純氧曝氣在河道排污口應(yīng)急處理上應(yīng)用效果探究

郭躍華，程 浪，李瑞博，吳勝春

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518102)

1 引言

近年來(lái)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了巨大成就，但對(duì)資源消耗和環(huán)境污染的負(fù)面影響逐漸凸顯，已經(jīng)成為了制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。水作為生命生產(chǎn)生活的重要資源，存在著前所未有的水質(zhì)的功能危機(jī)，水體黑臭嚴(yán)重影響市民的生活環(huán)境和身心健康，水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重威脅水生生物的生存和生產(chǎn)開(kāi)展。2015年發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出，到2020年全國(guó)地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以內(nèi)，到2030年城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。在黑臭水體治理過(guò)程中，保持水體中足夠溶解氧，對(duì)于水質(zhì)改善至關(guān)重要。因此，如何增加水體中的溶解氧是黑臭水體治理中的研究熱點(diǎn)。目前常用的增氧方式分為人工增氧和自然增氧，人工增氧較自然增氧具有更寬泛的使用范圍和邊界條件，因而被工程項(xiàng)目廣泛采納。曝氣作為人工增氧的主流措施被設(shè)計(jì)到系統(tǒng)治理工程中，常見(jiàn)措施包括：射流曝氣、噴泉曝氣、跌水曝氣、微孔曝氣和微納米曝氣等。這些曝氣方式共同的特點(diǎn)，是采用空氣作為氧原子的供體，通過(guò)擴(kuò)散的方式溶解到水體中增加水體的溶解氧的含量。然而在常溫常壓下，空氣中氧氣分壓較小，體積比僅為21%，實(shí)際供氧的能力非常有限。趙啟超等在研究清水氧傳質(zhì)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，旋流曝氣器、膜片式微孔曝氣器、微納米曝氣裝置，標(biāo)準(zhǔn)氧傳質(zhì)效率分別為2.4%、2.8%、31%[1]。工程實(shí)踐也證明采用空氣曝氣的方式快速提高水體中溶解氧效果并不理想，因此需要探索更高效的曝氣增氧方式。純氧曝氣作為一種水體快速充氧的方法，在國(guó)外河道治理中已有成功案例。在國(guó)內(nèi)，純氧曝氣在污水處理好氧工藝單元上也有一定的應(yīng)用研究基礎(chǔ)，但在開(kāi)放的黑臭河道綜合治理上的研究比較少見(jiàn)。在本文中，筆者通過(guò)在黑臭河道點(diǎn)源排污口上應(yīng)用純氧曝氣措施對(duì)其快速改善水體黑臭效果進(jìn)行探究；結(jié)果表明：純氧曝氣能夠快速消除水體感官黑臭，對(duì)化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)具有顯著消除的效果，但對(duì)氨氮(NH3-N)的去處效果并不理想。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 排污口參數(shù)及水質(zhì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為海口市龍昆溝南大橋下，點(diǎn)源排污口口徑大小為3 m×2.5 m，在污水口建設(shè)長(zhǎng)18 m，寬6 m，深2.5 m的調(diào)蓄池；晴天為管道污水溢流，溢流量為104 t/h，雨天混進(jìn)大量的雨水，溢流量增加。溢流水質(zhì)指標(biāo)：溶解氧(DO)0.15 mg/L、氨氮(NH3-N)20.38 mg/L、總磷(TP)5.48 mg/L、化學(xué)需氧量(CODCr)53 mg/L，水溫(WT)28 ℃。

2.2 曝氣設(shè)備參數(shù)及材料

選用日本奧誠(chéng)環(huán)境株式會(huì)社的低壓純氧溶解裝置(圖1)，型號(hào)為RO-919，占地6 m2，出水流量180 m3/h，日處理量4320 m3/d，綜合耗氧量80 kg/d，直徑(Φ)91.8 cm，高(H)288.6 cm；進(jìn)水管為國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)型Φ160，水泵功率3.3～7.7 kW，工作電流10 A，揚(yáng)程14 m，純氧采用華南特種氣體生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)瓶裝液態(tài)氧。

2.3 周期、儀器與分析方法

在曝氣啟動(dòng)后每隔1 h監(jiān)測(cè)1次溶解氧的濃度，連續(xù)監(jiān)測(cè)8 h；每隔1 h觀測(cè)1次水體顏色及透明度變化，連續(xù)觀測(cè)3 h；每隔2.5 h監(jiān)測(cè)1次氨氮、化學(xué)需氧量、總磷濃度的變化，連續(xù)監(jiān)測(cè)30 h。溶解氧(DO)測(cè)定采用上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的雷磁品牌溶氧儀，氨氮(NH3-N)采用納氏比色法進(jìn)行測(cè)定，化學(xué)需氧量(CODCr)采用重鉻酸鉀法測(cè)定，總磷(TP)采用分光光度法測(cè)定。

圖1 低壓純氧溶解裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 溶解氧變化趨勢(shì)分析

圖2顯示調(diào)蓄池內(nèi)的溶解氧濃度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，當(dāng)純氧曝氣設(shè)備開(kāi)啟后，調(diào)蓄池中污水的溶解氧濃度不斷上升，調(diào)蓄池中污水起始溶解氧濃度為0.15 mg/L，曝氣0.5 h后溶解氧濃度上升到4.21 mg/L，1 h后溶解氧濃度上升到10.37 mg/L，2 h后溶解氧濃度上升到16.74 mg/L，3 h后溶解氧濃度上升到23.29 mg/L，4 h后溶解氧濃度上升到27.81 mg/L，5 h后溶解氧濃度上升到32.73 mg/L，達(dá)到最高值，持續(xù)曝氣溶解氧濃度不再發(fā)生變化，水體中的溶解氧實(shí)際含量由供氧量和耗量的差額決定的。圖2顯示，在曝氣初期由于污水中好氧物質(zhì)較多，曝氣設(shè)備提供的氧氣優(yōu)先被污水中的好氧物質(zhì)消耗。連續(xù)曝氣0.5 h，污水池中的溶解氧濃度僅達(dá)到4.21 mg/L。隨著純氧曝氣的持續(xù)進(jìn)行，1 h后調(diào)蓄池中溶解氧的濃度上升到10.37 mg/L，達(dá)到了空氣曝氣提升水體溶解氧的極限值。有研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，純氧在水中的飽和溶解度可以達(dá)到49 mg/L，而空氣曝氣時(shí)氧氣的飽和溶解度只能達(dá)到10 mg/L[2]。此后的3個(gè)小時(shí)內(nèi)，污水池中的溶解氧濃度以每小時(shí)4～6 mg/L的速度增加，5 h后最終停留在31～33 mg/L之間波動(dòng)，不再顯著上升。這可能污水中的耗氧物質(zhì)基本消除，水體中純氧達(dá)到了飽和溶解度，多余的溶解氧通過(guò)氣泡的形式溢出到大氣中，供給與溢出達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

3.2 水體感官變化分析

圖3調(diào)蓄池中水體的顏色曝氣前后對(duì)比效果。從圖中可以看出隨著溶解氧的不斷提升，調(diào)蓄池中的水體顏色逐漸發(fā)生變化。曝氣前水體呈現(xiàn)墨黑色，水體透明度為5 cm；曝氣0.5 h后調(diào)蓄池中水體顏色變化成灰白色，水體透明度為13 cm；曝氣1 h后調(diào)蓄池中水體中顏色再次變化成土黃色，水體透明度為30 cm ；曝氣2 h后調(diào)蓄池水體的顏色變成淡黃色，水體透明度明顯提高達(dá)到50 cm，水體表層開(kāi)始出現(xiàn)白色泡沫。之后幾小時(shí)持續(xù)曝氣水體顏色變化不顯著，透明度變化不明顯。

研究表明水體發(fā)黑現(xiàn)象是多種因素綜合表現(xiàn)的結(jié)果。當(dāng)大量有機(jī)耗氧物質(zhì)進(jìn)入水體后，水體中的溶解氧不斷下降，在微生物的作用下，有機(jī)硫被分解和硫酸鹽被還原，最終產(chǎn)生硫化氫(H2S)；鐵的氧化物和氫氧化物被還原成二價(jià)鐵離子，當(dāng)溶解氧進(jìn)一步減少甚至水體呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)時(shí)，二價(jià)鐵離子與硫化氫結(jié)合形成硫化亞鐵(FeS)；FeS是黑色沉積物，水體中微小的懸浮物質(zhì)會(huì)吸附一部分FeS，而部分沉積于水底的FeS沉積物還會(huì)在厭氧分解產(chǎn)生的氣體或氣泡的托浮作用下重新進(jìn)入水體，在其他因素的協(xié)同作用下，使水體呈現(xiàn)黑色[3]。羅紀(jì)旦等[4]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水體發(fā)黑與懸浮顆粒有直接聯(lián)系，懸浮顆粒中的致黑物質(zhì)主要是腐殖酸和富里酸。應(yīng)太林等[5]對(duì)蘇州河水體黑臭機(jī)理進(jìn)行研究，通過(guò)沉淀分離、充氧及氧化還原電位測(cè)定等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒對(duì)水體致黑起到主導(dǎo)作用，并指出懸浮顆粒中的腐殖酸和富里酸吸附絡(luò)合Fe、Mn和S形成的化合物成為主要致黑物質(zhì)，并證明了二價(jià)鐵離子在致黑方面的主導(dǎo)作用。

圖2 水體中溶解氧濃度隨時(shí)間的變化

當(dāng)?shù)蛪杭冄跞芙庋b置啟動(dòng)后，水體中溶解氧不斷增多，氧化性不斷增強(qiáng)，氧化還原電位也隨之升高，水體中懸浮態(tài)Fe、Mn和S形成的絡(luò)合物逐漸被氧化解體，鐵、錳離子被氧化成高價(jià)態(tài)，黑色物質(zhì)濃度逐漸降低，這是水體顏色從黑色、灰白、土黃再到淡黃色變化的主要原因。由于水和氧氣是在低壓溶氧設(shè)備中完成接觸反應(yīng)后外排到調(diào)蓄池水體中，水體中的溶解氧因壓力減小不斷從水體中均勻溢出，形成微小的氣泡顆粒形成氣浮效果，將比重小于1的難溶性物質(zhì)進(jìn)行去除，比重較大的顆粒物沉降到水體底部。隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，水體透明度不斷增加。

圖3 調(diào)蓄池中水體的顏色曝氣前后對(duì)比

3.3 氨氮變化趨勢(shì)分析

圖4調(diào)蓄池中氨氮濃度隨曝氣時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出低壓純氧溶解裝置啟動(dòng)前，調(diào)蓄池中的氨氮含量為20.38 mg/L；連續(xù)曝氣30 h，氨氮的濃度在19.25～23.95 mg/L之間變化，最大變幅為4.70 mg/L，最小值出現(xiàn)在曝氣5 h后19.25 mg/L，最大值出現(xiàn)在曝氣10 h后23.95 mg/L，總體呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的趨勢(shì)，曝氣結(jié)束時(shí)氨氮的濃度停留在23.05 mg/L，較曝氣啟動(dòng)前升高13%。

水體中的氨氮主要來(lái)源于含氮有機(jī)化合物的分解，在曝氣初期水體中氨氮呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，這可能與曝氣對(duì)底泥的擾動(dòng)有關(guān)。當(dāng)曝氣啟動(dòng)時(shí)，曝氣的進(jìn)水端和出水端對(duì)底泥產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，底泥中的氨氮釋放到水體中，引起水體中氨氮的升高。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行后，底泥的攪動(dòng)越來(lái)越小，水體中的處于氨氮平衡狀態(tài)。氨氮主要是依靠硝化細(xì)菌進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在有氧條件下消化細(xì)菌把氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，但硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率十分緩慢，長(zhǎng)期處于厭氧狀態(tài)的生活污水中硝化菌種含量較低，pH值處于酸性狀態(tài)，這些都不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，因此氨氮濃度沒(méi)有呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。陳誠(chéng)等[6]研究了臭氧在水廠的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，有機(jī)物經(jīng)過(guò)臭氧氧化后，分子量在3 K～1 K范圍內(nèi)的有機(jī)物會(huì)有較大幅度的上升，分子量小于1K的有機(jī)物變化不大。氨氮屬于小分子物質(zhì)，分子量小于1 K，因此不能被直接氧化，僅靠單純的純氧曝氣無(wú)法降解和轉(zhuǎn)化水體中的氨氮。張紹君等[7]研究純氧曝氣對(duì)河流黑臭現(xiàn)象的工程控制效果時(shí)，指出純氧曝氣工藝能夠?qū)⒑铀芙庋醯臐舛葟牧阊杆偬岣叩?0 mg/L，但對(duì)氨氮的去除效果不顯著。張鞠萍等[8]研究曝氣生物濾池時(shí)也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象，曝氣24 h后氨氮質(zhì)量濃度基本沒(méi)什么變化，甚至略有上升。Shilo M等[9]在實(shí)驗(yàn)條件下研究硝化細(xì)菌的增殖情況，結(jié)果表明硝化細(xì)菌增殖1倍至少需要26 h。

因此，氨氮濃度不但沒(méi)有下降反而略微上升的主要原因，可能是硝化細(xì)菌休眠體還未被充分激活沒(méi)能起到降解氨氮的作用，然而水體中少量異養(yǎng)微生物卻能迅速大量繁殖，并生物降解有機(jī)物，產(chǎn)生微量氨氮代謝產(chǎn)物。氨氮釋放和消耗處于短暫的動(dòng)態(tài)平衡，后期添加硝化細(xì)菌氨氮快速下降，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖4 調(diào)蓄池中氨氮濃度隨曝氣時(shí)間的變化

3.4 化學(xué)需氧量變化趨勢(shì)分析

圖5為調(diào)蓄池中化學(xué)需氧量濃度隨曝氣時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出低壓純氧溶解裝置啟動(dòng)前，調(diào)蓄池中的化學(xué)需氧量(CODCr)濃度為48.03 mg/L；連續(xù)曝氣30 h后，CODCr的濃度變化區(qū)間50.98～21.09 mg/L，最大值出現(xiàn)在曝氣5 h后50.98 mg/L，最小值出現(xiàn)在曝氣15 h后21.09 mg/L，濃度變幅為29.89 mg/L；曝氣10 h后CODCr不再顯著下降，CODCr濃度在22.71 mg/L左右波動(dòng)，較起始CODCr濃度相較下降53%。

化學(xué)需氧量反映了水中受有機(jī)物污染的程度,是衡量水體污染的重要指標(biāo)之一。在同等條件下，異養(yǎng)菌相對(duì)自養(yǎng)菌具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，曝氣初期隨著水體中的溶解氧升高，異養(yǎng)菌快速響應(yīng)，優(yōu)先利用水體中的CODCr，進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)和有機(jī)物分解活動(dòng)，這可能是曝氣初期CODCr快速下降的主要原因。隨著CODCr濃度的逐步降低，有機(jī)部分越來(lái)越少減少，無(wú)機(jī)部分比重越來(lái)越大，降解速率放緩或停滯。因此曝氣后半段CODCr濃度維持在21～22 mg/L之間波動(dòng)。張紹君等[7]通過(guò)對(duì)純氧曝氣在黑臭河道中應(yīng)用的研究，結(jié)果表明曝氣后河水的化學(xué)需氧量的去除率為23%～45%；德國(guó)MESSER集團(tuán)協(xié)助上海環(huán)境科學(xué)院在上海蘇州河支流新涇港下游進(jìn)行了純氧曝氣工藝的現(xiàn)場(chǎng)中試，試驗(yàn)結(jié)果表明，純氧曝氣可以有效降低黑臭水體中化學(xué)需氧量的濃度，當(dāng)河水流速較平緩時(shí)，化學(xué)需氧量的去除率為19.5%～55.6%[10]，這與研究的結(jié)果十分類(lèi)似。

圖5 調(diào)蓄池中化學(xué)需氧量濃度隨曝氣時(shí)間的變化

3.5 總磷酸鹽變化趨勢(shì)分析

圖6為調(diào)蓄池中總磷酸鹽濃度隨曝氣時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出低壓純氧溶解裝置啟動(dòng)前，調(diào)蓄池中的總磷酸鹽(TP)濃度為5.48 mg/L；連續(xù)曝氣30 h后，TP的濃度變化區(qū)間6.07～3.46 mg/L，最大值出現(xiàn)在曝氣5 h后6.07 mg/L，最小值出現(xiàn)在曝氣30 h后3.46 mg/L，濃度變幅為2.61 mg/L；曝氣10 h后TP濃度不再顯著下降，在3.71左右波動(dòng)，較起始TP濃度相較下降32%。當(dāng)含磷物質(zhì)進(jìn)入水體后，受到沉積物中各種條件的影響，會(huì)在水與底質(zhì)的界面上不斷地交換；溶解態(tài)的磷可以被底質(zhì)吸附進(jìn)入沉積物中，沉積物中的磷也可以在一定條件下不斷地向水中釋放。在曝氣初期，曝氣設(shè)備的啟動(dòng)，對(duì)底泥有較大的攪動(dòng)，底泥中的磷部分釋放到水體中，引發(fā)曝氣初期的TP濃度的升高，隨著曝氣的持續(xù)進(jìn)行，水體中的溶解氧越來(lái)越高，部分溶解態(tài)的TP和水體中溶解態(tài)的Ca離子向結(jié)合，逐步被轉(zhuǎn)化成難溶的磷酸鈣而沉淀，底泥向水體釋放磷的過(guò)程被抑制，水體中TP的含量逐步下降，在曝氣10 h后TP下降到最底水平。張麗萍等[11]在對(duì)近春湖底泥的研究中發(fā)現(xiàn)，磷的釋放過(guò)程受厭氧過(guò)程和底泥顆粒吸附的影響，耗氧速率高的底泥具有更大的磷釋放潛力；這表明提高水體的溶解氧，可降低底泥磷的釋放，有助于水體中TP的穩(wěn)定。

圖6 調(diào)蓄池中總磷酸鹽濃度隨曝氣時(shí)間的變化

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)純氧曝氣在河道排污口應(yīng)急處理上應(yīng)用效果探究。得到結(jié)論：純氧曝氣能夠快速提升水體的溶解氧，0.5 h可以將水體的溶解氧從0.15 mg/L提高到4.21 mg/L，5 h內(nèi)水體中的溶解氧達(dá)到32.73 mg/L。純氧曝氣可以使水體的顏色快速變化透明度顯著增加，0.5 h水體黑色變成黑白色，2 h水體變成淡黃色，水體透明度從5 cm提高到50 cm。純氧曝氣可以在10 h內(nèi)將污水中CODCr從48.03 mg/L消減到22.71 mg/L，消解率為53%。純氧曝氣可以在10 h內(nèi)將污水中TP從5.48 mg/L消減到3.71 mg/L，消解率為32%。純氧曝氣對(duì)氨氮的去除效果不好，曝氣后水體中的氨氮升高了13%。

5 展望

城市黑臭河道水體污染治理是我國(guó)開(kāi)展環(huán)境治理，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)的重要舉措。探索黑臭水體綜合治理的有效措施，化解黑臭水體對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期困擾，成為了國(guó)家與社會(huì)的迫切需求。本文針純氧曝氣在河道排污口應(yīng)急處理上應(yīng)用效果進(jìn)行探究，結(jié)果表明純氧曝氣可以快速消除黑臭，能夠有效改善水體感官效果，對(duì)CODCr、TP有一定的降解效果，但對(duì)氨氮的去除效果不好。如何進(jìn)一步提高純氧曝氣對(duì)氨氮的降解效果，需要與硝化細(xì)菌相耦合，充分平衡水體中溶解氧與硝化細(xì)菌的動(dòng)態(tài)關(guān)系，最大效率發(fā)揮對(duì)水體凈化作用，是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。