人工曝气技术在黑臭河道治理中的应用

龚梦丹

(上海水源地建设发展有限公司，上海 200434)

在工业化和城镇化快速发展的过程中，城市环境基础设施日渐不足，具体表现为排水设施建设的滞后以及管网设计规划的不合理，配套收集系统不完善以及排污管道去向不明确等。这些问题导致河道排口雨污混流，污水截污不彻底，使大量污水未经处理直接排入河道，河道污染严重。相关调查结果显示，在过去几年我国138个城市河段中，38%的河道水体水质低于国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水标准[1]，全国295个地级城市的河道中有70%以上为黑臭水体。水污染防治行动计划提出，我国地级以上城市建成区到2020年黑臭水体控制在10%以内，并于2030年总体消除黑臭水体[2]。

黑臭河道的主要治理方法有物理法(底泥疏浚、引水调水、人工增氧等)，化学法(强化絮凝、化学除藻、化学固定等)，生物生态法(微生物强化、水生植物净化、生态浮床净化等)。人工曝气作为河道污染治理中占地面积小、成本低、见效快的技术[3]，在20世纪60年代就被许多国家应用于河道治理中。相关研究表明，在河道中进行曝气，有利于提高氧的传递速率，提高水体中的溶解氧水平和微生物活性，使河床形成一个以兼性微生物为主的环境，从而抑制底泥氮磷等营养物质的释放，降低水体中有机污染物浓度，改善水体黑臭环境[4]。虽然人工曝气在污染河道治理中具有广泛的应用前景，但由于人工曝气作为一种“先污染后治理”的被动治理技术，水体外源污染量的大小和变化幅度直接决定了它的治理效果。尤其是对于固定式曝气设备，如果外源污染的水量和水质波动变化程度较高，曝气效果稳定性就较差。同时人工曝气作为一种机械设备，在河道治理应用中受外界运行条件的限制，长期运行费用高，治理不彻底等。本文通过对曝气净化原理、曝气方式、黑臭河道中曝气效果与实例应用以及黑臭河道中曝气与其他措施的结合应用进行综合阐述，以期为人工曝气在黑臭河道治理提供理论依据和技术经验。

1 曝气技术的净化原理

河道黑臭问题是水体有机污染过度导致水体产生致黑致臭物质，从而使水体在视觉上呈现黑色，在嗅觉上具有刺激性味道，造成不愉快甚至恶心的不适感。水体致黑是由于水体中有机污染大量分解使水体耗氧速率小于复氧速率，水体呈现缺氧状态，水体中铁元素(Fe)和硫元素(S)的动态转化失衡[5-6]，产生大量Fe2+、S2-以及FeS等致黑物质，并被悬浮物质中的腐殖酸和富里酸等吸附上浮[7]，造成水体发黑；同时，有机物厌氧分解产生的硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)、氨(NH3)以及硫醚类化合物等挥发性带有异味的化合物气体逸出水面，使水体发臭[8]。由此可见，河道中溶解氧水平的降低会加剧水体黑臭程度。

曝气技术对黑臭水体的改善主要是通过充入氧气，使水体中复氧速率大于好氧速率，恢复水体好氧水平，从而快速氧化分解有机物厌氧分解产生的H2S、FeS以及NH3等致黑臭物质，改善水体现状。研究表明，水体复氧过程影响有机污染迁移、扩散以及转化过程，进而影响水体自净能力[9]。同时溶解氧水平的提高，可以提高好氧微生物的活性，抑制变形杆菌和放线菌等加剧水体黑臭的厌氧微生物的生长繁殖[10-11]，使河底有机物通过微生物吸收、降解和转化作用被逐渐削减，减少内源污染负荷[12]。王美丽等[13]对黑臭河道污染物释放进行研究发现，曝气可以加速沉积物中有机物的降解，释放的氮磷小分子物质被硝化细菌、释磷菌等好氧微生物降解，使水体中COD、NH3以及TP等物质浓度快速下降。

曝气还可以增加水体扰动、交换和微循环流动，加速水体中溶解氧的传递和扩散，叶镕蓉[14]对南京市河道进行研究发现，静止状态与外界水体交换量少的水体，当水体受到外源污染后，由于自净能力较弱，容易发生水体黑臭现象。此外，溶解氧的提高，Fe2+被氧化生成Fe3+，减少水体中致黑物质FeS的同时，所生成的氢氧化铁络合物还可以吸附固定P[15]，从而降低河底沉积物中P的释放，减少水体中磷酸盐的含量。

2 常见曝气设备

曝气技术根据溶解氧的来源，可分为空气曝气、纯氧曝气和臭氧曝气；根据充氧位置，可分为表面曝气和水下曝气；根据安装方式，可分为固定式充氧站和移动式充氧平台。曝气方式的选择是影响河道治理效果的关键因素，影响因素包括河道条件、河段水功能要求以及污染源特征。国内外常见的曝气方式主要由以下几种：

(1)鼓风机-微孔布气管曝气系统

鼓风机-微孔布气管道系统由鼓风机、空气输送管道及氧气装置组成，它是通过鼓风机将空气或者氧气输送至送气管道并通过曝气扩散系统进行溶解氧的扩散，达到水体中溶解氧升高的目的。该曝气系统充氧效率较高，可达25%～35%，但由于布气管道位于水体中，对航运具有一定的影响。同时，由于受水位波动影响，为避免布气管道露出水面，安装时需在低水位下进行。

根据曝气扩散器的不同，鼓风机-微孔布气管道系统可分为微孔曝气和微孔膜曝气。与微孔曝气相比，微纳米曝气所产生的气泡比表面积大、浮力小，具有更高的气液界面积以及更长的停留时间，因此可有效提高水体中氧传递效率，增强对水体中氮磷的去除效果[16]。

(2)机械曝气设备

机械曝气设备主要以用于水深较浅且无航运功能和景观要求的河道。常见的曝气形式主要为推流式曝气机和射流式曝气机，其中推流式曝气机是利用旋桨在进气通道造成负压，从而吸入空气并随水流进入河道；射流式曝气机是利用潜水泵将水吸入并在喷嘴处高速推出，由于喷嘴周边形成负压吸入空气，使夹杂气泡的水流在河道中涡旋搅拌，完成曝气。两种设备均采用浮筒式结构进行固定安装，由于设备漂浮在水面上，受水位波动变化影响较小。但由于这两种设备，在曝气过程中会产生泡沫，会影响河道景观。

(2)移动式充氧平台

移动式充氧平台是在不影响河道航道功能的基础上，对需要曝气增氧的河道进行自由曝气的可移动曝气增氧措施。常见的移动式充氧平台为曝气船和移动式曝气器。与固定式曝气相比，移动式曝气克服了固定式曝气以固定点为中心，依靠氧分子浓度差进行扩散导致充氧速度缓慢且氧气分布不均的缺点[17]。该设备主要应用于应急情况。

3 黑臭河道中曝气效果及实例应用

3.1 曝气在黑臭河道中应用实例

从二十世纪五六十年代起，德国、英国和美国等国家通过曝气增氧技术来提高水体溶解氧水平，解决工业废水、生活污水及径流雨水带来的水体缺氧、自净能力不足等问题[18-19]，如德国的鲁尔河、Saar河，英国的泰晤士河，美国的homewood运河，其中最著名的河道整治项目为泰晤士河。由于大量生活污水直排入河道，水体水质恶化，甚至导致鱼类等水生动物死亡。针对此问题，英国通过机动增氧纯氧-混流系统对水体进行人工增氧，其充氧效率高达70%，快速有效解决泰晤士河因缺氧导致的水体恶化问题[20]。

近年来，由于河道黑臭现象严重，北京、上海等一些中大城市实施曝气技术治理黑臭河道，效果较为显著。北京为保证亚运会的顺利进行，在清河污染严重的黑臭河段放置曝气设备，通过47天的运行后基本消除该河段臭味，COD、BOD和SS去除率高达75%以上[21]。上海市苏州河结合PSA制氧设备和曝气复氧船对河道进行曝气，大幅度降低了合流泵站雨季排江带来的冲击负荷，水体中COD去除率最高达到56%，黑臭现象有所缓解[22]。周杰等[23]发现，上海浦东新区张家浜黑臭河道通过FOXIN多功能水质净化船进行大面积地毯式河道曝气复氧，使河道水体达到地表水V类水，恢复景观用水目标。汪建华等[24]以上海工业河丰泵站为对象，原位研究曝气对底泥营养盐的去除，发现与常规底泥疏浚相比，曝气修复黑臭河道对NH3-N、TN和TP的去除效果更加明显，其中上覆水中NH3-N、TN和TP的去除率均可达35%以上。

以上实例说明，黑臭河道通过曝气充氧，可提高水体自净能力，改善河道水体水质，水体中理化指标如溶解氧、氨氮和总磷等改变显著。与其他技术相比，曝气技术占地面积小，设备投资低，操作简单易行，能够进行原位处理，且不存在二次污染。但在实际的工程实践中，黑臭河道治理中人工曝气的工程运行模式较为粗犷，曝气设备、曝气深度以及曝气强度等曝气边界条件较为模糊，黑臭河道水体需氧水动力模型不具有普适性。

3.2 不同曝气方式的曝气效果

由于不同曝气设备的充氧效率及安装条件不同，因此曝气方式和曝气设备的选择对黑臭河道的治理具有重要意义。李开明等[25]利用不同曝气设备进行黑臭河涌曝气试验，结果表明3种曝气设备在增氧效果以及COD、NH3-N去除效果上的排序为：水车式曝气机>叶轮式曝气机>射流式曝气机，其可能的原因为水车式增氧机和叶轮式增氧机是通过叶轮或转刷搅动产生连续的气液接触界面，其具有皂化作用，可分离水中的油脂，因而复氧能力较强[26]。廖丽华等[27]对比4种曝气工艺对佛山水道水质改善现场模拟实验，发现橡胶坝和雾化器曝气工艺能明显提升水体中DO浓度，而叶轮和射流器曝气则对COD具有明显去除效果。文倩等[28]发现，黑臭水体中NH3-N、TN和TP含量均能通过曝气技术下降，去除率为2 L/min>4 L/min>1 L/min>0.5 L/min。这可能是由于曝气强度过大时，由于气泡水量过多导致形成更大的气泡而快速上升，从而不利于水体中溶解氧的增加，导致水体中NH3-N、TN和TP去除率较低。贾紫永等[29]对浙江省杭州市闸弄口某河道和舟山市普陀区某河道采用微纳米曝气，工程运行一个月后，河道黑臭现象基本消除，水体水质得到有效改善。与常规曝气相比，微纳米曝气所产生的气泡较小，气泡直径可达五十微米到数十纳米之间，在水中停留时间较长，相关研究表明，10μm气泡可以在普通河道中存在3～5小时[30]，从而提高氧的利用效率。

曝气位置和曝气强度对曝气效果也具有一定的影响。有关研究发现，底泥曝气可有效恢复水体中溶解氧水平，而水曝气仅在曝气期间，溶解氧有所上升，而一旦停止曝气，溶解氧迅速下降[31]。刘波等[32]以南京仙林大学城重污染河道为对象，进行不同曝气对水体中氮素的影响研究，发现泥曝气比水曝气更有助于氮素转化，从而更快去除水体中的氨氮。其可能的原因是底泥曝气使底泥中大量耗氧物质被氧化降解，消耗大量氧气，在停止曝气后，耗氧物质的氧化降解速度立即降低，使底泥曝气后的水体溶解氧有逐步回升趋势，之后缓慢降低。由此推测，当曝气位置离河床距离过高时，由于溶解氧传递扩散有限，从而需要更长的曝气时间恢复水体的溶解氧水平。谌伟等[33]在河道黑臭水体中采用不同曝气强度进行研究，其结果表明，在流速较缓的水体中低强度曝气也可达到降低污染负荷，消除黑臭的效果，且低强度连续曝气对TN的去除率更高，这与低强度曝气能够形成低氧状态有关，即对于外源污染流入较少的缓流水体，低强度曝气也可达到消除黑臭的效果。另外，德国Teltow运河治理中，通过将纯氧曝气装置与自动监控装置结合，从而根据河道现状进行曝气量和曝气强度的调整，以达到精确曝气的同时，减少了运行费用[34]。

由此可见，不同曝气模式、曝气深度、氧气来源以及溶解氧水平均影响着黑臭河道曝气效果，如从曝气时间看，在短期内连续曝气对水体的净化效果要优于间歇曝气，而间歇曝气运费费用低，且对氮的去除效果高于连续曝气的去除效果。因此，在实际工程实践中，曝气技术模式的选择，要结合黑臭水体的污染因子、底泥情况、当地经济水平，同时寻找曝气效果更佳的模式，如结合微纳米曝气、曝气自动监控装置等。

4 黑臭河道中曝气与其他措施的结合应用

单纯的曝气对黑臭河道具有一定的缓解作用[35]，但一旦停止曝气，由于水体自净能力较差而难以达到改善水质的目的[36-37]。上海苏州河的部分支流通过曝气技术进行黑臭河道治理，其黑臭现象虽有所缓解，但效果不尽人意。在单纯的曝气技术不能解决黑臭河道的环境下，需结合其他措施以提高黑臭河道的复氧效果。

4.1 曝气生态净化系统

曝气生态净化系统[38]结合了人工净化与天然生态净化两种工艺，可以高效降解黑臭水体中的污染负荷，改善净化水质。於建明等[39]采用曝气造流、水生植物种植、微生物构建等措施对宁波市内某黑臭河道进行治理，发现水生植物和微生物与曝气技术的结合使用，有效改善了该河道的水质。通过向水体中引入水生动植物，使水体形成多种微生物和水生生物共存的复杂生态系统，而人工曝气可以将氧气输送至沉积物表层，使沉积物表层形成一个以兼性厌氧菌为主的环境，从而提高水生植物根区周围微生物对污染物的吸附和降解，其降解的小分子物质被水生动植物吸收，达到污水净化和资源化的综合效益。

4.2 投加微生物制剂

根据黑臭河道水体特点，投加合适的微生物制剂于水体中，可以明显提高曝气净化效果[40]。研究表明，通过结合投加土著微生物功能菌和底泥曝气，能够明显改善上覆水水质，加快了底泥修复，与单纯的底泥曝气比，COD和氨氮的去除率都明显提升[41]。陈俊宇[42]通过对黑臭河道水体进行室内模拟实验发现，在曝气的环境下(尤其在低曝气强度下)，微生物菌剂修复黑臭河道的效果显著提升，TN、TP和COD的去除率可分别高达78.28%，78.29%和89.85%。在曝气河段投加外源微生物，由于外源微生物自身带有营养物质，可以促进土著微生物的生长，从而为水体创造具有强化降解污染物的环境[43]，加速水体中有机污染的降解速度。由此可见，微生物菌剂的投加，不仅可以提升黑臭河道的治理效果，同时也降低了曝气运行费用。

4.3 生物膜技术

生物膜可以为微生物提供附着载体，增加微生物的数量，并通过微生物的吸收和降解作用完成污水的处理[44]。在曝气系统周边设置生物膜载体，通过人工曝气，可以增强好氧微生物的活性，从而快速降解水体中的氨氮。常见的生物膜载体为弹性生物膜填料、多孔滤料、碎石等。研究表明，通过“人工曝气+生物膜”的联合，可以使水体中氨氮和总磷含量分别降解86.6%和73.3%[45]。齐珏鹏等[46]对北京市大兴区某黑臭黑道进行研究，发现与传统曝气相比，碳纤维浮床与曝气技术结合工艺，TN、TP和COD的去除率均可达到90%以上。但是由于生物膜增长到一定厚度后，其净水效果会下降，因此需要进行定期刮膜。

4.4 控制河流流速

通过设置拦水网等工程措施，减缓水体流速，提高污水的停留时间，增加了溶解氧、微生物与污水的反应时间，从而提高污染物降解效果，同时也减少了微生物的流失。

5 结语与展望

人工曝气作为一项水治理工程措施，能够有效提高水体溶解氧水平，减少水体污染负荷，改善水体黑臭现象。国内外黑臭河道曝气技术的工程实践也表明，人工曝气技术在不同受污染水体中有不同的曝气方式，且具有较好的治理效果，应用前景较为广阔。曝气技术的选择应因地制宜，针对不同水体的环境现状，选择不同的曝气设备、曝气深度、曝气量以及氧气来源，以降低成本，提高曝气效果。但曝气在实际工程中，受各种因素影响，具有一定的限制，在今后工程实践和研发中：(1)人工曝气可以与其他技术相结合，如生物净化、微生物制剂、生物膜技术等，从而提高曝气净化技术对黑臭水体的治理效果。

(2)人工曝气可以根据水体现状，结合间歇曝气、低强度曝气以及底泥曝气等多种模式，还可以与自动监控装置结合，从而制定不同阶段的曝气模式，以达到精确曝气，减少运行成本，提高曝气效果。

(3)对曝气气泡发生装置进行更加精细的研究，如升级微纳米曝气装置，使产生的气泡直径更加微小，同时可以结合电离装置，增加气泡的吸附能力，以提高曝气对污染水体中污染物的去除效果。

(4)针对水体现状，从水体中溶解氧、氨氮水平出发，结合水循环和需氧动力学模型，制定受污染水体中最佳曝气边界条件，如曝气设备、曝气深度、运行时间的明确。