虞英杰

(昆山市水利水務(wù)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，江蘇 昆山 213300)

0 引 言

泵站放江污染是指在降水條件下，雨水和徑流沖刷城市地面，使溶解的或固體污染物從非特定的地點(diǎn)匯入受納水體，引起的水體污染[1-3]。城市暴雨徑流中包含有大量的污染物，使得其初期徑流產(chǎn)生的污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于水體自凈能力，導(dǎo)致水體溶解氧急劇消耗，加上泵站放江沖刷水體底部，使得底泥上翻，形成水體黑臭現(xiàn)象。目前，由面源引起的水環(huán)境污染已成為當(dāng)前城市水環(huán)境綜合治理中亟待解決的主要問(wèn)題之一[3]。

研究表明，通過(guò)對(duì)河道進(jìn)行曝氣，不僅可以提高河道中溶解氧濃度，還可以提升河道中微生物活性，形成以兼性微生物為主的底泥環(huán)境，從而抑制底泥中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，降低水體中有機(jī)污染物濃度，改善水體黑臭環(huán)境[4-5]。近些年，微氣泡(microbubbles，MBs，指直徑大于10 μm小于100 μm的氣泡)以及納米氣泡(nanobubbles，NBs，指直徑小于1 μm的氣泡)由于其獨(dú)特的性質(zhì)，逐漸運(yùn)用于水處理領(lǐng)域[6-7]。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在液體中停留時(shí)間更長(zhǎng)、內(nèi)壓更大；②表面帶電(可以用ζ電位表示)，可以影響水體中的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物以及生物質(zhì)等與微納米氣泡之間的相互作用，如結(jié)合作用、化學(xué)反應(yīng)以及排斥作用等；③傳質(zhì)效率高；④破裂時(shí)可產(chǎn)生自由基等。

為研究微納米氣泡曝氣對(duì)泵站放江引起的河道污染的影響，本研究以某工程中一段受泵站放江影響的河道為例，探究泵站放江前后以及引入微納米氣泡曝氣前后，河道中各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)的變化情況，并提出泵站放江污染控制的關(guān)鍵因素。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置

本研究地點(diǎn)為某工程中受泵站放江污染的一段河道，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)范圍為1 km，其中試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度為600 m；分別在試驗(yàn)區(qū)上游200 m和下游200 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在試驗(yàn)區(qū)終點(diǎn)附近抽水，進(jìn)行微納米氣泡曝氣過(guò)程，并在試驗(yàn)區(qū)起點(diǎn)釋放含氧河水。整個(gè)試驗(yàn)流程及取樣點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖1。

圖1 微納米氣泡治理黑臭河道試驗(yàn)方案

圖1中，黑臭河道試驗(yàn)段水流方向由西向東，在試驗(yàn)河道末端，采用潛水泵將污染河水提升至設(shè)備間，進(jìn)入微納米氣泡曝氣裝置進(jìn)行氣液混合，形成含氧河水投入到試驗(yàn)段前端。微納米氣泡曝氣裝置中采用現(xiàn)場(chǎng)制備的純氧進(jìn)行曝氣。

1.2 樣品采集及分析

本試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)樣品采集點(diǎn)，采樣點(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。其中，采集點(diǎn)1設(shè)置在控制斷面上游200 m，測(cè)定數(shù)據(jù)可作為背景值；采集點(diǎn)2-4均勻敷設(shè)在控制斷面600 m范圍內(nèi)，沿水流方向；采集點(diǎn)5設(shè)置在控制斷面下游200 m。本試驗(yàn)樣品采集時(shí)間段包括：①泵站放江前，測(cè)定數(shù)據(jù)可作為河道水質(zhì)對(duì)照值；②泵站放江后，分析泵站放江對(duì)河道水環(huán)境質(zhì)量的影響；③泵站放江前曝氣；④泵站放江后曝氣，考查微納米氣泡曝氣對(duì)泵站放江污染的控制效果。分別測(cè)定不同時(shí)段樣品的DO、COD、NH3-N和TP等指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 水質(zhì)測(cè)定

本試驗(yàn)河道水質(zhì)參數(shù)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)相關(guān)要求測(cè)定。

1.3.2 微納米氣泡性質(zhì)測(cè)定

為研究微納米氣泡發(fā)生裝置在不同泵壓條件下產(chǎn)生氣泡的平均直徑、直徑分布以及氣泡數(shù)量等信息，本研究采用日本HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部生產(chǎn)的LA-960激光散射粒度分布分析儀，對(duì)微納米氣泡性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。LA-960激光散射粒度分布分析儀采用米氏散射理論，其量程為0.01～5 000 μm，準(zhǔn)確度在±0.6%以內(nèi)，采用雙固體光源——LD(650 nm，5 mW)和LED(405 nm，3 mW)配置，87個(gè)對(duì)數(shù)交叉排布的檢測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)最高的分辨率。LA-960的數(shù)據(jù)采樣速度可達(dá)5 000次/s，可在1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)加液、調(diào)整光軸、空白、加樣、除氣泡、檢測(cè)。本文測(cè)定微納米氣泡粒度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為保證氣泡粒度不受影響，LA-960測(cè)定過(guò)程中攪拌速率為零。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)條件下氣泡粒度測(cè)定過(guò)程最少重復(fù)3次。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微納米氣泡曝氣裝置運(yùn)行條件確定

2.1.1 曝氣壓力

首先對(duì)不同泵壓下水中微氣泡的直徑和濃度進(jìn)行表征，結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 不同曝氣壓力下產(chǎn)生的氣泡直徑

圖3 不同曝氣壓力下產(chǎn)生的含氣泡水透光率

由圖2可知，不同曝氣壓力條件(0.1～0.4 MPa)下產(chǎn)生的微氣泡平均直徑均在50 μm以下，泵壓為0.1和0.2 MPa時(shí)的微氣泡平均直徑較大，分別為41.75和39.17 μm；泵壓為0.3和0.4 MPa時(shí)產(chǎn)生的微氣泡平均直徑較小，分別為27.18和23.96 μm。

由圖3可知，隨著微納米氣泡發(fā)生裝置曝氣壓力的增大，產(chǎn)生的含微氣泡水的透光率逐漸降低，而透光率在一定程度上表征了水中微氣泡的數(shù)量，微氣泡數(shù)量越多，溶液透光率越低，說(shuō)明曝氣壓力越大，產(chǎn)生的微氣泡越多。綜合上述，微納米氣泡發(fā)生裝置曝氣壓力越大，產(chǎn)生的氣泡直徑越小，數(shù)量越多。

2.1.2 平衡DO濃度

在曝氣壓力為0.4 MPa時(shí)，分別采用純氧和空氣作為微納米氣泡曝氣裝置的氣源進(jìn)行曝氣，并測(cè)定連續(xù)10 min內(nèi)水中DO濃度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，純氧曝氣時(shí)，水中溶解氧的平衡濃度為22 mg/L左右，高于以空氣作為氣源時(shí)水中的溶解氧濃度(15 mg/L左右)，但均遠(yuǎn)高于常溫狀態(tài)下水中的飽和溶解氧濃度(8.25 mg/L)，說(shuō)明微納米氣泡曝氣可以顯著提升水中溶解氧濃度，來(lái)緩解受污染河道因溶解氧不足引發(fā)的黑臭現(xiàn)象。

圖4 采用不同氣源進(jìn)行微納米氣泡曝氣時(shí)的平衡DO濃度

綜上所述，微納米氣泡曝氣可以有效提升水體溶解氧濃度，曝氣壓力越大，產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量越多，直徑越小。同時(shí)，以純氧作為氣源時(shí)，對(duì)溶解氧的提升作用更為明顯。因此，本研究的試驗(yàn)條件為：曝氣壓力為0.4 MPa，氣源為純氧(現(xiàn)場(chǎng)制備)。

2.2 微納米氣泡曝氣對(duì)黑臭河道水質(zhì)恢復(fù)效果

本節(jié)試驗(yàn)分別測(cè)定放江前后以及微納米曝氣前后，試驗(yàn)段河道的水質(zhì)變化情況，分析泵站放江及微納米氣泡曝氣對(duì)河道水質(zhì)的影響情況。

2.2.1 不同時(shí)段河道DO濃度

試驗(yàn)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧在不同試驗(yàn)階段的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 不同時(shí)段河道溶解氧隨位置變化

由圖5可知，在泵站放江前，河道溶解氧濃度基本維持在4 mg/L以上，高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)，引入微納米氣泡曝氣會(huì)極大地提高河道溶解氧濃度，能有效提升河道的抗沖擊負(fù)荷。泵站放江后，隨著污染物涌入，河道溶解氧迅速被消耗，試驗(yàn)段溶解氧濃度基本處于V類水體臨界值，2號(hào)-5號(hào)采樣點(diǎn)溶解氧濃度均低于2 mg/L；引入微納米氣泡曝氣后，河道溶解氧得到明顯提升，特別在2號(hào)采樣點(diǎn)(含氧河水釋放點(diǎn))，溶解氧濃度達(dá)到6.13 mg/L，隨后沿水流方向逐漸下降，但均高于3.44 mg/L。上述結(jié)果表明，微納米氣泡曝氣技術(shù)對(duì)于由泵站放江引起的河道溶解氧下降現(xiàn)象有很好的緩解作用。

2.2.2 不同時(shí)段河道COD含量

試驗(yàn)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD在不同試驗(yàn)階段的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 不同時(shí)段河道COD含量隨位置變化

由圖6可知，泵站放江前，試驗(yàn)段5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的COD含量均明顯低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)，最高COD含量?jī)H為34.38 mg/L。泵站放江后，試驗(yàn)段河道COD含量均超過(guò)40 mg/L，高于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)；引入微納米氣泡曝氣后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD含量出現(xiàn)明顯下降，COD含量均低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)。并且，沿水流方向，COD濃度不斷減小，說(shuō)明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以有效提升河道溶解氧水平，快速降解由于泵站放江引入的有機(jī)污染物，恢復(fù)河道水質(zhì)。

2.2.3 不同時(shí)段河道NH3-N含量

試驗(yàn)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)NH3-N濃度在不同試驗(yàn)階段的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖7 不同時(shí)段河道NH3-N濃度隨位置變化

由圖7可知，泵站放江前，試驗(yàn)段5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的NH3-N濃度均明顯低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)(<2 mg/L)，最高NH3-N濃度僅為0.75 mg/L。泵站放江后，試驗(yàn)段河道NH3-N濃度均超過(guò)2 mg/L(2.00～2.18 mg/L)，高于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)；引入微納米氣泡曝氣后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)NH3-N濃度出現(xiàn)明顯下降，NH3-N濃度為0.64～1.89 mg/L，均低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)。并且沿水流方向，NH3-N濃度不斷減小，說(shuō)明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以快速削減由于泵站放江引入NH3-N超標(biāo)，恢復(fù)河道水質(zhì)。

2.2.4 不同時(shí)段河道TP含量

試驗(yàn)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度在不同試驗(yàn)階段的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

圖8 不同時(shí)段河道TP濃度隨位置變化

由圖8可知，泵站放江前，試驗(yàn)段5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的TP濃度均明顯低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)(<0.4 mg/L)，最高TP濃度僅為0.32 mg/L。泵站放江后，試驗(yàn)段河道TP濃度均超過(guò)0.4 mg/L(0.69～0.78 mg/L)，高于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)；引入微納米氣泡曝氣后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度出現(xiàn)明顯下降，TP濃度為0.31～0.65 mg/L，并且沿水流方向，NH3-N濃度不斷減小。1號(hào)、2號(hào)采樣點(diǎn)TP濃度分別為0.65和0.50 mg/L，高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，3號(hào)-5號(hào)采樣點(diǎn)濃度低于0.38 mg/L，低于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以有效削減由于泵站放江引入TP超標(biāo)，恢復(fù)河道水質(zhì)。

綜上所述，泵站放江會(huì)極大地影響河道水質(zhì)，導(dǎo)致溶解氧、COD、NH3-N和TP等指標(biāo)出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)，致使河道水質(zhì)呈劣V類。微納米氣泡曝氣技術(shù)是一種有效的黑臭河道治理技術(shù)，它可以通過(guò)向河道中補(bǔ)充溶解氧，實(shí)現(xiàn)污染物的快速削減，恢復(fù)河道水質(zhì)，減少泵站放江對(duì)河道及其周圍環(huán)境帶來(lái)的不利影響。

3 結(jié)論與展望

本文主要探究了泵站放江對(duì)河道水質(zhì)的影響，并引入微納米氣泡曝氣過(guò)程，探究微納米氣泡曝氣對(duì)泵站放江污染的控制效果，主要研究結(jié)果如下：

1)泵站放江會(huì)導(dǎo)致水體各項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，引起黑臭。

2)微納米氣泡曝氣可以對(duì)受污染河道進(jìn)行快速充氧，實(shí)現(xiàn)污染物的快速削減，恢復(fù)河道水質(zhì)，減少泵站放江帶來(lái)的不利影響。

造成泵站放江污染的原因復(fù)雜多樣，僅通過(guò)“先污染，后治理”的手段難以真正解決泵站放江造成的水環(huán)境污染問(wèn)題。因此河道水環(huán)境的保護(hù)，不僅需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新裝備來(lái)進(jìn)行有效的治理，還需要從源頭做起，加強(qiáng)排水系統(tǒng)的管理建設(shè)，從根本上控制泵站放江污染。