纯氧曝气在黑臭河道治理中的应用效果研究

张华俊，蒋声东，李 森，苏 蕾，张文磊

（1.黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州 都匀 558000；2.华设设计集团股份有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000；3.广州资源环保科技股份有限公司，广东 广州 510601）

0 引言

黑臭是河流污染的一种极端表现，河水由于受到严重污染溶解氧大幅下降，进入缺氧厌氧阶段[1-2]，引起污染物酸化分解和厌氧细菌分泌代谢产物，导致发黑发臭而严重影响城市发展质量与居民人居环境[1-8]，消除河道黑臭对人居健康与持续发展具有重要现实意义[9]。工程实践证明原位治理是一种可靠、有效的黑臭河道治理技术，目前国内外河道原位治理技术主要有河道曝气复氧、生物接触氧化、河流湿地系统和生态浮床等[10]。曝气复氧是治理黑臭河道的一种有效工程措施[2-3]，可大幅提高河水溶解氧和氧化还原电位，直接抑制或阻断黑臭物质产生[4,11-12]，在我国黑臭河道整治中具有广范应用[12]。目前国内外主要采用的曝气技术包括空气曝气、纯氧曝气及臭氧曝气等[11]。纯氧曝气氧的转移速率是空气曝气的4.7倍，可快速提高水体溶解氧水平，恢复和增强水中好氧微生物活力，加快污染物降解[13-14]。目前黑臭河道曝气复氧的研究多集中在最佳曝气方式选择、需氧量计算、曝气过程中水体动力学条件影响等方面[15]，而专门针对纯氧曝气结合微生物在相对封闭未截污完全的黑臭河道治理工程中的实际工程效果系统研究较少，多为开放式河道处理或排污口应急处理效果的研究，少有纯氧曝气设备运行模式与处理效果成本平衡的研究[16-17]。本研究以日本进口纯氧曝气设备进行实际工程应用的黑臭河道为对象，研究了纯氧在黑臭河道水体中的保持能力并重点研究了不同运行模式下纯氧曝气不同时段对截污未完全的黑臭河道治理效果对比研究。

1 材料与方法

1.1 试验设备与技术特点

试验所用纯氧曝气设备为日本进口产品，机型OD-911型，数量1套，用电规格11 kW，尺寸：Φ910×2795（H），重约1.1 t，占地面积3 m×2 m，日消耗氧气量约108 kg。设备工艺：原水→微生物培养槽→气体置换装置→出水。设备原理：通过构建水体及底泥好氧环境，治理过程中无需药剂，完全自然净化。

技术特点：① 在水体底部进行高浓度氧气溶解水供给，利用水分子原理进行气体置换，无气泡，气体在水分子中滞留时间长，无需大量供给气体，纯氧利用率几乎 100%，氧气在水中衰减时间长。②从根本上净化河道，不使用造成二次污染的药剂与化学材料，逐渐恢复河道自净能力。生态净化系统完全依靠氧气、微生物等原生态进行自然净化。③实现气体完全溶解，无损失，减少运营成本，运营成本仅为抽水泵电费和纯氧费。④施工工程简单，设备几乎不需要维护。无需庞大工程施工，核心设备无需每天耗费人力物力进行维护，只需定期点检。

1.2 试验设计

本试验黑臭河道水质较差，水体溶解氧在0.8～3.5 mg/L，该河道宽度10～15 m，关闭闸门保持水体深度0.7～1.2 m，该河道每年冬春季水温在 15℃以上。晴天时没有污水汇入，水体处于静止状态，降雨时会有溢流污水汇入，另外河道受潮汐及闸门影响水位存在变化。该河道淤泥主要分两层，最下部固体污泥厚度有 1 m，半年前上部淤泥已清淤，目前上部淤泥厚度累计有 50 cm 以上。高压纯氧设备设置在河道下游闸门处（图1），其中设备主要功耗来自提升水泵，水泵在设备处将水提升入装置，利用纯氧进行气体置换，置换后的高浓度含氧水通过管道自流至下游300 m处折回，形成该河段水体的内循环，提高氧利用率，试验设计设备运行时间采取24 h-0 h-12 h-8 h的模式，每种模式持续7 d，试验期间其他措施暂停使用。研究表明溶解氧持续距离是衡量纯氧曝气效果的主要指标之一，纯氧曝气后溶解氧持续距离越长，能保证越长河道水质得到改善，同时降低纯氧曝气成本。工程中实际复氧效果能维持到400 m 左右[16]，故本试验设定重点监测300 m内的溶解氧浓度。试验开始后每3 d在纯氧设备出水口、150 m、300 m位置多次测量水体溶解氧浓度，测量时间点为8:30，14:00，18:30。测量位置固定为水面下10 cm，同时检测出水口处与300 m处水化指标（NH3-N、TP及CODCr），试验布点位置如图1所示。

图1 试验河道样点布置图

在高压纯氧设备出水口采集1桶（25 L）河水为检测对象，运回室内每天3~4次检测水体溶解氧含量情况，观察氧气在水中的持久性。

1.3 数据检测与分析作图

每3 d对各样点水体（表层10 cm）进行采样后运回实验室检测水化指标，检测指标有CODCr、NH3-N、TP，水化指标采用哈希水质快速分析仪（DR1900）测定；DO采用便携式溶氧仪（JPB-607A）现场测定。本研究数据分析采用SPSS20.0软件，作图采用Origin 17.0软件绘制。

2 结果与分析

2.1 纯氧在黑臭河道水体中的保持能力实验

溶解氧是反映水质的重要指标，通过提高水体溶解氧含量，可达到消除黑臭，减少污染负荷，维持生态净化系统结构稳定和最大净化功能[18]，在最佳曝气参数条件下，纯氧曝气氧利用率可以维持在90%左右[16]，纯氧曝气时溶解氧在水中的保持能力具有较好研究价值。由图2可知，水桶中水体溶解氧保持能力较强，刚取水的溶解氧含量高达20.1 mg/L，第一天19℃时，水体饱和溶解氧对应的浓度是9.27 mg/L，此时水体溶解氧为10.55 mg/L，高于所对应饱和氧浓度，表明纯氧曝气水体溶解氧保持能力较强，经过一天静置仍能保持饱和状态。第二天溶解氧浓度较快衰减，傍晚时达到5.27 mg/L，第三天、四天水体溶解氧衰减缓慢，最终降低到2.73 mg/L，但仍高于《城市黑臭水体整治工作指南》中轻度黑臭水体所定义的溶解氧浓度2 mg/L。试验表明，纯氧曝气能快速提高黑臭水体溶解氧水平，与其他曝气方式不同的是其溶解氧保持能力较强，能在几天内都保持较高水平。通过数据分析可知纯氧曝气具有较大优势，出水口溶解氧浓度能达到20+ mg/L，说明它能将纯氧气高效、快速转移到河道水体中，通过静置实验，得出溶解氧在水体中保持能力也较强，这是传统曝气方式远不及的。其次纯氧曝气能向河道水提供更充足的溶解氧，大大保证微生物在有充足溶解氧下对河道污水有机物的分解。

表1 各温度下水体饱和溶解氧值

图2 纯氧在黑臭水体中衰减曲线

2.2 纯氧曝气对水体溶解氧水平的影响

由图3可知，设备试验期间出水口处水体溶解氧水平总体较高，最高值超过溶解氧仪检测上限20+ mg/L，结果与张绍君的研究一致[16]。在输水管爆裂期间最低为0.49 mg/L，在停止运行期间加上污水排入时溶解氧水平最低为0.81 mg/L。纯氧设备出水口处溶解氧水平在一天内3个时段的变化规律较为一致，都存在因设备运行时长不同、河道排污、输水管爆裂等导致波动的显著规律存在。前期溶解氧水平存在14:00＞18:30＞8:30的关系，这与设备开停时段有关（8:00—18:00），8:30水平较低与运行时间较短有关，18:30较低则与已关机有关。该处河道水体溶解氧浓度直接反映了设备的开停状况。当设备24 h开启后，该点不同时段溶解氧水平差异变小。在24 h模式中三者出现较大差异与该时段输送管爆裂有关。总体而言12 h运行模式与8 h运行模式导致的溶解氧水平差异不大，而在12 h运行模式（8:00—20:00）下，溶解氧水平存在如下关系18:30＞14:00＞8:30，所有监测时段设备都在运行，表明运行时间越久，即使该模式时段期间有污水进入，水体溶解氧水平越高。而在8 h运行模式（8:00—16:00）下，溶解氧水平存在如下关系14:00＞18:30＞8:30，18:30时段溶解氧水平降低与机器关停有关，而仍高于8:30时段，表明纯氧曝气氧气在水体中的保持能力较强，经过2.5h后仍处于较高水平。

图3 出水口处水体溶解氧变化情况

由图4可知，该样点在试验期间溶解氧水平较高，表明了出水口来水对该样点的强烈影响，仅在纯氧设备关停时含量<2 mg/L，高含量溶解氧利于污染物降解。该样点处3时间点溶解氧变化趋势也较一致，溶解氧受出水口显著影响，其变化规律同出水口处较一致。前期存在14:00＞18:30＞8:30关系，随着运行时间的延长（24 h），三者之间的差异逐渐降低。当纯氧设备关停时，三监测时段溶解氧水平均快速降低，三者间的差异性也降低。待实施12 h运行模式后，溶解氧水平提升，溶解氧水平存在如下关系18:30＞14:00＞8:30。在8 h运行模式下，溶解氧水平相对12 h模式有所降低，但仍存在18:30＞14:00＞8:30顺序关系，相对而言，12 h同8 h模式下的差异性同样较小。

图4 150 m处水体溶解氧变化情况

由图5可知，该样点处各时段溶解氧变化趋势与前2样点规律一致，表明该纯氧设备辐射范围较大，前期运行时段（8:00—18:00），导致溶解氧水平存在14:00＞18:30＞8:30关系，随着运行时间延长（24 h），溶解氧水平持续上升，且三者间差异缩小，输水管道破裂后溶解氧水平又开始降低，管道修好后溶解氧立即升高，表明纯氧设备对水体溶解氧的显著影响。关机后溶解氧又立即降低，且三者之间差异较小。当运行12 h（8:00—20:00）后，溶解氧水平回升但＜24 h模式下的，由于管道破裂溶解氧又有所降低。在该模式下，溶解氧水平存在如下顺序18:30＞14:00＞8:30。曝气时段包含了监测三个时段，表明随着曝气时间增加，水体溶解氧水平逐渐增加。在8 h运行模式下（8:00—16:00），溶解氧水平仍存在如下顺序18:30＞14:00＞8:30，虽18:30时段设备已经关闭，但溶解氧水平仍较高，同样表明纯氧曝气在水体中的保持能力较强。

图5 300 m处水体溶解氧变化情况

2.3 纯氧曝气对水体污染物浓度的处理效果

试验处理前河水感官上黑臭且浑浊，透明度极低，纯氧设备开启后在无大量排污前提下河水逐渐消除黑臭转绿，粘稠油膜消失，说明该河道有机污染物迅速削减。水体颜色由灰黑色转变成为“土黄色”，表明浊度颗粒中还原性无机物转变为氧化态[16]。研究表明人工曝气对CODCr、NH3-N和TP有一定去除效果，水质得到好转[4,14]。通过对河道两样点（出水口0 m和300 m）水质监测系统研究各污染物浓度变化情况。

由图6可知，出水口处试验前期水体NH3-N与CODCr浓度整体呈上升趋势到达到最大（49.4 mg/L和51 mg/L）后又开始降低，在25 d后降低到最小值（1.52 mg/L和7 mg/L）后一直持续增加。其中NH3-N增加并未超过之前最高值，而CODCr浓度超过之前最高值。TP浓度变化表现出了同CODCr相同的趋势，最后浓度也高于之前的最大值。试验前期各指标浓度存在一定波动，但无较大增加，该时间段水体黑臭浑浊、污水排入导致水位上涨，此外漂浮大量垃圾，该现象表明了纯氧设备的作用，虽有大量排污但设备24 h运行使水体溶解氧维持较高水平，加速降解有机污染物，导致污染物浓度未见大幅增加。而后污染物浓度出现快速增加趋势，这与纯氧输水管破裂有关，影响了设备处理效果。29日后各污染物浓度降低，这段期间纯氧设备处于关停阶段，同时闸门开启，水位较低（20 cm），水体异常清澈。该段时间处于春节前，工厂停工排污较少，加之水浅水清阳光直射有利于微生物的降解，加速污染物的降解，两者综合作用共同促进了污染物浓度降低。试验后期处于春节后，工厂恢复生产，排污量增大，水体排入乳白色液体，导致透明度仅有15 cm，纯氧设备虽有运行但水体营养盐浓度逐渐升高，这也与后期设备运行时间缩短有关。

图6 出水口处水体各污染物浓度变化情况

由图7可知，闸门处（300 m）各污染物浓度变化规律同出水口较一致，最开始纯氧设备长时间运行，污染物浓度快速降低，其中NH3-N浓度从22 mg/L快速降低至10.8 mg/L，但CODCr和TP浓度降低较小。输水管的爆裂也影响了该点增氧效果，加上污染物持续排入，导致此时闸门处污染物浓度有个快速增加趋势，在28日后到达最高值，其中NH3-N浓度为46 mg/L，CODCr浓度为54 mg/L，TP浓度为2.54 mg/L，待管道修复后，各污染物浓度又出现快速降低趋势，各污染物浓度降幅达37.8%~70.4%，其中NH3-N降解效率最高，TP最低。这与纯氧水输送管修好、排污量减少、水体水位降低及闸门开启上游较洁净水体移至闸门口处等有关。随后监测点各污染物浓度持续增加同样与春节过后工厂恢复生产，排污量持续增大，加之纯氧设备运行时间缩短至8~12 h，不足以削减过多污染物有关。

图7 300 m处水体污染物浓度变化情况

3 讨论

纯氧曝气技术可作为水体突发污染事件应急措施或对河道排污口进行应急处理[16-17]，同时连续纯氧曝气对底泥有明显的原位修复作用[16]。通过本研究掌握了纯氧曝气下河道实际溶解氧每段时间的变化规律和影响因素等，有助于在黑臭河道治理工程上快速找到问题并设计相应参数进行解决。纯氧设备向水体连续或间歇充入纯氧，加速水体复氧以提高溶解氧水平，配合投加微生物从而恢复及提升水中土著好氧微生物活力，在河道内形成多种微生物和水生动物共存的生态系统，通过各类微生物和水生生物共同作用降解污染物，从而改善河道水质[3,10,15]。在溶解氧作用下，水中H2S、FeS和NH3等在好氧微生物作用下被氧化成 Fe（OH）3和NO3-等，Fe（OH）3沉淀在底泥表面形成密实保护层，可减少底泥中污染物扩散释放，抑制厌氧微生物活动。同时，Fe2+被氧化成Fe3+，Fe3+结合底泥中PO43-，降低TP含量。水体溶解氧＞5.0 mg/L 时，硝化细菌进行硝化作用，将水体大部分NH3-N 转化为硝态氮，有效降低NH3-N 浓度[18]。曝气还能增加水体紊动，有效促进底泥中氨氮向水体扩散，这能促进底泥微生物数量和多样性的增加，为底泥污染物的生物降解提供良好基础[3,10]。

研究表明在纯氧曝气初期会对底泥有较大搅动，底泥中的磷会释放到水体中，引发初期TP含量的升高，随着曝气的持续进行，水体溶解氧越来越高，部分溶解态P和Ca离子结合，转化成难溶的磷酸钙沉淀，底泥P向水体释放被抑制，水体P含量逐步下降[17]。底泥会消耗其上覆水体中的溶解氧，长时间曝气对底泥起到了原位修复作用，随着曝气时间的增加，上下层溶解氧浓度差值有变小趋势，表明底泥中的耗氧物质在不断被氧化，从而减弱底泥对上覆水体的二次污染[16]。纯氧曝气相对于化学手段更符合环保理念，改善水体溶氧环境以促进生物处理，不会引起二次污染。设备安装工程量及占地面积不大，但其能耗却不容小视，投资和运行成本比较大，适合在大型工程上辅助使用，同时为更有效治理黑臭河道应以建立和恢复具有生物多样性的生态系统结构为原则，还需结合截污纳管、雨污分流、海绵城市、原位处理等其他系统工程措施同步实施。

4 结论

（1）纯氧设备能快速提升水体溶解氧至20 mg/L以上，溶解氧保持能力较强，能在4 d内仍保持在2.73 mg/L以上水平。纯氧曝气能有效消除河道黑臭现象，对NH3-N削减效果最为显著，对CODCr和TP 也有一定削减，但排污输入、管道破裂、天气等因素会导致效果有所波动。

（2）纯氧设备对水体溶解氧水平影响显著，高浓度含氧水从出水口向下游150 m到300 m方向扩散，能迅速提升全河段溶解氧水平，在扩散过程中，存在部分损失导致下游河段溶解氧水平略低于出水口处。3样点在24 h运行模式下，溶解氧水平存在：14:00＞18:30＞8:30，三者差异性较小。待实施12 h运行模式后，存在如下关系18:30＞14:00＞8:30。在8 h运行模式下，溶解氧水平相对12 h模式有所降低，但仍存在18:30＞14:00＞8:30顺序关系。

（3）溶解氧水平能直观反映纯氧设备开停情况，各样点各时段都表现出24 h＞12 h＞8 h的规律，其中12 h与8 h差异较小，基于成本考虑可选择8 h工作模式。在持续污染物排入前提下，纯氧曝气配合微生物对污染物具有较好的消解，曝气时间越长效果越好，设备停机水体污染物浓度呈增加趋势。