陳 平，倪龍琦

（東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)在不斷地發(fā)展，但對(duì)水環(huán)境的保護(hù)卻不斷忽略，一味追求經(jīng)濟(jì)的利益，從而造成了大量的生活污水及工業(yè)廢水無(wú)節(jié)制的排入河道中的現(xiàn)象，水體超負(fù)荷容納外源性污染物，同時(shí)內(nèi)源性污染物氮，磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放引起藻類(lèi)大量生長(zhǎng)和繁殖，水中溶解氧含量降低，水質(zhì)顯著下降，大量的水生生物由于缺氧而死亡，水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定遭受了破壞，水體變黑變臭。兒童在100m范圍內(nèi)短時(shí)接觸黑臭水體所受的健康危害遠(yuǎn)大于成年人[1]。全世界許多河道都出現(xiàn)了水體黑臭的現(xiàn)象[2]。近年來(lái)，我國(guó)也越來(lái)越重視黑臭水體的治理問(wèn)題，《2016年中國(guó)環(huán)境公報(bào)》指出我國(guó)開(kāi)始對(duì)1286個(gè)黑臭水體開(kāi)始重點(diǎn)整治。解決河道污染及生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是選取適宜的治理技術(shù)[3]。

根據(jù)河道受污染后缺氧而導(dǎo)致黑臭的特點(diǎn)，采用人工曝氣技術(shù)增加河道中溶解氧含量，提高水中耗氧微生物的活性，同時(shí)對(duì)河道底泥中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放產(chǎn)生了抑制作用，防止水體產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象[4]。

1 人工曝氣技術(shù)的分類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外用于黑臭水體修復(fù)所采用的人工曝氣技術(shù)包括水下射流曝氣設(shè)備、純氧充氧曝氣系統(tǒng)、微氣泡曝氣系統(tǒng)、葉輪曝吸氣推流式曝氣器設(shè)備等[5]。

1.1 水下射流曝氣設(shè)備

射流曝氣設(shè)備的運(yùn)行原理是利用潛水泵將水抽取，再經(jīng)泵體增壓后高速推出，管道用于裝置出水，并且水射器將空氣吸入水體中形成氣-水混合狀態(tài)經(jīng)水力切割后流入水體。水下射流曝氣設(shè)備易于安裝，占地面積極小，噪音小但若出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)維修較繁瑣。

1.2 微氣泡曝氣系統(tǒng)

微米曝氣作為新一代高效曝氣技術(shù)與普通曝氣技術(shù)相比，它具有氣泡直徑?。ㄒ话阈∮?0μm），更高的氧傳質(zhì)效率，更大的表面積且水力停留時(shí)間較長(zhǎng)[4]。洪濤[6]等人采取微氣泡曝氣法和普通曝氣法治理北京市黑臭水體，結(jié)論是與普通曝氣方式相比微納米曝氣的DO濃度提高 3mg·L-1，CODCr提高12%，NH3-N、提高10%，TP提高9%?？傮w對(duì)黑臭水體的去除效果較好于普通曝氣方式，但由于現(xiàn)在的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室水平對(duì)許多方面的認(rèn)知仍不夠，實(shí)際應(yīng)用仍需要進(jìn)一步確定。

1.3 純氧曝氣系統(tǒng)

純氧曝氣系統(tǒng)原理是采用深冷分離制氧，變壓吸附制氧制取純度高達(dá)90%以上的O2，用以替換空氣。雖然純氧曝氣系統(tǒng)效率較高但由于其需要專(zhuān)門(mén)制備氧氣的設(shè)備（PSA）導(dǎo)致其運(yùn)行成本較高，不能廣泛應(yīng)用[7]。

1.4 葉輪吸氣推流式曝氣器

葉輪吸氣推流式曝氣設(shè)備是湖泊、河道中人們的最常用的充氧的辦法之一。通常由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、葉輪、進(jìn)氣甬道等構(gòu)成。其原理主要是高速運(yùn)行的葉輪在進(jìn)氣甬道內(nèi)形成低于大氣壓的壓力，吸入空氣，葉輪將空氣轉(zhuǎn)化為微小氣泡射入水中。其優(yōu)點(diǎn)是安裝方便；受水位影響；小維修簡(jiǎn)便等。但由于葉輪容易被堵塞纏繞；較淺水位上運(yùn)行時(shí)容易絞起底泥；影響航運(yùn)。該技術(shù)曾應(yīng)用于我國(guó)，1990年為保證亞運(yùn)會(huì)成功舉辦，在北京小清河中放置8臺(tái)美國(guó)的Aire-O2曝氣設(shè)備，通過(guò)葉輪抽吸氣體推流式曝氣器向水中充氧氣，DO濃度上升到5～7mg·L-1在使用曝氣技術(shù)的區(qū)域內(nèi)。

2 單工藝曝氣技術(shù)修復(fù)黑臭水體

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者們就已經(jīng)對(duì)人工曝氣充氧技術(shù)開(kāi)始了研究與應(yīng)用。1977年和1985年英國(guó)泰晤士河上分別運(yùn)行了10tO2·d-1和30tO2·d-1的曝氣復(fù)氧船顯著優(yōu)化了大雨期間地面徑流的沖擊負(fù)荷污染，水中溶解的增加減少了水生動(dòng)植物的死亡。1989年美國(guó)在Hamewood河道上安裝了曝氣設(shè)備，簡(jiǎn)易的曝氣設(shè)備也增加了水中溶解氧含量。德國(guó)于1994年在柏林河道上啟動(dòng)了曝氣復(fù)氧船大大的維系了河道中生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在國(guó)內(nèi)，1990年亞運(yùn)會(huì)期間安裝8臺(tái)11kW的曝氣設(shè)備向水中充氧，效果明顯。

2.1 河道曝氣技術(shù)

上海市利用曝氣復(fù)氧治理蘇州河道雨天黑臭問(wèn)題，由于蘇州河黑臭的原因是河道北新涇下游17km處，37座泵站直排導(dǎo)致水體被突發(fā)式?jīng)_擊負(fù)荷污染，宜選用曝氣充氧船和固定式充氧站治理，保證河道中溶解氧濃度大于4mg·L-1，可使河道在晴天時(shí)消除黑臭恢復(fù)河道內(nèi)生態(tài)平衡，雨天時(shí)減少?zèng)_擊負(fù)荷造成的黑臭影響[8]。

李開(kāi)明[9]等人于廣州市朝陽(yáng)涌上游黑臭河段現(xiàn)場(chǎng)分別采用功率相同的3種不同曝氣式樣的曝氣設(shè)備（葉輪式曝氣設(shè)備，水車(chē)式曝氣設(shè)備，射流式曝氣設(shè)備）進(jìn)行黑臭河道的曝氣增氧試驗(yàn)，河道經(jīng)水射器曝氣充氧后溶解氧濃度最高可達(dá)5mg·L-1，CODCr最高去除率達(dá)到33.3%，NH3-N的最高去除率為26%。水車(chē)式曝氣機(jī)的充氧效果、NH3-N、CODCr的去除效果，還是河體內(nèi)生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和自凈都優(yōu)于其它兩種設(shè)備。試驗(yàn)結(jié)果表明針對(duì)于河道狹窄，截污困難以及水流速度較慢的小型黑臭河道的治理宜應(yīng)用水車(chē)式曝氣增氧設(shè)備。

德國(guó)梅塞爾公司幫助上海環(huán)境科學(xué)研究院在上海蘇州河下游開(kāi)展了BIOX（微孔曝氣工藝和純氧曝氣工藝優(yōu)點(diǎn)組合結(jié)合形成微氣泡純氧曝氣技術(shù)）工藝。此河COD高達(dá)100～200mg·L-1，河道流態(tài)復(fù)雜。經(jīng)治理后當(dāng)河流流速較平緩時(shí)，COD降低19.5%～55.6%，B/C從0.46降至0.4，溶解氧濃度上升至9mg·L-1。由于不受河流穩(wěn)態(tài)的影響，該工藝適用于用于水上航運(yùn)較多及被污染的旅游景觀性河道的曝氣復(fù)氧治理[7]。

2.2 底泥曝氣技術(shù)

一些研究人員對(duì)底泥曝氣進(jìn)行了探究，分析了底泥曝氣對(duì)磷[10]、重金屬[11]、硫化氫產(chǎn)生的影響。雷恒毅[12]等人將廣州市荔灣區(qū)受污染較嚴(yán)重的河道作為研究對(duì)象，結(jié)合河道的特點(diǎn)采用底泥曝氣（箱筏式射流曝氣船和TRSS底泥穩(wěn)定劑。底泥的氧化還原電位從（-210±17.5）mV 增加至（220±15）mV，硫化物在底泥中的降解率已達(dá)到86.35%～92.1%，經(jīng)治理后底泥中重金屬形態(tài)穩(wěn)定，釋放量降低了79.5%～87.2%，TP的去除率在90%左右，消除了河道的黑臭狀態(tài)，底泥顏色變淺并且恢復(fù)了河道的穩(wěn)態(tài)。對(duì)底泥進(jìn)行曝氣可加快水體DO的恢復(fù)，有效控制水體中COD Mn、NH3-N和TP的釋放[13]。氮磷含量的超標(biāo)是黑臭水體內(nèi)的主要問(wèn)題，底泥中內(nèi)源污染成為水體污染的主要來(lái)源在外源污染得到控制后。

何巖[14]等人通過(guò)進(jìn)行對(duì)黑臭河道的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，可以得出結(jié)論可利用間歇曝氣或低氧連續(xù)曝氣（空間內(nèi)好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境的交替）實(shí)現(xiàn)對(duì)底泥內(nèi)源氮硝化作用和內(nèi)源氮反硝化作用的有效耦合減少底泥中氮負(fù)荷，較好的控制內(nèi)源氮的釋放。

3 人工曝氣技術(shù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)協(xié)同治理黑臭水體

人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)即生態(tài)水處理工藝輔以曝氣復(fù)氧，用于處理城市景觀河道治理一方面可降低水體中污染物使水體凈化，另一方面為人民提供有觀賞價(jià)值的水上綠植，實(shí)現(xiàn)污水資源化運(yùn)用[15]。生物促生劑可對(duì)地表水[16,17]、底泥[18]進(jìn)行修復(fù),但獨(dú)立使用生物促生劑治理黑臭水體時(shí),上覆水及底泥中溶解氧含量較低，NH3-N、TP、COD等指標(biāo)含量較高[19]。并且治理黑臭河道過(guò)程中常用的物理方法是曝氣。因此，生態(tài)修復(fù)技術(shù)可配合曝氣技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。

韓大巍[20]等人通過(guò)對(duì)北京昌平區(qū)內(nèi)河道內(nèi)的上側(cè)水體及底泥進(jìn)行取樣試驗(yàn)，使用曝氣（間歇性曝氣）和生物促生劑共同治理水體60h后COD去除率為50%，TP降低98%，NH3-N降低78%，同時(shí)由于釋放出更多的磷，底泥厚度減小。在聯(lián)合修復(fù)過(guò)程中間完全馴服河道內(nèi)微生物僅需一個(gè)月時(shí)間，這更有利于微生物繁衍。由此可見(jiàn)聯(lián)合工藝的協(xié)同作用更能表現(xiàn)出優(yōu)良的修復(fù)價(jià)值。

金承翔[11]等人利用人工曝氣充氧，增添功能性微生物菌劑（光合菌劑，硝化細(xì)菌），生物促生劑，放養(yǎng)水生值物（鳳眼蓮）聯(lián)合作用治理上海市普陀區(qū)黑臭河水。10d后經(jīng)工藝協(xié)同處理的水體中CODCr去除率可達(dá)77%，BOD5去除率達(dá)91%，NH3-N去除率達(dá)93%，TP凈化率達(dá)76%水中藻類(lèi)生物降低生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。而單獨(dú)使用生物促生劑的水體CODCr和BOD5的去除率分別為54%和77%，TP含量基本無(wú)變化。結(jié)果表明組合技術(shù)協(xié)同作用明顯優(yōu)于單一技術(shù)，可使水中有機(jī)污染物含量快速降低，恢復(fù)水體生態(tài)平衡。曝氣可以迅速增加水體中溶解氧含量，水體中的污染物可由厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為好氧礦化，提高水體凈化能力。生物促生劑和微生物劑投加，則可使水體凈化進(jìn)一步加強(qiáng)并縮短修復(fù)周期。

徐玉良[21]等人利用生物膜自凈設(shè)備及微氣泡增氧系統(tǒng)，培植生植物（千屈菜，蘆葦，梭魚(yú)草等）投放水生動(dòng)物（魚(yú)，螺等）對(duì)昆山市凌家浜黑臭水體進(jìn)行治理。2013年10月DO濃度達(dá)到10mg·L-1，COD降低了77%，TP去除率達(dá)到71.4%。TN去除率達(dá)到78.36%。結(jié)果表明該技術(shù)可提高水中溶解氧含量和增加透明度，若加強(qiáng)管理，可從根源上恢復(fù)河流的生態(tài)系統(tǒng)。

同時(shí)針對(duì)于不能在短期內(nèi)完全攔截的黑臭河道可采用曝氣復(fù)氧+微生物菌劑的原位生物增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行治理[22]。盧麗君[18]利用曝氣充氧和生物促生劑（MTBE）協(xié)同作用治理受污染底泥大量刺激了好氧微生物的增長(zhǎng)，且反硫化細(xì)菌數(shù)降低，硫化氫氣體產(chǎn)量降低，有效改善水體黑臭現(xiàn)象。但由于其側(cè)重于底泥修復(fù)而對(duì)上覆水治理效果不理想，仍需繼續(xù)探究選擇最優(yōu)的曝氣方式。

4 結(jié)論

黑臭水體的治理應(yīng)遵循“綜合性，安全性，經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)效性”，人工曝氣技術(shù)占地面積小，效率高，運(yùn)營(yíng)成本低，等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)即可單獨(dú)使用治理黑臭水體，提升上覆水中溶解氧含量，抑制沉積物中氮磷的釋放，并采用生態(tài)修復(fù)技術(shù)（生物膜、生物促生劑等）協(xié)同作用治理黑臭水體且其作用效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用曝氣或生態(tài)修復(fù)的方法。然而從目前的角度來(lái)看生態(tài)修復(fù)技術(shù)協(xié)同曝氣的新型處理正在探索中，并沒(méi)有得到改善。在未來(lái)實(shí)踐中,還需探索更深層次的聯(lián)合處理手段，針對(duì)于不同地區(qū)，河道的周邊環(huán)境和水流的紊態(tài)程度等選用不同曝氣方式和生態(tài)修復(fù)種類(lèi)為城市水體處理提供更優(yōu)化的技術(shù)方式。