曝气技术在黑臭水体治理中的研究进展

吴佐京通，戴先谱，吴 辉，潘红忠

(1.长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100;2.长江大学国际水生态研究院，湖北 武汉 430100;3.荆门市环境科学研究院，湖北 荆门 448000)

城市黑臭水体是城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和散发出令人不适气味的水体的统称[1-2]。中国对黑臭水体的判定，常以水体透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮等4个水质参数作为评价指标[3-6]，具体标准见表1。

表1 城市黑臭水体污染程度分级标准

“水十条”颁布以后，水体黑臭现象在全国范围内明显减少，尤其是地级市黑臭水体治理成绩斐然[7-8];与此同时，已治理过的水体复黑现象也较为普遍[9]。因此，当前及今后一段时间内消除水体黑臭，仍然是中国水污染治理的重点工作[10]。普遍认为，治理水体黑臭方法可分为物理、化学、生物生态3种方法。物理方法常见于底泥疏浚、曝气、引水等[11];化学方法一般指投加药剂或吸附剂[12];生物生态方法则是基于微生物的生命代谢活动去除污染物质[13]。

其中，最直接有效的方法是曝气增氧[14-15]，通过人为增加水体中的溶解氧含量(DO)，可提高水体自净能力，从而快速去除黑臭。目前国内外对曝气技术治理黑臭水体有一定研究，现综述如下。

1 常见曝气技术

在黑臭水体治理过程中，常使用曝气方式有鼓风曝气、表面曝气、射流曝气等3类[16-17]。鼓风曝气主要是通过空压机或鼓风机将空气压缩，被压缩后的空气经由输气管道输送至曝气器，最终经由不同规格的曝气器扩散到目标水体中。鼓风曝气系统中，曝气器的质量与规格直接影响整个系统的复氧效率，在工程应用中曝气器常有多孔管、固定螺旋曜气器、水射器和微孔扩散板等类型[18]。根据逸散出气泡的大小尺寸，可分为微气泡、小气泡、中气泡、大气泡等。在气泡尺寸与氧传递效率研究中，庄健等[19]发现在一定范围内，气泡的尺寸越大，其相对氧转移效率越低。Yao等[20]研究发现，微气泡复氧效果良好，是常规曝气的3.2倍，而能耗仅为常规曝气的一半左右。

表面曝气也称机械搅拌曝气，是利用高速旋转的马达带动轴流式叶轮运作，利用叶轮的转动使水流经由导流装置进行环形喷射，水体在脱离喷射装置时受空气阻力作用，形成的间断水珠在重力作用下重新回落到水面，以此来实现水体的循环流动，最终增加水体含氧量的一种曝气装置[21]。

射流曝气系统的核心设备是射流器，射流装置通过产生高速喷射水流在射出路径中形成一个空腔，空腔周围的水体向空腔内部挤压形成一个负压状态，将空气与水体吸入进混合室，经由扩散管形成汽水混合体向预设方向喷射而出，由于汽水混合物的高速喷射的特性，在此状态下水体中的气泡因空气与水体的相互作用被切割成尺寸细小同时比表面积大的气泡，增大水体与氧气的接触面积，加快氧气溶于水体这一过程，以此完成水体的曝气目的[22]。

综上，微气泡曝气由于复氧效果好、能耗低，是当前最具发展前景的曝气技术。

2 曝气去除黑臭水体污染物效果研究

2.1 黑臭水体中有机物去除效果

在黑臭水体治理中，曝气去除有机物是一种有效且易实施的手段。石慧等[23]在处理屠宰废水试验中，采用自制的25 L曝气设备工作8 h，COD(化学需氧量)平均去除率可达82.83% ，BOD(生化需氧量)平均去除率可达81.09%。王美丽等[24]在室内模拟曝气对上覆水污染物浓度影响实验中发现，在最佳的曝气条件下，COD去除率可达69.73%。孙从军等[25]在1997年治理上澳塘潘家桥河段过程中，采用的鼓风曝气系统经过1个月治理，水中CODCr去除率为 48.5%～61.0%，BOD5去除率在 56.4%～72.5%。陆晖等[26]研究发现，在景观水体修复实验中，微纳米曝气对水体中COD的去除率可达67.59%。Wu等[27]在广东东莞市茅洲河，单独采用微纳米曝气技术对其支流进行修复，COD去除率达到64.3%。洪涛等[28]采用微米气泡治理黑臭水体实验中发现，微米曝气COD去除率比普通曝气高12% 。

综上可见，经曝气系统处理后，黑臭水体中有机物去除效果较好，其中CODcr去除率能达到80%以上，最高可达84.8%。COD去除率会随着外界环境的改变而发生变动，处理效果欠佳时仅为19.5%;至于BOD5，由于曝气对微生物的影响途径受环境扰动较小，去除率稳定在56.4%～88.2%。

2.2 黑臭水体中氮、磷等污染物去除效果

氮、磷等形态的污染物，在黑臭河道中较为常见。往往河道致臭就是由于氮类污染物含量过高，在厌氧条件下形成氨气(NH3) 、硫化氢(H2S)等气体，利用曝气技术可以改善水体溶解氧水平，进而去除黑臭河道中的氮磷污染物[29]。王美丽[30]通过模拟实验发现，微米曝气装置具有良好的水体复氧效果，氨氮和总氮去除率可达44.10%和38.96%，去除效果明显高于空白对照组。张家港市重污染河道花园浜河治理项目中，王文林等[31]采用新能源曝气技术治理黑臭河道，研究表明,水体中总氮、氨氮、总磷浓度下降显著,最大去除率分别达16.9%、45.6%、33.5%。采用微纳米曝气技术治理广西大学东校园景观湖，氨氮去除率为70.20%，总氮去除率为66.75%，总磷去除率为17.30%。1994年，北京清河黑臭河道治理项目中，采用了叶轮吸气推流式曝气方式运行30 d，水体氨氮去除率达25.6%～40.0%[32]。鲍晓伟等[33]利用曝气技术处理畜禽养殖污水，研究发现总氮去除率28%～54%，总磷在曝气进行15 d时去除效果最佳，为81%。

上述研究表明，曝气对水体中氮的去除效果较好，对总磷的去除效果相对不明显。通过曝气改善水体溶氧含量，利于氮元素向高价态转化，从而达到高效除氮的目的。磷元素的去除主要通过微生物的代谢活动，若河道中微生物含量有限，则磷的去除效果相对不明显。诸多曝气技术中，因微纳米曝气技术的复氧率高、水体扰动小，氮磷的综合去除效果最佳。

2.3 黑臭水体中重金属去除效果

水体中的重金属主要富集在底泥与水体之中[34]，相对于有机物、氮、磷等污染物去除，水体中重金属污染物的去除更加困难[35]。因重金属具有富集性、难降解等特点，且对人体健康具有严重威胁[36]，因此需引起高度重视。

宋兰兰等[34]以扬州市真州镇有机污染水体为研究对象，通过实验发现，浅层底泥曝气，重金属释放速率适中，与水体重金属氧化能力相匹配，可显著减轻河道底泥重金属污染。

杨长明等[37]在安徽省合肥市南淝河道修复过程中采用精准曝气布氧系统，研究表明微孔曝气对重金属镍(Ni)形态改变较大，曝气前后残渣态质量分数比例由39.5%上升到55.0%。经过10 d曝气技术处理，重金属镍(Ni)在底泥间隙水中所占的重金属质量分数明显下降。

建议今后加大曝气去除重金属的机理研究力度，可考虑深入到化学层面，如曝气产生的羟基自由基，其强氧化性对重金属的去除效果研究。

3 曝气去除污染物影响因素分析

由常见曝气技术对比可知，微气泡曝气是目前最有发展前景的曝气技术。在此，仅探讨微气泡曝气技术曝气位置、曝气强度、曝气时间对污染物去除效果的影响。

3.1 曝气位置对污染物去除效果影响分析

影响曝气对污染物的去除效果，除了曝气技术本身外，曝气位置也很关键[38-40]。根据现有研究成果可知，底部曝气在污染物去除方面整体优于水体曝气。王美丽等[24]经过室内模拟实验发现，在泥水交接界面向下15 cm处COD去除率为63.79%，而处于水体位置曝气COD去除率不足26.66%。

国内外对于曝气位置的研究主要集中于水体和底泥2个位置，从有机物、氮和磷污染物的去除实验研究可知，底泥曝气整体去除率要比水体曝气效果更佳。建议今后关于曝气最佳位置的研究可聚焦底泥曝气机理研究，并据此得到曝气最佳位置与治理河流体量的关联性。

3.2 曝气强度对污染物去除效果影响分析

综上，曝气强度与污染物去除率两者间存在强相关性，但受时限制约，建议加强关于两者相关性与时间变化的规律研究。

3.3 曝气时间对污染物去除效果影响分析

曝气时间对于污染物去除率的影响评价是诸多曝气影响因素中较为热门的一类[48-49]，Izadi Parnian等[50]研究发现对比连续曝气，间歇曝气对P-摄取、聚合物质合成和糖原降解的关联程度更高。

鲍晓伟等[51]通过设计不同间隔时间曝气处理畜禽养殖污水的效果试验，以1 h为循环周期，设计了4种曝停比(1∶3，1∶1，3∶1,连续曝气)，研究发现曝停比与水体pH关联性不强， 总氮(TN)和总磷(TP)在曝停比为3∶1时去除率最高。尚亚丹等[52]发现间歇曝气条件下，铁碳微电解耦合人工湿地净化生活污水效果最佳。苏东霞等[53]采用序批式反应器 (SBR)进行短程硝化实验过程，并设计3种曝停比(3∶1、3∶2、3∶3)，得出COD去除率分别为76.71%、78.44%、79.94%，时间间隔与去除率为正相关关系。柴蓓蓓等[54]研究结果表明间隔曝气污染物去除效果要优于连续曝气，在曝停比为2∶1(即曝气40 min、停曝20 min)工况条件下，TN去除率为75.23%，高于连续曝气(72.79%); TP去除率分别为76.08%、54.45%，去除效果差异显著。

综上所述，有关曝气的曝停比仍局限于现有的经验公式之中，有关曝停比与污染物去除效果的函数模型研究内容甚少，建议加大有关模型研发及优化力度，节约能源的同时提高污染物去除率。

4 曝气与其他技术耦合对污染物去除效果研究

尽管因为高能效、低损耗等特点，曝气技术被广泛低地应用污水处理中，但单一曝气技术的弊端依然难以避免，如：污染物去除效果不稳定[57]、易引发二次污染、去除不彻底、水质难维护以及生物降解能力较低等。

表2 不同修复技术对黑臭水体污染物的去除率 %

整体而言，曝气与一种或多种技术结合，如植物、微生物、化学药剂等，可提高污染物的去除率，均可达到良好的治理效果;曝气工艺与物联网络技术的结合可有效降低系统运行能耗，关于曝气技术与其他技术耦合机理研究不多，建议深入到耦合机理层次进行研究，譬如在精确曝气控制领域，就如何解决控制器算法的滞时性以及与曝气技术之间的适配性等。

5 结论与展望

综上所述，曝气技术治理黑臭水体的效果受诸多因素影响，如深度、位置、强度和时间等影响治理效果的程度不一、机理不同;并且各因素的影响作用并非相互独立，比如曝气强度与曝气时间呈负相关关系，当曝气时间较长时，曝气强度的影响会逐渐降低。与此类似，不同曝气位置、深度也会改变其他因素对治理效果的影响权重;另外，除本文列举的曝气影响因素外，还有一些因素，如水体流速、温度、水体大小，气候变化等都会对曝气效果产生影响。曝气与其他技术的耦合可取长补短、强化治理效果，如曝气与植物、微生物结合可以提升氮类污染物的去除率;曝气与物联网技术组合，可以降低系统能耗。

目前曝气与其他技术的耦合机理尚不明确，有待进一步的深入研究。此外，在众多影响因素中筛选出关键因素，厘清因素作用机制和互相作用关系，仍值得继续探究。