典型曝氣增氧技術及其案例分析

曝氣增氧技術是通過向污染水體中充入氧氣或空氣的方式，增加水體溶解氧含量來促進污染物分解，改善或恢復河湖的水生態環境。曝氣增氧技術由于具有提高水體中好氧生物活性、不添加化學藥劑、不造成二次污染等優勢，已經被廣泛應用于以有機污染為主的城市內河黑臭水體治理工程。

1 曝氣增氧技術原理和特點

1.1 技術原理

水體的溶解氧含量是表征水體污染狀態的一個重要指標。自然水體的溶解氧主要來源于大氣復氧和植物光合作用，其中大氣復氧是水體溶解氧的主要來源。當水體溶解氧含量下降且低于飽和值時，大氣中的氧氣通過水氣界面溶解于水體中，增加水體溶解氧含量，但當水體受到有機物污染，耗氧嚴重，溶解氧得不到及時補充，水體中的厭氧菌就會很快繁殖，有機物因腐敗而使水體變黑、發臭。

曝氣增氧技術是通過向水體中充入空氣（氧氣）或增加水體與空氣接觸面積等方式，提高水體復氧效率，從而增加水體溶解氧含量，恢復水體好氧微生物活力，凈化水體污染物質的方法。

當污染水體處于缺氧狀態時，通過曝氣能夠增加水體溶解氧含量，從而抑制沉積物中的有機物、氮、磷、鐵和錳的釋放，改善水體環境質量。在湖泊污染治理過程中，通常在DO＜2mg/L 時，由于厭氧分解導致有機質物的釋放，從而產生了有機酸、甲烷等不徹底的中間產物釋放到水體中，導致水體產生黑臭現象。而沉積物中氮的釋放是與有機物是同步的。因此，當水體DO 處于小于2～1mg/L 的缺氧狀態時，揚水曝氣能夠通過抑制底泥物質的釋放從而改善水質。

由于底泥磷的釋放主要是通過以磷酸鐵沉淀形式的磷釋放，在厭氧條件下，三價鐵離子被還原成二價鐵離子溶解到水中，釋放出磷，同時氫氧化鐵絡合磷得到釋放。根據實驗模擬，在pH 值為中酸性條件下，當DO＜1mg/L 時磷開始釋放；在pH 值為堿性條件下，當DO＜2mg/L 時磷大量釋放。沉積物中錳的釋放在DO＜1mg/L 時，高價錳被還原成低價錳釋放進入水體中。

1.2 適用條件

曝氣增氧技術適用于含有較多的可降解性物質河湖水體水環境治理，針對污染水體的溶解氧含量較低，有機污染物含量高等問題，治理效果顯著。

2 曝氣增氧技術分類

按照曝氣設備的固定方式，可劃分為固定式充氧設備和移動式充氧平臺。移動式充氧平臺通常利用駁船等進行改造而成，能夠自由移動，主要用于突發環境污染問題應急治理。目前國內外河湖治理中人工增氧方式主要采用固定式充氧設備，主要技術包括揚水曝氣技術、鼓風曝氣技術、機械曝氣技術等。

2.1 揚水曝氣技術

揚水曝氣技術是基于“揚水筒”技術原理，該技術能充分混合上下水層。揚水曝氣器以壓縮空氣為動力，并經過空氣釋放器將壓縮空氣連續地通入曝氣器下部，從而對下層厭氧水體充氧。

揚水曝氣技術在增加水體溶氧的同時能夠控制表層藻類的數量，抑制藻類生長。在提水總量占過水流量10%的條件下，將藻類葉綠素a 含量的增長量從9.32%降為-4.64%，凈減少量13.96%。揚水曝氣技術用于控制藻類生長的適用條件是水深大于10m；用于抑制底泥營養鹽、有機質、鐵錳釋放的條件是水體已發生了溶解氧小于2～1mg/L 的缺氧狀態。

2.2 鼓風曝氣技術

鼓風曝氣是通過在河流、湖泊等污染水體岸邊或水體表面設置一個固定的鼓風機房，利用管道將空氣引入設置在污染水體底部的曝氣擴散系統，空氣中的氧氣在氣泡上升過程中與水體接觸，溶解于水中。鼓風曝氣裝置一般由機房（內置鼓風機）、管道和空氣擴散器組成。

純氧曝氣是鼓風曝氣的一種，通過采用液氧或利用制氧設備制取氧氣，并將氧氣通過擴散系統與水體混合接觸，增加水體溶解氧，工作原理與鼓風曝氣基本相同。根據曝氣混合方式可分純氧微孔布氣設備曝氣系統（由氧源和微孔布氣管組成）和純氧混流增氧系統（由氧源、水泵、混流器和噴射器組成）。

2.3 機械曝氣技術

2.3.1 潛水曝氣技術

潛水曝氣機一般布置于治理水體底部。潛水曝氣過程分為兩個階段，第一階段是主流擴散階段，空氣與水在進行主流運動過程中被分割成小氣泡均勻分布到水體中；第二階段是擴散過程，氣泡中的氧從空氣中轉移到水體分子的擴散過程。根據其原理和用途的不同，常見的淺水曝氣包括潛水射流曝氣機和潛水離心曝氣機兩種。

潛水離心式曝氣機通過電機帶動葉輪旋轉產生的離心力，通過葉輪進口吸入空氣，在混氣室中實現空氣與水體的充分混合，而后在離心力的作用下快速排出氣水混合液。由于離心力的作用，水流循環得以加強，空氣被切割成了大量微小氣泡，有效增加了空氣與水體的接觸表面及，空氣中的氧氣在緩慢上升過程中大量溶解于水體中。

潛水射流曝氣機利用潛水泵噴嘴形成高速水流，同時在噴嘴周圍形成負壓吸入空氣，空氣與高速水流在混合室內充分混合，形成的氣水混合液經高速噴射而出，攜帶大量微小氣泡的氣水混合液在水體中漩渦攪拌，充分與水體接觸后，大量氧氣溶解于水體中。

2.3.2 推流曝氣

推流曝氣是通過葉輪、潛水泵等不斷推動受控流體前進，在進行局部造流、加快水體流動的同時，保持河湖有充足的溶解氧，也為水生物群落的生存和繁衍創造條件，構建良好的水循環，改善水體的靜水流態，維持河道的生態流速。研究證明，通過在水體表層或底層曝氣供氧，推動水流連續循環流動，能夠有效增加不同區域的水體混合強度，使有機物、微生物及氧之間充分混合接觸，有機物濃度因稀釋而迅速降至最低值，同時，通過水體流動性增加能夠有效抑制藻類的繁殖和再聚集，降低水華風險。

水體推流設備施工便捷，投入較低，能夠通過增加水體流速的方式有效抑制藻類的暴發，常用于水動力條件較差的景觀水體。對景觀水體進行適當充氧、提高水體溶解氧含量可以有效地改善水體的厭氧狀態，避免有機物不完全分解導致的黑臭等情況發生。研究表明，當水體溶解氧含量在4.5mg/L 以上時，水體能夠維持較好的好氧生態環境，促進好氧微生物作用，遏制蚊蠅滋生。

3 案例分析

3.1 黑河金盆水庫揚水曝氣系統

黑河金盆水庫是西安市主要飲用水源地，承擔著西安市60%的飲用水，是西安市供水“生命線”。由于近年來黑河金盆水庫水體水質不斷惡化，水體逐年呈現出富營養化狀態，因此開展實施了揚水曝氣系統對水庫進行水質改善。

揚水曝氣系統位于水庫大壩上游右岸主庫區，由8 臺揚水曝氣器（型號HC-YSQ-800）、4 臺空壓機（型號ESCW175-12螺桿空壓機）、空氣凈化器、8 臺空氣計量儀表、8 根輸氣管道（總長6300m）、供電系統及一座194m2框架結構空壓機房組成。每臺揚水氣器間距約300m，呈梅花型布置，安裝于水庫中。揚水曝氣系統通過把高壓空氣輸人曝氣器內，使得水庫水體上下層充分混合，以達到改善水質的目的。黑河金盆水庫揚水曝氣系統運行一年多來，水體環境質量得到了明顯改善，治理效果如表1 所示。

表1 揚水曝氣治理效果

3.2 天津寧河董莊深渠及引渠黑臭水體治理項目

董莊深渠位于天津蘆臺鎮和寧河經濟開發區，由于長期城鎮生活和工業污染問題導致河道水體黑臭，水面、河岸及周邊環境臟亂差，已經嚴重影響周邊城鎮居民和經濟開發區企業的生產生活。本項目治理河道全長約7.5km，分引渠（上游）和深渠（下游）兩段。引渠段長約4km，水深1～2m，河道寬約15～16m，沉積物淤泥深度在1m 左右。全河道為自然土坡河道，坡岸蘆葦雜草叢生，深渠段長度約3.5km，水深2～3m，寬20～35m，沉積物淤泥深度1.5m 左右，河道水體呈嚴重黑臭。

天津市寧河區水務局2017 年啟動了董莊深渠及引渠黑臭水體整治工程，對河道沿岸的21 處排水口門開展截污控源治理，從而從源頭上控制污染物排放。2017 年6 月初投入38 臺純氧、臭氧納米生態修復設備設備進行河道原位治理，經1 個月治理，水體基本消除臭味，9 月已達消除黑臭，結合上游截污工程共同實施，10 月水體水質已穩定達到地表水環境質量Ⅴ類水指標。

3.3 筒子河水下推流水質改善工程

筒子河是故宮護城河，是故宮的重要組成部分之一。受上游來水減少的影響，筒子河水體富營養化問題日益突出。2012 年，通過在筒子河河道水下安裝推流裝置54 臺，水下推流設備技術參數見表2。在現有的水資源條件下，增加水體流動性，改善筒子河的水體狀況。

通過水下推流能夠有效增加不同區域的水體混合強度，提高底層溶解氧濃度，表面流速最高提高6.2 倍以上，此外，水體流動性增加能夠有效抑制藻類的繁殖和再聚集，降低水華風險。但水體擾動也加大了沉積污染物的再懸浮作用，水體底層TP 濃度有所升高。

表2 水下推流設備技術參數表

4 結論和建議

曝氣增氧技術通過增加水體溶解氧來降低污染，在治理過程中不添加化學藥劑，無毒害作用，不造成二次污染，能夠提高水體中好氧生物活性從而持續凈化污染物；曝氣增氧設備簡單、安全可靠、投資小見效快，適用于各類水環境治理工程。但是對于部分污染較重的河湖水體及難以生物降解的污染物，單一曝氣增氧技術處理效果不理想，在具體實施工程中，往往需要配合控源截污及生物技術等組合應用，通過控源截污工程徹底截斷污染源，生物修復技術則主要應用于治理的后期和水質長效維護。在實際應用中，針對不同特定條件工況，設計人員合理選取多個技術組合使用會達到更好的效果。