摘要:针对河道水体氨氮超标的问题，采用微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧技术，研究曝气种类、时间、位置等因素对河道水质改善的影响。运行结果表明:该技术对NH+4－N有较好的去除效果，运行13d时水质有明显改善，下游段河水改善效果好于中上游段;经过1个月左右的运行，下游段河水NH+4－N去除率达到73.3%，浓度降为0.92mg/L，达到《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)中III类水标准。试验结果为以氨氮为主要超标因子的河道治理提供了切实可行的工程技术借鉴。
关键词:曝气复氧;原位修复;臭氧;微米气泡;氨氮去除
溶解氧在水体自净过程中起着非常重要的作用，结合国内外河道治理工程经验，人工曝气增氧技术因其简单、快捷、绿色、高效等特点被广泛应用。目前已有曝气研究主要集中于纯氧曝气、鼓风曝气、机械曝气等，其中纯氧曝气增氧效率最高可达70%，但对氨氮的去除效果不显著;其他曝气增氧技术对氨氮的去除率约为3.2%～45.6%［1］，仍有待进一步提高。在实际工程应用中，治理效果受曝气时间、曝气强度、曝气方式等条件的影响。适当的臭氧氧化作用可以增加水中溶解氧［2］，起到改善水质的作用。本工程采用微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧技术对河道进行原位修复，重点解决河道水质氨氮超标的问题，以达到短期内氨氮达标、水质提升的工程目标。
1河道概况及处理方法
1．1治理河道概况
工程治理的河道位于苏州市，河道地势西高东低，河道平均宽度约为20m，全长约4.5km。水流流速约为1.0～1.5m/s，正常情况下自西向东流，汛期情况下西段泵站开启时流向自东向西流。河道两岸区域污水支管网覆盖不到位，生活污水、工业废水等排污水未实现完全截污，主要存在雨污混流的问题;治理前该河段为劣V类水体，主要超标因子为氨氮。
1．2曝气增氧设备布置
图1本河道治理工程研究区域示意图河道治理工程研究区域示意图如图1所示，涉及河道长度约425m，按照曝气机布设位置将河道划分为A、B、C、D、E5个断面，设AB上游段(约130m)、BD中游段(约60m)、DE下游段(约235m)。在中游段C断面上下游60m、离岸边1m、水面下约1.5～1.8m处安装4台微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧机，由潜水泵、超微纳米气泡发生器、臭氧发生器、PVC管道(50mm直径)、防水电缆以及消音器构成。
1．3工程实验方法
2020年11月24日至11月28日，4台设备纯粹空气曝气，曝气深度为1.0m～1.5m。11月29日第一次投放臭氧，每台设备加设4台2g/h臭氧发生器。12月18日第二次投放臭氧，每台设备加设1台10g/h臭氧发生器。微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧机每台3.0kw，每分钟进气量240L，气泡直径1μm～100μm。在不考虑水流的影响下，每台设备可覆盖50m×20m×2m水域。采用间歇式曝气，每工作50min休息15min，每天16个循环。
1．4采样点布置及分析测试
1．4．1原位速测为考察混合曝气增氧设备安装位置对河道沿程水质氨氮的消减效果，设河道流向方向A、B、C、D、E5个断面，每个断面上取三点分别原位速测求均值;为考察混合曝气增氧设备安装位置对同一断面河道两侧水质氨氮的消减效果，取C断面附近X、Y、Z三个点位，原位速测。速测指标包括:温度、DO、电导率、NH+4－N、NO－3－N，仪器为美国YSIProPlus便携式多参数测量仪。1．4．2实验室分析为考察混合曝气增氧工程对河道水质的改善效果，取A、C、E三个断面，每个断面取三个点位的水样，带回实验室分析，测得数据求均值。测试指标包括:pH值、COD、SS、TP等。COD采用重铬酸钾法测定，TP采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定，SS采用标准重量法测定。
2结果与讨论
2．1曝气时间对河道水质改善的影响
上中下游段河水DO、电导率及NH+4－N、NO－3－N随曝气时间的变化如图2所示，从图2(a)可以看出，各河段河水的DO随着曝气时间的增加均呈现先下降后上升的变化趋势，但拐点出现时间不同。曝气前9d，由于在中游位置布设了曝气装置，中游河水DO高于上下游段，上游段(A断面)、下游段(E断面)河水DO大小相近且变化趋势相同;下游段河水DO变化出现拐点的时间早于中上游段，从曝气第9d开始明显上升，且随着时间的推移远高于中上游段，至曝气第24d时，下游段(E断面)河水DO达到7.08mg/L。图2(b)显示各河段河水电导率随着曝气时间的增加总体呈下降趋势。图2(c)显示各河段河水NH+4－N前9d浓度大小及变化趋势相近，9d后河水NH+4－N浓度整体呈下降趋势，但各河段NH+4－N下降趋势差异明显，至24d时，E断面、C断面、A断面的NH+4－N浓度分别为0.92mg/L、1.32mg/L、1.51mg/L，去除率分别为73.3%、59.5%、57.5%。曝气后NH+4－N两个阶段的上升波动可能与外源污染物的输入有关［3］。各河段河水NO－3－N变化与NH+4－N变化趋势相反，主要是曝气作用下溶解氧充足，水体中以硝化作用为主［4］，因此对氨氮的去除效果较好，而对TN的去除效果不明显。比较曝气16d与24d各采样点NH+4－N与NO－3－N的变化关系，发现随着时间的推移NH+4－N与NO－3－N呈现明显的相关性。16d时，河水中NH+4－N去除与NO－3－N生成关系拟合参数为:y=4.73－1.22x，Ｒ2=0.6428;24d时相关性增强，拟合参数为:y=4.75x－0.99，Ｒ2=0.9469。
2．2曝气位置对河道水质改善的影响
2．2．1对河岸两侧水质改善的影响曝气工程对河岸两侧水质的影响如图3所示，从图3(a)可以看出，整个曝气期间河道C断面中心点位Y点位增氧效果好于河岸两侧点位，X点位与Z点位无明显差异。16d左右，各点位DO参与水体中NH+4－N的硝化反应，含量有所下降，至24d水体水质稳定，DO保持在较高水平。图3(b)显示，C断面上X、Y、Z点位的电导率变化一致且无明显差异。比较图3(c)、图3(d)可以看出，由于硝化作用，各点位NH+4－N浓度随着时间的增加均有所下降，中心点位Y点NH+4－N的去除效果略好于河岸两侧点位，可见，曝气作用交叉区域的点位水质改善较有优势，这主要是由于处于曝气交叉位置的河道水体受4个曝气机的复合影响，水体紊动较强，促进了水体中氧气的混合传递，利于NH+4－N的快速硝化。2．2．2对河道上中下游沿程水质改善的影响曝气工程对河道上下游沿程水质的影响如图4所示，从图4(a)可以看出，曝气第1d，上下游段DO浓度相近，中游段D断面DO最高，为5.1mg/L;随着时间的推移，各河段水质DO含量在硝化作用下均有所下降;至24d时，中上游段DO浓度相近，约为4．7mg/L左右，最高点出现在下游段E断面，为7.08mg/L。图4(b)显示，各河段电导率无明显差异，最低值出现在下游段E点。图4(c)显示，曝气第1d，曝气位置交叉区域C断面处的NH+4－N迅速降低。随着时间的推移，NH+4－N最低值点位随着河道距离逐渐往下游推移，第1d，NH+4－N最低值点位在C断面(约160m处);第16d、24d，NH+4－N最低值出现在下游段E断面(约425m处)，河道沿程NH+4－N去除效果表现为:下游段＞中游段＞上游段。这是因为在DO充足的条件下，硝化细菌表现出良好的硝化作用，大大降低了水中的NH+4－N含量［5］。
2．3曝气工程对河道水质改善总体情况分析
总体看来，微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧技术可以在短期内对河道水质起到较好的改善效果，受开放水体外源污染物输入影响COD的降解效果不明显，该技术在以NH+4－N、P为超标因子的河道治理方面有较好的应用前景。如表1所示，24d时下游段E断面处TP降为0.17mg/L，达到《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)中III类水标准。与类似工程相比较，微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧技术在氨氮的快速去除方面有明显优势。这是因为臭氧的投加增加了水中的羟基自由基，有利于有机物的降解和分解;臭氧发生器产生的气泡主要集中在微米级别(10μm～100μm)，微米气泡具有上升速率慢、停留时间长、比表面积大、传质效率高等特点［6］，另外，有研究表明［7］，经微米气泡曝气后，河流好氧微生物的丰度显著提升加快污染物的降解，促进水体净化。
3结论
采用微孔管道空气－臭氧混合曝气增氧技术对河道进行治理，河水水质得到整体提升;下游段水质改善状况最好，氨氮浓度降为0.92mg/L，DO提升为7.07mg/L。水质从基本改善到稳定需要13d～24d。对于氨氮的应急处理，曝气设备应布设于检测点周边，近曝气点区域水质可得到迅速提升，但持续效果较差，可保持3d左右;对于氨氮的长效处理，曝气设备应布设于检测点上游约250m处。该技术维护成本约1000～2000元，运行费用每台曝气机每天约28.21元，一次性投资较少，处理效果良好稳定，可用于以氨氮为主要超标因子的城市河道治理。
作者：王正芳 胡建利 曹新 张玉龙 桂林 单位：苏州经贸职业技术学院 苏州相城经济技术开发区安全生产监督管理和环境保护局 东华大学环境科学与工程学院 国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心 上海污染控制与生态安全研究院 见嘉环境科技(苏州)有限公司