臭氧混合曝氣增氧技術在城市河道水質改善中的應用

孫 玥

(遼寧河庫管服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水體自凈過程中溶解氧作用十分明顯，人工曝氣增氧技術通過國內外河道水環境治理實際應用效果看，技術操作程度簡單，污染物去除效果較快，在當前國內城市河道水環境治理中得到廣泛應用[1- 6]。目前純氧、鼓風以及機械曝氣為當前國內主要采用曝氣技術，其中增氧效率最高的為純氧曝氣，但對氨氮去除效果不明顯，其他曝氣技術對氨氮去除的效果也低于40%[7]。近些年來，隨著城市社會經濟快速發展，城市河道中氨氮濃度超標較為嚴重，氨氮主要來自于生活和工業污水的排放，為加大對城市河道水環境治理，尤其是黑臭水體的質量，亟需降低氨氮濃度指標。為此王正芳提出一種微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧技術[8]，并以蘇州城市河段為具體實例，通過應用試驗表明該技術對水體氨氮去除效果較為明顯。為此本文針對渾河城市段河道氨氮濃度超標問題，引入該項新技術，采用原位試驗方式，采用試驗方式探討該新技術對城市段氨氮去除效果，并對曝氣類型、曝氣時間進行分析。成果對于城市河道水環境治理具有實用借鑒價值。

1 原位試驗方法

1.1 試驗河段概況

本文以渾河沈陽城市段為試驗河段，選取的試驗河段總長度為5km，河流寬度均值約為200m，平均流速在1.0～1.5m/s之間。由于河道兩岸生活和工業廢水排污未能完全截留，使得試驗河段氨氮總體超標較為嚴重，通過水樣監測，該河段氨氮平均濃度為1.59mg/L，超過劣Ⅴ類水質標準。為此本文選取該試驗河段，針對河段氨氮濃度超標的問題，采用微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧新技術，通過布設曝氣增氧裝置，對氨氮濃度去除效果進行試驗。

1.2 試驗河段概況

本文分別在試驗河段內選取氨氮濃度較高的5個監測斷面，各監測斷面之間的間距如圖1所示。

圖1 曝氣設備及斷面位置

圖1中上游段為AB段，中游為BD段，下游段為DE段。4臺微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧機安裝在中游C斷面，上游下游間距為60m，水面以下深度分別在1.5～1.8m之間，該試驗裝置主要由太陽能電板、超微納米氣泡發生器、潛水泵、臭氧發生器、防水電纜以及消音裝置組成。如圖2所示。

圖2 微孔管道空氣-臭氧混合曝氣增氧機

1.3 試驗方法

2021年11月5日—12月20日，采用4臺設備進行曝氣深度為1.0～1.5m的純粹空氣曝氣，第一投放臭氧的時間為11月10日，將2g/h的臭氧發生器分別加設到4臺設備上。第二次投放臭氧的時間為12月5日。將10g/h的臭氧發生器分別加設到4臺設備上，設備增氧功率設置為3.0kW，進氣量為240L/min，分別產生1um～100um直徑的氣泡。每臺設備在不考慮水流作用下覆蓋的水域面積為50m×20m×2m。采用開機50min后停機15min的間歇市曝氣方式進行試驗，每天進行16組循環試驗。

1.4 采樣點布設

分別設置5個斷面對混合曝氣增氧設備對水體氨氮去除效果進行試驗，采樣原位速測對各斷面上分別選取3個采樣點進行均值測定。為對河道相同斷面兩側氨氮去除效果進行試驗，在中游C處斷面選取3個點位進行原位速測。采樣便攜式多參數測量儀器對水體中的主要污染指標包括電導率、溫度、氨氮、硝酸鹽氮進行原位速測。

1.5 室內試驗測定

分別從A、C、E 3個斷面選取3個點位進行水樣的采集，室內測定的水質指標為酸堿度、濁度、化學需氧量以及總磷指標。分別采用重鉻酸鉀以及鉬酸銨分光光度法對化學需氧量及總磷指標進行測定，采用標準重量方法對濁度進行測定。

2 試驗結果及討論

2.1 曝氣時間對水質改善效果試驗

分別以A斷面代表上游段、C斷面代表中游段以及E斷面代表下游段對曝氣時間下溶解氧、電導率、氨氮以及硝酸鹽氮濃度指標進行試驗測定分析，從而探討臭氧混合曝氣增氧新技術的曝氣時間對水質改善的效果影響，試驗結果見表1—4。

表1 不同曝氣時間各斷面溶解氧濃度影響

由表1可知，各斷面在不同曝氣時間溶解氧濃度變化規律較為一致，溶解氧總體均呈現先遞增后遞減的變化，但各斷面從遞增到遞減變化的拐點有所不同，中游段由于曝氣裝置在前9d進行安裝，溶解氧濃度要高于上游段和下游段。上下游段溶解氧濃度變化較為一致，溶解氧濃度拐點在上游段的時間要早于中游段和上游段，從第9d開始溶解氧濃度呈現明顯增加，且隨著曝氣時間的增加遞增幅度要高于中游段和上游段，下游段在曝氣第23d溶解氧濃度為6.525mg/L。由表2可知，各河段氨氮從曝氣第9d開始呈現明顯的遞減變化，但各河段氨氮遞減變化有所差異，到30d后上游、中游、下游氨氮去除率可分別達到60.2%、63.5%、74.5%，氨氮去除率均在60%以上，對氨氮具有較好的改善效果，曝氣后氨氮濃度波段變化主要原因為外源污染物輸入影響其濃度變化。由表4可知，各河段電導率隨著曝氣時間的增加總體呈遞減變化。由表3可知,各河段硝酸鹽氮在不同曝氣時間的濃度變化和氨氮濃度變化具有一定的相似性，水體中具有較充足的溶解氧時主要以硝化為主，因此對氨氮具有較好的去除效果，而對總氮去除效果不高，隨著曝氣時間的增加，氨氮和硝酸鹽氮指標相關度增加，通過試驗測定分析，曝氣時間達到30d后水體氨氮和硝酸鹽氮離子相關系數可達0.85以上。

表2 不同曝氣時間各斷面氨氮濃度影響

表3 不同曝氣時間各斷面硝酸鹽氮濃度影響

表4 不同曝氣時間各斷面電導率影響

2.2 曝氣位置對河岸兩側水質改善效果分析

試驗分析曝氣裝置不同點位對兩岸水質改善效果，結果見表5—8。

表5 不同曝氣位置河岸兩側溶解氧影響

表6 不同曝氣位置河岸兩側氨氮影響

從試驗分析結果可看出，中心點位Y的增氧效果好于兩側點位，曝氣14d后各點位溶解氧與水體中的氨氮進行硝化反應，溶解氧濃度有所降低，到30d后水質總體區域穩定，溶解氧溶度較高。各點位下電導率變化差異度較低。各點位氨氮濃度由于硝化影響隨著曝氣時間的增加其濃度總體呈現先遞增后遞減變化，氨氮濃度在中小點位的去除效果好于兩側點位，因此對于交叉區域點位水質受曝氣影響較為明顯，這主要是因為曝氣復合作用影響水體紊動程度加大，使得水體中氧氣混合傳遞程度有所提高，加快了氨氮硝化。

表7 不同曝氣位置河岸兩側硝酸鹽氮影響

表8 不同曝氣位置河岸兩側電導率影響

2.3 上下游沿程水質改善效果分析

對河道上下游沿程水質改善效果進行試驗分析，各試驗斷面結果見表9—12。

表9 河道上下游沿程斷面溶解氧濃度變化

表10 河道上下游沿程斷面氨氮濃度變化

上下游段溶解氧在曝氣第9d濃度變化較為接近，中游D斷面溶解氧濃度最高，隨著曝氣時間的增加，在硝化作用下各斷面溶解氧濃度均有所減小，到曝氣30d后中游和上游溶解氧濃度較為接近，下游E斷面溶解氧出現最高濃度。各斷面電導率較為接近，下游E斷面電導率最低。C斷面為曝氣交叉區域，其氨氮濃度下降速率較快。隨著曝氣時間增加氨氮濃度低值逐步向下游推進。曝氣第9d氨氮濃度最低位置在C斷面，進入曝氣第16和24d其氨氮濃度最低值出現下游E斷面約425m處，下游段氨氮去除效果最高，其次為中游段，上游段氨氮去除效果最低，這主要是因為在水體充足的溶解氧下，硝酸鹽氮硝化作用加強，有效降低水體中氨氮濃度。

表11 河道上下游沿程斷面硝酸鹽氮濃度變化

表12 河道上下游沿程斷面電導率變化

2.4 河道水質總體改善效果分析

對微孔管道空氣-臭氧混合曝氣裝置對河流水質總體改善效果進行了測定分析，分析結果見表13。

表13 河流水質總體改善效果

從不同斷面酸堿度、濁度、化學需氧量、總磷濃度變化可看出，在較短時間內微孔管道空氣-臭氧混合曝氣裝置通過增氧可以對河道水質進行明顯改善。化學需要量受外部污染物源輸入影響濃度遞減程度有所減小，該項新技術對河流水環境治理中氨氮和磷超標的去除具有較好的應用前景。該項新技術由于提高水體中的羥基自由基，使得水體有機物分解和降解作用得到加強，采用微米級別氣泡產生于臭氧發生器具有上升速率低，延長停留時間，加大表面積，提高傳質率的優點，此外曝氣采用微米氣泡可以提高水體中的好氧生物的豐度，從而提高水體污染物降解程度，加快水體凈化速率。

3 結論

(1)在進行水體氨氮應急短期處理時，可以在檢測點周圍布設曝氣設備，距離曝氣點較近區域氨氮濃度可迅速較低，但持續時間較短，一般可維持在3d以內，要保持長期氨氮處理，建議在檢測點上游約250m處布設曝氣設備。

(2)該曝氣設備一次性投入的成本較少，技術維護成本為每臺1年約2000元，每臺設備每天的運行費用約為30元，處理效果較為穩定，適用于以氨氮、磷為主要超標因子的城市段河流。

(3)本文對于曝氣設備布設臺數對于河道水質改善效果還未分析，在后續研究中應對如何布設其曝氣設備臺數可達到理想水質效果進行深入分析和探討。