臭氧混合曝气增氧技术在城市河道水质改善中的应用

孙 玥

(辽宁河库管服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

水体自净过程中溶解氧作用十分明显，人工曝气增氧技术通过国内外河道水环境治理实际应用效果看，技术操作程度简单，污染物去除效果较快，在当前国内城市河道水环境治理中得到广泛应用[1- 6]。目前纯氧、鼓风以及机械曝气为当前国内主要采用曝气技术，其中增氧效率最高的为纯氧曝气，但对氨氮去除效果不明显，其他曝气技术对氨氮去除的效果也低于40%[7]。近些年来，随着城市社会经济快速发展，城市河道中氨氮浓度超标较为严重，氨氮主要来自于生活和工业污水的排放，为加大对城市河道水环境治理，尤其是黑臭水体的质量，亟需降低氨氮浓度指标。为此王正芳提出一种微孔管道空气-臭氧混合曝气增氧技术[8]，并以苏州城市河段为具体实例，通过应用试验表明该技术对水体氨氮去除效果较为明显。为此本文针对浑河城市段河道氨氮浓度超标问题，引入该项新技术，采用原位试验方式，采用试验方式探讨该新技术对城市段氨氮去除效果，并对曝气类型、曝气时间进行分析。成果对于城市河道水环境治理具有实用借鉴价值。

1 原位试验方法

1.1 试验河段概况

本文以浑河沈阳城市段为试验河段，选取的试验河段总长度为5km，河流宽度均值约为200m，平均流速在1.0～1.5m/s之间。由于河道两岸生活和工业废水排污未能完全截留，使得试验河段氨氮总体超标较为严重，通过水样监测，该河段氨氮平均浓度为1.59mg/L，超过劣Ⅴ类水质标准。为此本文选取该试验河段，针对河段氨氮浓度超标的问题，采用微孔管道空气-臭氧混合曝气增氧新技术，通过布设曝气增氧装置，对氨氮浓度去除效果进行试验。

1.2 试验河段概况

本文分别在试验河段内选取氨氮浓度较高的5个监测断面，各监测断面之间的间距如图1所示。

图1 曝气设备及断面位置

图1中上游段为AB段，中游为BD段，下游段为DE段。4台微孔管道空气-臭氧混合曝气增氧机安装在中游C断面，上游下游间距为60m，水面以下深度分别在1.5～1.8m之间，该试验装置主要由太阳能电板、超微纳米气泡发生器、潜水泵、臭氧发生器、防水电缆以及消音装置组成。如图2所示。

图2 微孔管道空气-臭氧混合曝气增氧机

1.3 试验方法

2021年11月5日—12月20日，采用4台设备进行曝气深度为1.0～1.5m的纯粹空气曝气，第一投放臭氧的时间为11月10日，将2g/h的臭氧发生器分别加设到4台设备上。第二次投放臭氧的时间为12月5日。将10g/h的臭氧发生器分别加设到4台设备上，设备增氧功率设置为3.0kW，进气量为240L/min，分别产生1um～100um直径的气泡。每台设备在不考虑水流作用下覆盖的水域面积为50m×20m×2m。采用开机50min后停机15min的间歇市曝气方式进行试验，每天进行16组循环试验。

1.4 采样点布设

分别设置5个断面对混合曝气增氧设备对水体氨氮去除效果进行试验，采样原位速测对各断面上分别选取3个采样点进行均值测定。为对河道相同断面两侧氨氮去除效果进行试验，在中游C处断面选取3个点位进行原位速测。采样便携式多参数测量仪器对水体中的主要污染指标包括电导率、温度、氨氮、硝酸盐氮进行原位速测。

1.5 室内试验测定

分别从A、C、E 3个断面选取3个点位进行水样的采集，室内测定的水质指标为酸碱度、浊度、化学需氧量以及总磷指标。分别采用重铬酸钾以及钼酸铵分光光度法对化学需氧量及总磷指标进行测定，采用标准重量方法对浊度进行测定。

2 试验结果及讨论

2.1 曝气时间对水质改善效果试验

分别以A断面代表上游段、C断面代表中游段以及E断面代表下游段对曝气时间下溶解氧、电导率、氨氮以及硝酸盐氮浓度指标进行试验测定分析，从而探讨臭氧混合曝气增氧新技术的曝气时间对水质改善的效果影响，试验结果见表1—4。

表1 不同曝气时间各断面溶解氧浓度影响

由表1可知，各断面在不同曝气时间溶解氧浓度变化规律较为一致，溶解氧总体均呈现先递增后递减的变化，但各断面从递增到递减变化的拐点有所不同，中游段由于曝气装置在前9d进行安装，溶解氧浓度要高于上游段和下游段。上下游段溶解氧浓度变化较为一致，溶解氧浓度拐点在上游段的时间要早于中游段和上游段，从第9d开始溶解氧浓度呈现明显增加，且随着曝气时间的增加递增幅度要高于中游段和上游段，下游段在曝气第23d溶解氧浓度为6.525mg/L。由表2可知，各河段氨氮从曝气第9d开始呈现明显的递减变化，但各河段氨氮递减变化有所差异，到30d后上游、中游、下游氨氮去除率可分别达到60.2%、63.5%、74.5%，氨氮去除率均在60%以上，对氨氮具有较好的改善效果，曝气后氨氮浓度波段变化主要原因为外源污染物输入影响其浓度变化。由表4可知，各河段电导率随着曝气时间的增加总体呈递减变化。由表3可知,各河段硝酸盐氮在不同曝气时间的浓度变化和氨氮浓度变化具有一定的相似性，水体中具有较充足的溶解氧时主要以硝化为主，因此对氨氮具有较好的去除效果，而对总氮去除效果不高，随着曝气时间的增加，氨氮和硝酸盐氮指标相关度增加，通过试验测定分析，曝气时间达到30d后水体氨氮和硝酸盐氮离子相关系数可达0.85以上。

表2 不同曝气时间各断面氨氮浓度影响

表3 不同曝气时间各断面硝酸盐氮浓度影响

表4 不同曝气时间各断面电导率影响

2.2 曝气位置对河岸两侧水质改善效果分析

试验分析曝气装置不同点位对两岸水质改善效果，结果见表5—8。

表5 不同曝气位置河岸两侧溶解氧影响

表6 不同曝气位置河岸两侧氨氮影响

从试验分析结果可看出，中心点位Y的增氧效果好于两侧点位，曝气14d后各点位溶解氧与水体中的氨氮进行硝化反应，溶解氧浓度有所降低，到30d后水质总体区域稳定，溶解氧溶度较高。各点位下电导率变化差异度较低。各点位氨氮浓度由于硝化影响随着曝气时间的增加其浓度总体呈现先递增后递减变化，氨氮浓度在中小点位的去除效果好于两侧点位，因此对于交叉区域点位水质受曝气影响较为明显，这主要是因为曝气复合作用影响水体紊动程度加大，使得水体中氧气混合传递程度有所提高，加快了氨氮硝化。

表7 不同曝气位置河岸两侧硝酸盐氮影响

表8 不同曝气位置河岸两侧电导率影响

2.3 上下游沿程水质改善效果分析

对河道上下游沿程水质改善效果进行试验分析，各试验断面结果见表9—12。

表9 河道上下游沿程断面溶解氧浓度变化

表10 河道上下游沿程断面氨氮浓度变化

上下游段溶解氧在曝气第9d浓度变化较为接近，中游D断面溶解氧浓度最高，随着曝气时间的增加，在硝化作用下各断面溶解氧浓度均有所减小，到曝气30d后中游和上游溶解氧浓度较为接近，下游E断面溶解氧出现最高浓度。各断面电导率较为接近，下游E断面电导率最低。C断面为曝气交叉区域，其氨氮浓度下降速率较快。随着曝气时间增加氨氮浓度低值逐步向下游推进。曝气第9d氨氮浓度最低位置在C断面，进入曝气第16和24d其氨氮浓度最低值出现下游E断面约425m处，下游段氨氮去除效果最高，其次为中游段，上游段氨氮去除效果最低，这主要是因为在水体充足的溶解氧下，硝酸盐氮硝化作用加强，有效降低水体中氨氮浓度。

表11 河道上下游沿程断面硝酸盐氮浓度变化

表12 河道上下游沿程断面电导率变化

2.4 河道水质总体改善效果分析

对微孔管道空气-臭氧混合曝气装置对河流水质总体改善效果进行了测定分析，分析结果见表13。

表13 河流水质总体改善效果

从不同断面酸碱度、浊度、化学需氧量、总磷浓度变化可看出，在较短时间内微孔管道空气-臭氧混合曝气装置通过增氧可以对河道水质进行明显改善。化学需要量受外部污染物源输入影响浓度递减程度有所减小，该项新技术对河流水环境治理中氨氮和磷超标的去除具有较好的应用前景。该项新技术由于提高水体中的羟基自由基，使得水体有机物分解和降解作用得到加强，采用微米级别气泡产生于臭氧发生器具有上升速率低，延长停留时间，加大表面积，提高传质率的优点，此外曝气采用微米气泡可以提高水体中的好氧生物的丰度，从而提高水体污染物降解程度，加快水体净化速率。

3 结论

(1)在进行水体氨氮应急短期处理时，可以在检测点周围布设曝气设备，距离曝气点较近区域氨氮浓度可迅速较低，但持续时间较短，一般可维持在3d以内，要保持长期氨氮处理，建议在检测点上游约250m处布设曝气设备。

(2)该曝气设备一次性投入的成本较少，技术维护成本为每台1年约2000元，每台设备每天的运行费用约为30元，处理效果较为稳定，适用于以氨氮、磷为主要超标因子的城市段河流。

(3)本文对于曝气设备布设台数对于河道水质改善效果还未分析，在后续研究中应对如何布设其曝气设备台数可达到理想水质效果进行深入分析和探讨。