曝氣技術在黑臭水體治理中的研究進展

吳佐京通，戴先譜，吳 輝，潘紅忠

(1.長江大學資源與環境學院，湖北 武漢 430100;2.長江大學國際水生態研究院，湖北 武漢 430100;3.荊門市環境科學研究院，湖北 荊門 448000)

城市黑臭水體是城市建成區內，呈現令人不悅的顏色和散發出令人不適氣味的水體的統稱[1-2]。中國對黑臭水體的判定，常以水體透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮等4個水質參數作為評價指標[3-6]，具體標準見表1。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標準

“水十條”頒布以后，水體黑臭現象在全國范圍內明顯減少，尤其是地級市黑臭水體治理成績斐然[7-8];與此同時，已治理過的水體復黑現象也較為普遍[9]。因此，當前及今后一段時間內消除水體黑臭，仍然是中國水污染治理的重點工作[10]。普遍認為，治理水體黑臭方法可分為物理、化學、生物生態3種方法。物理方法常見于底泥疏浚、曝氣、引水等[11];化學方法一般指投加藥劑或吸附劑[12];生物生態方法則是基于微生物的生命代謝活動去除污染物質[13]。

其中，最直接有效的方法是曝氣增氧[14-15]，通過人為增加水體中的溶解氧含量(DO)，可提高水體自凈能力，從而快速去除黑臭。目前國內外對曝氣技術治理黑臭水體有一定研究，現綜述如下。

1 常見曝氣技術

在黑臭水體治理過程中，常使用曝氣方式有鼓風曝氣、表面曝氣、射流曝氣等3類[16-17]。鼓風曝氣主要是通過空壓機或鼓風機將空氣壓縮，被壓縮后的空氣經由輸氣管道輸送至曝氣器，最終經由不同規格的曝氣器擴散到目標水體中。鼓風曝氣系統中，曝氣器的質量與規格直接影響整個系統的復氧效率，在工程應用中曝氣器常有多孔管、固定螺旋曜氣器、水射器和微孔擴散板等類型[18]。根據逸散出氣泡的大小尺寸，可分為微氣泡、小氣泡、中氣泡、大氣泡等。在氣泡尺寸與氧傳遞效率研究中，莊健等[19]發現在一定范圍內，氣泡的尺寸越大，其相對氧轉移效率越低。Yao等[20]研究發現，微氣泡復氧效果良好，是常規曝氣的3.2倍，而能耗僅為常規曝氣的一半左右。

表面曝氣也稱機械攪拌曝氣，是利用高速旋轉的馬達帶動軸流式葉輪運作，利用葉輪的轉動使水流經由導流裝置進行環形噴射，水體在脫離噴射裝置時受空氣阻力作用，形成的間斷水珠在重力作用下重新回落到水面，以此來實現水體的循環流動，最終增加水體含氧量的一種曝氣裝置[21]。

射流曝氣系統的核心設備是射流器，射流裝置通過產生高速噴射水流在射出路徑中形成一個空腔，空腔周圍的水體向空腔內部擠壓形成一個負壓狀態，將空氣與水體吸入進混合室，經由擴散管形成汽水混合體向預設方向噴射而出，由于汽水混合物的高速噴射的特性，在此狀態下水體中的氣泡因空氣與水體的相互作用被切割成尺寸細小同時比表面積大的氣泡，增大水體與氧氣的接觸面積，加快氧氣溶于水體這一過程，以此完成水體的曝氣目的[22]。

綜上，微氣泡曝氣由于復氧效果好、能耗低，是當前最具發展前景的曝氣技術。

2 曝氣去除黑臭水體污染物效果研究

2.1 黑臭水體中有機物去除效果

在黑臭水體治理中，曝氣去除有機物是一種有效且易實施的手段。石慧等[23]在處理屠宰廢水試驗中，采用自制的25 L曝氣設備工作8 h，COD(化學需氧量)平均去除率可達82.83% ，BOD(生化需氧量)平均去除率可達81.09%。王美麗等[24]在室內模擬曝氣對上覆水污染物濃度影響實驗中發現，在最佳的曝氣條件下，COD去除率可達69.73%。孫從軍等[25]在1997年治理上澳塘潘家橋河段過程中，采用的鼓風曝氣系統經過1個月治理，水中CODCr去除率為 48.5%～61.0%，BOD5去除率在 56.4%～72.5%。陸暉等[26]研究發現，在景觀水體修復實驗中，微納米曝氣對水體中COD的去除率可達67.59%。Wu等[27]在廣東東莞市茅洲河，單獨采用微納米曝氣技術對其支流進行修復，COD去除率達到64.3%。洪濤等[28]采用微米氣泡治理黑臭水體實驗中發現，微米曝氣COD去除率比普通曝氣高12% 。

綜上可見，經曝氣系統處理后，黑臭水體中有機物去除效果較好，其中CODcr去除率能達到80%以上，最高可達84.8%。COD去除率會隨著外界環境的改變而發生變動，處理效果欠佳時僅為19.5%;至于BOD5，由于曝氣對微生物的影響途徑受環境擾動較小，去除率穩定在56.4%～88.2%。

2.2 黑臭水體中氮、磷等污染物去除效果

氮、磷等形態的污染物，在黑臭河道中較為常見。往往河道致臭就是由于氮類污染物含量過高，在厭氧條件下形成氨氣(NH3) 、硫化氫(H2S)等氣體，利用曝氣技術可以改善水體溶解氧水平，進而去除黑臭河道中的氮磷污染物[29]。王美麗[30]通過模擬實驗發現，微米曝氣裝置具有良好的水體復氧效果，氨氮和總氮去除率可達44.10%和38.96%，去除效果明顯高于空白對照組。張家港市重污染河道花園浜河治理項目中，王文林等[31]采用新能源曝氣技術治理黑臭河道，研究表明,水體中總氮、氨氮、總磷濃度下降顯著,最大去除率分別達16.9%、45.6%、33.5%。采用微納米曝氣技術治理廣西大學東校園景觀湖，氨氮去除率為70.20%，總氮去除率為66.75%，總磷去除率為17.30%。1994年，北京清河黑臭河道治理項目中，采用了葉輪吸氣推流式曝氣方式運行30 d，水體氨氮去除率達25.6%～40.0%[32]。鮑曉偉等[33]利用曝氣技術處理畜禽養殖污水，研究發現總氮去除率28%～54%，總磷在曝氣進行15 d時去除效果最佳，為81%。

上述研究表明，曝氣對水體中氮的去除效果較好，對總磷的去除效果相對不明顯。通過曝氣改善水體溶氧含量，利于氮元素向高價態轉化，從而達到高效除氮的目的。磷元素的去除主要通過微生物的代謝活動，若河道中微生物含量有限，則磷的去除效果相對不明顯。諸多曝氣技術中，因微納米曝氣技術的復氧率高、水體擾動小，氮磷的綜合去除效果最佳。

2.3 黑臭水體中重金屬去除效果

水體中的重金屬主要富集在底泥與水體之中[34]，相對于有機物、氮、磷等污染物去除，水體中重金屬污染物的去除更加困難[35]。因重金屬具有富集性、難降解等特點，且對人體健康具有嚴重威脅[36]，因此需引起高度重視。

宋蘭蘭等[34]以揚州市真州鎮有機污染水體為研究對象，通過實驗發現，淺層底泥曝氣，重金屬釋放速率適中，與水體重金屬氧化能力相匹配，可顯著減輕河道底泥重金屬污染。

楊長明等[37]在安徽省合肥市南淝河道修復過程中采用精準曝氣布氧系統，研究表明微孔曝氣對重金屬鎳(Ni)形態改變較大，曝氣前后殘渣態質量分數比例由39.5%上升到55.0%。經過10 d曝氣技術處理，重金屬鎳(Ni)在底泥間隙水中所占的重金屬質量分數明顯下降。

建議今后加大曝氣去除重金屬的機理研究力度，可考慮深入到化學層面，如曝氣產生的羥基自由基，其強氧化性對重金屬的去除效果研究。

3 曝氣去除污染物影響因素分析

由常見曝氣技術對比可知，微氣泡曝氣是目前最有發展前景的曝氣技術。在此，僅探討微氣泡曝氣技術曝氣位置、曝氣強度、曝氣時間對污染物去除效果的影響。

3.1 曝氣位置對污染物去除效果影響分析

影響曝氣對污染物的去除效果，除了曝氣技術本身外，曝氣位置也很關鍵[38-40]。根據現有研究成果可知，底部曝氣在污染物去除方面整體優于水體曝氣。王美麗等[24]經過室內模擬實驗發現，在泥水交接界面向下15 cm處COD去除率為63.79%，而處于水體位置曝氣COD去除率不足26.66%。

國內外對于曝氣位置的研究主要集中于水體和底泥2個位置，從有機物、氮和磷污染物的去除實驗研究可知，底泥曝氣整體去除率要比水體曝氣效果更佳。建議今后關于曝氣最佳位置的研究可聚焦底泥曝氣機理研究，并據此得到曝氣最佳位置與治理河流體量的關聯性。

3.2 曝氣強度對污染物去除效果影響分析

綜上，曝氣強度與污染物去除率兩者間存在強相關性，但受時限制約，建議加強關于兩者相關性與時間變化的規律研究。

3.3 曝氣時間對污染物去除效果影響分析

曝氣時間對于污染物去除率的影響評價是諸多曝氣影響因素中較為熱門的一類[48-49]，Izadi Parnian等[50]研究發現對比連續曝氣，間歇曝氣對P-攝取、聚合物質合成和糖原降解的關聯程度更高。

鮑曉偉等[51]通過設計不同間隔時間曝氣處理畜禽養殖污水的效果試驗，以1 h為循環周期，設計了4種曝停比(1∶3，1∶1，3∶1,連續曝氣)，研究發現曝停比與水體pH關聯性不強， 總氮(TN)和總磷(TP)在曝停比為3∶1時去除率最高。尚亞丹等[52]發現間歇曝氣條件下，鐵碳微電解耦合人工濕地凈化生活污水效果最佳。蘇東霞等[53]采用序批式反應器 (SBR)進行短程硝化實驗過程，并設計3種曝停比(3∶1、3∶2、3∶3)，得出COD去除率分別為76.71%、78.44%、79.94%，時間間隔與去除率為正相關關系。柴蓓蓓等[54]研究結果表明間隔曝氣污染物去除效果要優于連續曝氣，在曝停比為2∶1(即曝氣40 min、停曝20 min)工況條件下，TN去除率為75.23%，高于連續曝氣(72.79%); TP去除率分別為76.08%、54.45%，去除效果差異顯著。

綜上所述，有關曝氣的曝停比仍局限于現有的經驗公式之中，有關曝停比與污染物去除效果的函數模型研究內容甚少，建議加大有關模型研發及優化力度，節約能源的同時提高污染物去除率。

4 曝氣與其他技術耦合對污染物去除效果研究

盡管因為高能效、低損耗等特點，曝氣技術被廣泛低地應用污水處理中，但單一曝氣技術的弊端依然難以避免，如：污染物去除效果不穩定[57]、易引發二次污染、去除不徹底、水質難維護以及生物降解能力較低等。

表2 不同修復技術對黑臭水體污染物的去除率 %

整體而言，曝氣與一種或多種技術結合，如植物、微生物、化學藥劑等，可提高污染物的去除率，均可達到良好的治理效果;曝氣工藝與物聯網絡技術的結合可有效降低系統運行能耗，關于曝氣技術與其他技術耦合機理研究不多，建議深入到耦合機理層次進行研究，譬如在精確曝氣控制領域，就如何解決控制器算法的滯時性以及與曝氣技術之間的適配性等。

5 結論與展望

綜上所述，曝氣技術治理黑臭水體的效果受諸多因素影響，如深度、位置、強度和時間等影響治理效果的程度不一、機理不同;并且各因素的影響作用并非相互獨立，比如曝氣強度與曝氣時間呈負相關關系，當曝氣時間較長時，曝氣強度的影響會逐漸降低。與此類似，不同曝氣位置、深度也會改變其他因素對治理效果的影響權重;另外，除本文列舉的曝氣影響因素外，還有一些因素，如水體流速、溫度、水體大小，氣候變化等都會對曝氣效果產生影響。曝氣與其他技術的耦合可取長補短、強化治理效果，如曝氣與植物、微生物結合可以提升氮類污染物的去除率;曝氣與物聯網技術組合，可以降低系統能耗。

目前曝氣與其他技術的耦合機理尚不明確，有待進一步的深入研究。此外，在眾多影響因素中篩選出關鍵因素，厘清因素作用機制和互相作用關系，仍值得繼續探究。