曝氣增氧技術(shù)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(jìn)污染物分解，改善或恢復(fù)河湖的水生態(tài)環(huán)境。曝氣增氧技術(shù)由于具有提高水體中好氧生物活性、不添加化學(xué)藥劑、不造成二次污染等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于以有機(jī)污染為主的城市內(nèi)河黑臭水體治理工程。

1 曝氣增氧技術(shù)原理和特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

水體的溶解氧含量是表征水體污染狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。自然水體的溶解氧主要來源于大氣復(fù)氧和植物光合作用，其中大氣復(fù)氧是水體溶解氧的主要來源。當(dāng)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(dāng)水體受到有機(jī)物污染，耗氧嚴(yán)重，溶解氧得不到及時補(bǔ)充，水體中的厭氧菌就會很快繁殖，有機(jī)物因腐敗而使水體變黑、發(fā)臭。

曝氣增氧技術(shù)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(fù)氧效率，從而增加水體溶解氧含量，恢復(fù)水體好氧微生物活力，凈化水體污染物質(zhì)的方法。

當(dāng)污染水體處于缺氧狀態(tài)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(jī)物、氮、磷、鐵和錳的釋放，改善水體環(huán)境質(zhì)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(dǎo)致有機(jī)質(zhì)物的釋放，從而產(chǎn)生了有機(jī)酸、甲烷等不徹底的中間產(chǎn)物釋放到水體中，導(dǎo)致水體產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象。而沉積物中氮的釋放是與有機(jī)物是同步的。因此，當(dāng)水體DO 處于小于2～1mg/L 的缺氧狀態(tài)時，揚(yáng)水曝氣能夠通過抑制底泥物質(zhì)的釋放從而改善水質(zhì)。

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(luò)合磷得到釋放。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在pH 值為中酸性條件下，當(dāng)DO＜1mg/L 時磷開始釋放；在pH 值為堿性條件下，當(dāng)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(jìn)入水體中。

1.2 適用條件

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

2 曝氣增氧技術(shù)分類

按照曝氣設(shè)備的固定方式，可劃分為固定式充氧設(shè)備和移動式充氧平臺。移動式充氧平臺通常利用駁船等進(jìn)行改造而成，能夠自由移動，主要用于突發(fā)環(huán)境污染問題應(yīng)急治理。目前國內(nèi)外河湖治理中人工增氧方式主要采用固定式充氧設(shè)備，主要技術(shù)包括揚(yáng)水曝氣技術(shù)、鼓風(fēng)曝氣技術(shù)、機(jī)械曝氣技術(shù)等。

2.1 揚(yáng)水曝氣技術(shù)

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

揚(yáng)水曝氣技術(shù)在增加水體溶氧的同時能夠控制表層藻類的數(shù)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(yáng)水曝氣技術(shù)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(yǎng)鹽、有機(jī)質(zhì)、鐵錳釋放的條件是水體已發(fā)生了溶解氧小于2～1mg/L 的缺氧狀態(tài)。

2.2 鼓風(fēng)曝氣技術(shù)

鼓風(fēng)曝氣是通過在河流、湖泊等污染水體岸邊或水體表面設(shè)置一個固定的鼓風(fēng)機(jī)房，利用管道將空氣引入設(shè)置在污染水體底部的曝氣擴(kuò)散系統(tǒng)，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(fēng)曝氣裝置一般由機(jī)房（內(nèi)置鼓風(fēng)機(jī)）、管道和空氣擴(kuò)散器組成。

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

2.3 機(jī)械曝氣技術(shù)

2.3.1 潛水曝氣技術(shù)

潛水曝氣機(jī)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(kuò)散階段，空氣與水在進(jìn)行主流運(yùn)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(kuò)散過程，氣泡中的氧從空氣中轉(zhuǎn)移到水體分子的擴(kuò)散過程。根據(jù)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(jī)和潛水離心曝氣機(jī)兩種。

潛水離心式曝氣機(jī)通過電機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，通過葉輪進(jìn)口吸入空氣，在混氣室中實(shí)現(xiàn)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(huán)得以加強(qiáng)，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(jī)利用潛水泵噴嘴形成高速水流，同時在噴嘴周圍形成負(fù)壓吸入空氣，空氣與高速水流在混合室內(nèi)充分混合，形成的氣水混合液經(jīng)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(jìn)，在進(jìn)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(chuàng)造條件，構(gòu)建良好的水循環(huán)，改善水體的靜水流態(tài)，維持河道的生態(tài)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(xù)循環(huán)流動，能夠有效增加不同區(qū)域的水體混合強(qiáng)度，使有機(jī)物、微生物及氧之間充分混合接觸，有機(jī)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(fēng)險。

水體推流設(shè)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(fā)，常用于水動力條件較差的景觀水體。對景觀水體進(jìn)行適當(dāng)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(tài)，避免有機(jī)物不完全分解導(dǎo)致的黑臭等情況發(fā)生。研究表明，當(dāng)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(tài)環(huán)境，促進(jìn)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(yáng)水曝氣系統(tǒng)

黑河金盆水庫是西安市主要飲用水源地，承擔(dān)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(zhì)不斷惡化，水體逐年呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài)，因此開展實(shí)施了揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)對水庫進(jìn)行水質(zhì)改善。

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

表1 揚(yáng)水曝氣治理效果

3.2 天津?qū)幒佣f深渠及引渠黑臭水體治理項(xiàng)目

董莊深渠位于天津蘆臺鎮(zhèn)和寧河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，由于長期城鎮(zhèn)生活和工業(yè)污染問題導(dǎo)致河道水體黑臭，水面、河岸及周邊環(huán)境臟亂差，已經(jīng)嚴(yán)重影響周邊城鎮(zhèn)居民和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)企業(yè)的生產(chǎn)生活。本項(xiàng)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(yán)重黑臭。

天津市寧河區(qū)水務(wù)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(tài)修復(fù)設(shè)備設(shè)備進(jìn)行河道原位治理，經(jīng)1 個月治理，水體基本消除臭味，9 月已達(dá)消除黑臭，結(jié)合上游截污工程共同實(shí)施，10 月水體水質(zhì)已穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類水指標(biāo)。

3.3 筒子河水下推流水質(zhì)改善工程

筒子河是故宮護(hù)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(yǎng)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(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。在現(xiàn)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(qū)域的水體混合強(qiáng)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(fēng)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(shè)備技術(shù)參數(shù)表

4 結(jié)論和建議

曝氣增氧技術(shù)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(xué)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(xù)凈化污染物；曝氣增氧設(shè)備簡單、安全可靠、投資小見效快，適用于各類水環(huán)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(shù)處理效果不理想，在具體實(shí)施工程中，往往需要配合控源截污及生物技術(shù)等組合應(yīng)用，通過控源截污工程徹底截斷污染源，生物修復(fù)技術(shù)則主要應(yīng)用于治理的后期和水質(zhì)長效維護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同特定條件工況，設(shè)計(jì)人員合理選取多個技術(shù)組合使用會達(dá)到更好的效果。