水体中CODCr去除率在19.5%～84.8%之间，BOD5去除率范围为56.4%～88.2%，且叶轮吸气推流式曝气后黑臭水体中污染物去除率最高.王美丽等[31]发现，在最优的曝气条件下，微孔曝气后黑臭水体中CODCr去除率为51.39%.纯氧-微孔管曝气在治理上海市苏州河支流新泾港的工程中得到应用，3个月内水体中CODCr去除率范围为19.5%～55.6%[24].上海市徐汇区环境保护局在治理上澳塘潘家桥河段试验中使用鼓风机微孔布气管曝气技术，曝气充氧1个月后，水体中BOD5去除率在56.4%～72.5%之间，CODCr去除率范围为48.5%～61.0%[32].1990年治理北京市清河黑臭水体河道中采用叶轮吸气推流式曝气技术发现，近1个月内，水体中CODCr平均去除率达80%(范围为79.9%～84.8%)，SS去除率范围为76.7%～81.9%，BOD5去除率范围为74.7%～88.2%[25].张家港市重污染河道花园浜河中引入了太阳能曝气治理技术，水体中CODCr去除率达37.2%[28].李开明等[33]通过3种曝气技术比较，发现水体中CODCr去除率顺序为水车式增氧机>叶轮式增氧机>射流式增氧机，使用水车式增氧机和叶轮式增氧机后水体中CODCr去除率分别为33.3%和24%，使用射流式增氧机后CODCr去除率最低.

2.1.2单独曝气对黑臭水体氮磷污染物去除率的影响

曝气可以有效去除水体和底泥中氮、磷等污染物，水体中NH4+-N去除率在3.2%～45.6%之间，太阳能曝气技术的去除效果最好.微孔曝气对黑臭水体中NH4+-N、TN和土臭素的平均去除率分别为44.10%、38.96%和44.80%[31].太阳能曝气治理技术对黑臭水体中TN、NH4+-N、TP的最大去除率分别为16.9%、45.6%和33.5%[28].孙从军等[32]探讨了鼓风机微孔布气管曝气对水体中污染物的去除效果，发现曝气1个月后，水体中NH4+-N去除率达25.6%～40.0%.采用叶轮吸气推流式曝气技术曝气1个月，北京清河黑臭河道水体中NH4+-N去除率为15.8%～45.0%[25].3种不同曝气技术对水体中NH4+-N去除率顺序为水车式增氧曝气>叶轮式增氧曝气>射流式增氧曝气，水体中NH4+-N去除率分别为26%、15%和3.2%[33]，3种不同曝气技术主要是通过影响水中ρ(DO)而间接降低水中污染物浓度，达到去除效果.

2.2 曝气与其他技术结合对黑臭水体污染物去除率的影响

单独曝气可去除黑臭水体中有机物、氮、磷等污染物，但曝气与其他技术结合治理黑臭水体后，污染物去除率高于单独曝气处理后污染物的去除率[17]，如表3所示.刘兰[34]发现，单独曝气作用后水体中CODCr和BOD5去除率分别为45%和50%，单独化学氧化作用后其去除率分别为50%和60%，但2种方法结合后其去除率分别达85%和90%.胡湛波等[35]研究表明，生物促生剂治理黑臭水体后，水体中CODCr去除率为42.6%，而使用药剂与曝气结合后水体中CODCr去除率达46.8%.雷恒毅等[36]采用底泥曝气、底泥稳定化及激活土著微生物等集成技术进行重污染感潮河道黑臭治理试验，发现通过底泥曝气底泥中硫化物浓度可降低95.7%，稳定化后底泥中Zn、Cr、Cu、Pb的释放量可降低85%～95%，硫化物浓度小于15 mg/kg.针对温州北山河黑臭河水中ρ(CODCr)已高达1 550 mg/L的现状，肖继波等[37]采用厌氧生物膜床结合水生植物带工艺进行综合治理，发现水体中CODCr、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、NH4+-N去除率分别达85%、99%和54.1%以上，治理后黑臭完全消除.针对河北省东部某黑臭河流治理项目，李捍东等[38]开展了微孔曝气-微生物-人工湿地组合工艺处理黑臭河水的中试研究，经过2个月的运行后，发现水体中ρ(CODCr)、ρ(NH4+-N)、ρ(TP)分别从519、11.5、6.5 mg/L左右降至33、1.5、0.25 mg/L.吴林林[39]在上海市工业河采用生物净化槽中试装置处理黑臭水体试验，发现使用该方法后水体中BOD5、CODCr、NH4+-N和TP的平均去除率分别为37.0%、34.8%、34.7%、26.7%.季树勋[40]在治理宁波市江东区卧彩江试验中，采用生物膜和生物围网、潜流曝气、投放生态增氧剂和微生物制剂、设置人工植物浮岛的组合工艺，发现综合治理后水体中CODCr、NH4+-N去除率分别为40%～60%、30%～60%，治理后ρ(TP)≤1 mg/L.

表3 不同治理技术对黑臭水体水质改善效果Table 3 Improvement effect of different treatment technologies on black-odorous water quality

2.3 曝气位置对黑臭水体污染物去除率的影响

曝气对污染物的去除效果除了与不同曝气技术有关外，还与不同的曝气位置有关，底泥曝气后黑臭水体有机物的去除率高于水曝气后有机物去除率.王美丽等[41]发现，底泥曝气后的24 d内，水体中CODCr去除率范围为56.60%～69.73%，水曝气后其去除率约为23%.底泥曝气对黑臭水体中NH4+-N的去除效果高于水曝气对NH4-N的去除效果.张同祺[42]曝气治理昆山市玉山镇河道发现，水曝气后，水体中NH4+-N去除率范围为54.05%～76%TP去除率为85%.底泥曝气后NH4+-N去除率范围为88.29%～90.62%，水曝气后其去除率为24%左右[41].刘波等[43]对南京九乡河曝气治理发现，底泥曝气对氮素的去除率均优于水曝气，包括上覆水、间隙水和底泥中NH4+-N的去除率，底泥曝气后间隙水和底泥中NH4+-N去除率分别为64.36%和58.73%，水曝气后其去除率分别为39.53%和38.78%，底泥曝气和水曝气后，上覆水中NH4+-N去除率分别为72.74%和47.86%.徐宽等[44]发现，底泥曝气使得上覆水、表层底泥间隙水和底泥吸附态NH4+-N去除率分别为99.5%、94.4%和75.6%.

底泥曝气对黑臭水体中磷的去除率高于水曝气对磷的去除率.底泥曝气后TP的去除率范围为56.72%～66.67%，水曝气后其去除率仅为15%左右[41].李大鹏等[45]对苏州河流底泥进行室内模拟曝气，研究表明底泥曝气对底泥吸收磷的影响大于水曝气，底泥曝气时底泥中TP含量的净增量达187.2 mg/kg，且主要增加在Ca-P上，其净增加量为172.2 mg/kg；而水曝气底泥中TP含量的净增加量为105.4 mg/kg，并均匀分配到NH4Cl-P、Fe-P和Ca-P三种形态中.

2.4 曝气深度对黑臭水体污染物去除率的影响

曝气深度对黑臭水体污染物去除率有一定影响，在最佳曝气深度下，污染物去除率最高.沈淑云[46]通过在水深0.10、0.15、0.25和0.35 m进行曝气试验，研究上覆水和底泥间隙水中NH4+-N和TN的去除率，发现24 d内，曝气深度越深，上覆水中NH4+-N的去除率越高，4个曝气深度下NH4+-N的去除率分别为96.8%、97.9%、97.0%和98.5%(见表4)，底泥间隙水中NH4+-N的去除率随曝气深度波动变化，其去除率与曝气深度没有直接关系；曝气深度在0.25 m前，随曝气深度增加，上覆水和底泥间隙水中TN去除率也增加，但在曝气深度为0.35 m时，TN去除率却降低了，其去除率分别为10.9%和6.1%.

表4 曝气深度对污染物去除率的影响[46]Table 4 Effect of aeration depth on pollutant removal rate[46]

2.5 曝气强度对黑臭水体污染物去除率的影响

短期内，连续曝气对水中污染物去除率高于低强度曝气；但长期内，不同曝气强度下水中污染物的去除率间没有明显差异.赵振等[12]研究发现：曝气时间在48 h内，连续曝气和低强度曝气对水体中CODCr去除率分别约为35%和25%；曝气时间超过48 h，连续曝气、间歇曝气和低强度曝气对水体中CODCr的去除率基本相同；曝气时间为180 h时，水体中ρ(CODCr)稳定在30 mg/L.相同时间内，连续曝气和间歇曝气对水体中CODCr的去除率差别不大，分别为81%和74%[47].另外，赵振等[12]研究曝气强度对黑臭水体氮污染物的影响时发现：2个高强度曝气的水体中ρ(DO)分别为4～6和6～9 mg/L；低强度曝气的水体中ρ(DO)维持在0.8～1.5 mg/L；前84 h内，高强度曝气对水体中NH4+-N去除率(45%～70%)高于低强度曝气(约5%)；352 h后，高强度和低强度曝气对NH4+-N的去除率没有显著差异，均在90%以上；刚开始时，高强度和低强度曝气对TN去除率的影响较小，但在160 h后，低强度曝气比高强度曝气对TN去除效果更好，低强度曝气在35%以上，而高强度曝气低于20%.

2.6 曝气时间对黑臭水体污染物的影响

黑臭水体中污染物的去除率随曝气时间不同而波动变化，且曝气时间对氮、磷污染物去除率的影响不同.底泥曝气后表层间歇水中ρ(TN)在15 d内经历了快速下降—持平—快速下降的动态变化过程，在第5天时TN去除率达40%，5～10 d去除率基本维持不变，但10～15 d内间隙水中ρ(TN)陡然下降，去除率达75%；水曝气后，28 d内上覆水中ρ(NH4+-N)经历了上升—下降—稳定的过程，ρ(NH4+-N)依次为5.51、9.40、0.21 mg/L[43].

经过一定时间后，不同曝气强度下污染物的去除率无差异.如果水体中NH4+-N去除率要达到90%，低强度曝气、间歇曝气和连续曝气所需时间分别为114、114和352 h，352 h后3种曝气方式对NH4+-N的去除率无显著差别[12].

总之，曝气与其他技术结合治理黑臭水体后，水中污染物的去除率比单独曝气下污染物去除率高.底泥曝气后，黑臭水体中污染物去除率高于水曝气后污染物去除率，约高出20%；在最适曝气深度处，黑臭水体中污染物的去除率最高，而不是曝气深度越深污染物去除率越高；曝气强度对污染物去除率的影响与曝气时间有关，短期内高强度曝气后，污染物浓度下降显著，长期内高强度和低强度曝气后，污染物去除率无差异.同一曝气方式后氮、磷浓度去除率随时间是波动变化的，经过一定曝气时间后，不同曝气强度下污染物的去除率无明显差异.

虽然曝气后污染物浓度显著下降，有效地消除了河道黑臭，但也有部分研究[47-48]表明曝气停止后污染物浓度存在回复现象，即停止曝气后，水体中污染物浓度又有所上升，甚至水体又恶化到原来水平.如在曝气12 d结束后，上覆水中的ρ(NH4+-N)从2.22 mg/L升至10.87 mg/L，而原始浓度为19.3 mg/L[47].孙从军等[48]研究发现，停止曝气1个月后，ρ(NH4+-N)从13.4 mg/L升至17.6 mg/L，几乎回到初始水平(平均值19.0 mg/L)，这可能与治理后外源继续输入有关.

3 曝气对底泥微生物群落的影响

底泥微生物在水体污染物的分解、迁移、转化及污染水体的修复中发挥着重要的作用.黑臭水体中某些营养物质通过水体流动、沉降等自然和人工干扰作用沉积到底泥中而成为微生物的营养，进而影响着微生物的群落结构.

曝气强度影响底泥细菌优势类群，不同曝气强度下的细菌优势类群不一样.姚丽平[49]探讨了人工曝气对上海黑臭河道底泥微生物群落结构的影响，发现不同曝气强度下细菌和古菌的优势类群有所差异，如流速为0.288 ms时，细菌优势类群为厚壁菌门和变形菌门；流速为0.32 ms时，细菌优势类群为变形菌门.张一璠[30]探讨了曝气对城市黑臭河道底泥微生物的影响，发现细菌优势类群为变形菌门和厚壁菌门，曝气强度增加细菌优势类群的多样性提高，但丰度变低.

曝气影响底泥中细菌群落(如氨氧化菌和反硝化菌)的数量.上海黑臭河道底泥氨氧化古菌含量高于氨氧化细菌，说明氨氧化古菌是氨氧化的优势类群[49]；李志洪[50]研究人工曝气对上海黑臭河道底泥氮转化功能菌群的影响，发现氨氧化优势菌为氨氧化古菌，氮转化优势菌为厌氧氨氧化细菌，水曝气和底泥曝气均能增加底泥中细菌总量和nirK型反硝化细菌数量；汪建华[51]探讨了人工曝气对上海桃浦河氮转化功能菌的影响，发现不同曝气强度下氨氧化细菌数量是氨氧化古菌的4～9倍，nirS型反硝化菌数量高于narG、norB和nosZ型反硝化菌数量.

4 结论与展望

a) 曝气可显著提高黑臭水体中ρ(DO)，不同曝气技术的复氧效率波动范围较大.纯氧曝气复氧效率最高，达70%，仅有少数研究报道不同曝气技术复氧效率及ρ(DO)情况，有些曝气技术的复氧效率还鲜见报道，如水下射流曝气技术的复氧效率.鉴于实际应用中曝气技术复氧效率低及不确定性等问题，未来还应进一步开展不同曝气技术复氧效率理论和实际研究，挖掘不同曝气技术的复氧效率潜力，缩短水中ρ(DO)提高所需时间，达到快速改善黑臭水体水质目的.

b) 黑臭水体中不同污染物去除率随曝气方式的不同而不同，单独曝气对污染物去除率低于与其他技术结合后对污染物的去除率，且还存在曝气结束后污染再回复的现象，故今后应加强曝气对污染物去除机理及各污染物间耦合效应研究，包括对底泥中重金属和有机化合物等影响，分析不同条件下影响污染物去除率的因素.

c) 曝气的位置、深度、强度和时间等条件影响污染物去除率，且不同条件对污染物去除率的影响程度不同.鉴于污染物去除率影响因素较多，未来应加强单因素和多因素对曝气效果的影响研究，深入研究曝气边界条件的优化，因地制宜找到最佳曝气条件，避免发生曝气后污染物浓度增加的现象.

d) 曝气对黑臭水体底泥微生物群落结构组成及细菌数量有显著影响，但影响机理不明确，研究仅限于与氮污染物迁移转化有关的功能微生物，故今后需要加强曝气对黑臭水体微生物群落的机理研究，特别是加强对有机物、氮和磷等污染物有影响的功能微生物的研究.