典型曝气增氧技术及其案例分析

曝气增氧技术是通过向污染水体中充入氧气或空气的方式，增加水体溶解氧含量来促进污染物分解，改善或恢复河湖的水生态环境。曝气增氧技术由于具有提高水体中好氧生物活性、不添加化学药剂、不造成二次污染等优势，已经被广泛应用于以有机污染为主的城市内河黑臭水体治理工程。

1 曝气增氧技术原理和特点

1.1 技术原理

水体的溶解氧含量是表征水体污染状态的一个重要指标。自然水体的溶解氧主要来源于大气复氧和植物光合作用，其中大气复氧是水体溶解氧的主要来源。当水体溶解氧含量下降且低于饱和值时，大气中的氧气通过水气界面溶解于水体中，增加水体溶解氧含量，但当水体受到有机物污染，耗氧严重，溶解氧得不到及时补充，水体中的厌氧菌就会很快繁殖，有机物因腐败而使水体变黑、发臭。

曝气增氧技术是通过向水体中充入空气（氧气）或增加水体与空气接触面积等方式，提高水体复氧效率，从而增加水体溶解氧含量，恢复水体好氧微生物活力，净化水体污染物质的方法。

当污染水体处于缺氧状态时，通过曝气能够增加水体溶解氧含量，从而抑制沉积物中的有机物、氮、磷、铁和锰的释放，改善水体环境质量。在湖泊污染治理过程中，通常在DO＜2mg/L 时，由于厌氧分解导致有机质物的释放，从而产生了有机酸、甲烷等不彻底的中间产物释放到水体中，导致水体产生黑臭现象。而沉积物中氮的释放是与有机物是同步的。因此，当水体DO 处于小于2～1mg/L 的缺氧状态时，扬水曝气能够通过抑制底泥物质的释放从而改善水质。

由于底泥磷的释放主要是通过以磷酸铁沉淀形式的磷释放，在厌氧条件下，三价铁离子被还原成二价铁离子溶解到水中，释放出磷，同时氢氧化铁络合磷得到释放。根据实验模拟，在pH 值为中酸性条件下，当DO＜1mg/L 时磷开始释放；在pH 值为碱性条件下，当DO＜2mg/L 时磷大量释放。沉积物中锰的释放在DO＜1mg/L 时，高价锰被还原成低价锰释放进入水体中。

1.2 适用条件

曝气增氧技术适用于含有较多的可降解性物质河湖水体水环境治理，针对污染水体的溶解氧含量较低，有机污染物含量高等问题，治理效果显著。

2 曝气增氧技术分类

按照曝气设备的固定方式，可划分为固定式充氧设备和移动式充氧平台。移动式充氧平台通常利用驳船等进行改造而成，能够自由移动，主要用于突发环境污染问题应急治理。目前国内外河湖治理中人工增氧方式主要采用固定式充氧设备，主要技术包括扬水曝气技术、鼓风曝气技术、机械曝气技术等。

2.1 扬水曝气技术

扬水曝气技术是基于“扬水筒”技术原理，该技术能充分混合上下水层。扬水曝气器以压缩空气为动力，并经过空气释放器将压缩空气连续地通入曝气器下部，从而对下层厌氧水体充氧。

扬水曝气技术在增加水体溶氧的同时能够控制表层藻类的数量，抑制藻类生长。在提水总量占过水流量10%的条件下，将藻类叶绿素a 含量的增长量从9.32%降为-4.64%，净减少量13.96%。扬水曝气技术用于控制藻类生长的适用条件是水深大于10m；用于抑制底泥营养盐、有机质、铁锰释放的条件是水体已发生了溶解氧小于2～1mg/L 的缺氧状态。

2.2 鼓风曝气技术

鼓风曝气是通过在河流、湖泊等污染水体岸边或水体表面设置一个固定的鼓风机房，利用管道将空气引入设置在污染水体底部的曝气扩散系统，空气中的氧气在气泡上升过程中与水体接触，溶解于水中。鼓风曝气装置一般由机房（内置鼓风机）、管道和空气扩散器组成。

纯氧曝气是鼓风曝气的一种，通过采用液氧或利用制氧设备制取氧气，并将氧气通过扩散系统与水体混合接触，增加水体溶解氧，工作原理与鼓风曝气基本相同。根据曝气混合方式可分纯氧微孔布气设备曝气系统（由氧源和微孔布气管组成）和纯氧混流增氧系统（由氧源、水泵、混流器和喷射器组成）。

2.3 机械曝气技术

2.3.1 潜水曝气技术

潜水曝气机一般布置于治理水体底部。潜水曝气过程分为两个阶段，第一阶段是主流扩散阶段，空气与水在进行主流运动过程中被分割成小气泡均匀分布到水体中；第二阶段是扩散过程，气泡中的氧从空气中转移到水体分子的扩散过程。根据其原理和用途的不同，常见的浅水曝气包括潜水射流曝气机和潜水离心曝气机两种。

潜水离心式曝气机通过电机带动叶轮旋转产生的离心力，通过叶轮进口吸入空气，在混气室中实现空气与水体的充分混合，而后在离心力的作用下快速排出气水混合液。由于离心力的作用，水流循环得以加强，空气被切割成了大量微小气泡，有效增加了空气与水体的接触表面及，空气中的氧气在缓慢上升过程中大量溶解于水体中。

潜水射流曝气机利用潜水泵喷嘴形成高速水流，同时在喷嘴周围形成负压吸入空气，空气与高速水流在混合室内充分混合，形成的气水混合液经高速喷射而出，携带大量微小气泡的气水混合液在水体中漩涡搅拌，充分与水体接触后，大量氧气溶解于水体中。

2.3.2 推流曝气

推流曝气是通过叶轮、潜水泵等不断推动受控流体前进，在进行局部造流、加快水体流动的同时，保持河湖有充足的溶解氧，也为水生物群落的生存和繁衍创造条件，构建良好的水循环，改善水体的静水流态，维持河道的生态流速。研究证明，通过在水体表层或底层曝气供氧，推动水流连续循环流动，能够有效增加不同区域的水体混合强度，使有机物、微生物及氧之间充分混合接触，有机物浓度因稀释而迅速降至最低值，同时，通过水体流动性增加能够有效抑制藻类的繁殖和再聚集，降低水华风险。

水体推流设备施工便捷，投入较低，能够通过增加水体流速的方式有效抑制藻类的暴发，常用于水动力条件较差的景观水体。对景观水体进行适当充氧、提高水体溶解氧含量可以有效地改善水体的厌氧状态，避免有机物不完全分解导致的黑臭等情况发生。研究表明，当水体溶解氧含量在4.5mg/L 以上时，水体能够维持较好的好氧生态环境，促进好氧微生物作用，遏制蚊蝇滋生。

3 案例分析

3.1 黑河金盆水库扬水曝气系统

黑河金盆水库是西安市主要饮用水源地，承担着西安市60%的饮用水，是西安市供水“生命线”。由于近年来黑河金盆水库水体水质不断恶化，水体逐年呈现出富营养化状态，因此开展实施了扬水曝气系统对水库进行水质改善。

扬水曝气系统位于水库大坝上游右岸主库区，由8 台扬水曝气器（型号HC-YSQ-800）、4 台空压机（型号ESCW175-12螺杆空压机）、空气净化器、8 台空气计量仪表、8 根输气管道（总长6300m）、供电系统及一座194m2框架结构空压机房组成。每台扬水气器间距约300m，呈梅花型布置，安装于水库中。扬水曝气系统通过把高压空气输人曝气器内，使得水库水体上下层充分混合，以达到改善水质的目的。黑河金盆水库扬水曝气系统运行一年多来，水体环境质量得到了明显改善，治理效果如表1 所示。

表1 扬水曝气治理效果

3.2 天津宁河董庄深渠及引渠黑臭水体治理项目

董庄深渠位于天津芦台镇和宁河经济开发区，由于长期城镇生活和工业污染问题导致河道水体黑臭，水面、河岸及周边环境脏乱差，已经严重影响周边城镇居民和经济开发区企业的生产生活。本项目治理河道全长约7.5km，分引渠（上游）和深渠（下游）两段。引渠段长约4km，水深1～2m，河道宽约15～16m，沉积物淤泥深度在1m 左右。全河道为自然土坡河道，坡岸芦苇杂草丛生，深渠段长度约3.5km，水深2～3m，宽20～35m，沉积物淤泥深度1.5m 左右，河道水体呈严重黑臭。

天津市宁河区水务局2017 年启动了董庄深渠及引渠黑臭水体整治工程，对河道沿岸的21 处排水口门开展截污控源治理，从而从源头上控制污染物排放。2017 年6 月初投入38 台纯氧、臭氧纳米生态修复设备设备进行河道原位治理，经1 个月治理，水体基本消除臭味，9 月已达消除黑臭，结合上游截污工程共同实施，10 月水体水质已稳定达到地表水环境质量Ⅴ类水指标。

3.3 筒子河水下推流水质改善工程

筒子河是故宫护城河，是故宫的重要组成部分之一。受上游来水减少的影响，筒子河水体富营养化问题日益突出。2012 年，通过在筒子河河道水下安装推流装置54 台，水下推流设备技术参数见表2。在现有的水资源条件下，增加水体流动性，改善筒子河的水体状况。

通过水下推流能够有效增加不同区域的水体混合强度，提高底层溶解氧浓度，表面流速最高提高6.2 倍以上，此外，水体流动性增加能够有效抑制藻类的繁殖和再聚集，降低水华风险。但水体扰动也加大了沉积污染物的再悬浮作用，水体底层TP 浓度有所升高。

表2 水下推流设备技术参数表

4 结论和建议

曝气增氧技术通过增加水体溶解氧来降低污染，在治理过程中不添加化学药剂，无毒害作用，不造成二次污染，能够提高水体中好氧生物活性从而持续净化污染物；曝气增氧设备简单、安全可靠、投资小见效快，适用于各类水环境治理工程。但是对于部分污染较重的河湖水体及难以生物降解的污染物，单一曝气增氧技术处理效果不理想，在具体实施工程中，往往需要配合控源截污及生物技术等组合应用，通过控源截污工程彻底截断污染源，生物修复技术则主要应用于治理的后期和水质长效维护。在实际应用中，针对不同特定条件工况，设计人员合理选取多个技术组合使用会达到更好的效果。