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摘要:針對河道水體氨氮超標的問題，采用微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧技術，研究曝氣種類、時間、位置等因素對河道水質改善的影響。運行結果表明:該技術對NH+4－N有較好的去除效果，運行13d時水質有明顯改善，下游段河水改善效果好于中上游段;經(jīng)過1個月左右的運行，下游段河水NH+4－N去除率達到73.3%，濃度降為0.92mg/L，達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838－2002)中III類水標準。試驗結果為以氨氮為主要超標因子的河道治理提供了切實可行的工程技術借鑒。

關鍵詞:曝氣復氧;原位修復;臭氧;微米氣泡;氨氮去除

溶解氧在水體自凈過程中起著非常重要的作用，結合國內(nèi)外河道治理工程經(jīng)驗，人工曝氣增氧技術因其簡單、快捷、綠色、高效等特點被廣泛應用。目前已有曝氣研究主要集中于純氧曝氣、鼓風曝氣、機械曝氣等，其中純氧曝氣增氧效率最高可達70%，但對氨氮的去除效果不顯著;其他曝氣增氧技術對氨氮的去除率約為3.2%～45.6%［1］，仍有待進一步提高。在實際工程應用中，治理效果受曝氣時間、曝氣強度、曝氣方式等條件的影響。適當?shù)某粞跹趸饔每梢栽黾铀腥芙庋酰?］，起到改善水質的作用。本工程采用微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧技術對河道進行原位修復，重點解決河道水質氨氮超標的問題，以達到短期內(nèi)氨氮達標、水質提升的工程目標。

1河道概況及處理方法

1．1治理河道概況

工程治理的河道位于蘇州市，河道地勢西高東低，河道平均寬度約為20m，全長約4.5km。水流流速約為1.0～1.5m/s，正常情況下自西向東流，汛期情況下西段泵站開啟時流向自東向西流。河道兩岸區(qū)域污水支管網(wǎng)覆蓋不到位，生活污水、工業(yè)廢水等排污水未實現(xiàn)完全截污，主要存在雨污混流的問題;治理前該河段為劣V類水體，主要超標因子為氨氮。

1．2曝氣增氧設備布置

圖1本河道治理工程研究區(qū)域示意圖河道治理工程研究區(qū)域示意圖如圖1所示，涉及河道長度約425m，按照曝氣機布設位置將河道劃分為A、B、C、D、E5個斷面，設AB上游段(約130m)、BD中游段(約60m)、DE下游段(約235m)。在中游段C斷面上下游60m、離岸邊1m、水面下約1.5～1.8m處安裝4臺微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧機，由潛水泵、超微納米氣泡發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、PVC管道(50mm直徑)、防水電纜以及消音器構成。

1．3工程實驗方法

2020年11月24日至11月28日，4臺設備純粹空氣曝氣，曝氣深度為1.0m～1.5m。11月29日第一次投放臭氧，每臺設備加設4臺2g/h臭氧發(fā)生器。12月18日第二次投放臭氧，每臺設備加設1臺10g/h臭氧發(fā)生器。微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧機每臺3.0kw，每分鐘進氣量240L，氣泡直徑1μm～100μm。在不考慮水流的影響下，每臺設備可覆蓋50m×20m×2m水域。采用間歇式曝氣，每工作50min休息15min，每天16個循環(huán)。

1．4采樣點布置及分析測試

1．4．1原位速測為考察混合曝氣增氧設備安裝位置對河道沿程水質氨氮的消減效果，設河道流向方向A、B、C、D、E5個斷面，每個斷面上取三點分別原位速測求均值;為考察混合曝氣增氧設備安裝位置對同一斷面河道兩側水質氨氮的消減效果，取C斷面附近X、Y、Z三個點位，原位速測。速測指標包括:溫度、DO、電導率、NH+4－N、NO－3－N，儀器為美國YSIProPlus便攜式多參數(shù)測量儀。1．4．2實驗室分析為考察混合曝氣增氧工程對河道水質的改善效果，取A、C、E三個斷面，每個斷面取三個點位的水樣，帶回實驗室分析，測得數(shù)據(jù)求均值。測試指標包括:pH值、COD、SS、TP等。COD采用重鉻酸鉀法測定，TP采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定，SS采用標準重量法測定。

2結果與討論

2．1曝氣時間對河道水質改善的影響

上中下游段河水DO、電導率及NH+4－N、NO－3－N隨曝氣時間的變化如圖2所示，從圖2(a)可以看出，各河段河水的DO隨著曝氣時間的增加均呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，但拐點出現(xiàn)時間不同。曝氣前9d，由于在中游位置布設了曝氣裝置，中游河水DO高于上下游段，上游段(A斷面)、下游段(E斷面)河水DO大小相近且變化趨勢相同;下游段河水DO變化出現(xiàn)拐點的時間早于中上游段，從曝氣第9d開始明顯上升，且隨著時間的推移遠高于中上游段，至曝氣第24d時，下游段(E斷面)河水DO達到7.08mg/L。圖2(b)顯示各河段河水電導率隨著曝氣時間的增加總體呈下降趨勢。圖2(c)顯示各河段河水NH+4－N前9d濃度大小及變化趨勢相近，9d后河水NH+4－N濃度整體呈下降趨勢，但各河段NH+4－N下降趨勢差異明顯，至24d時，E斷面、C斷面、A斷面的NH+4－N濃度分別為0.92mg/L、1.32mg/L、1.51mg/L，去除率分別為73.3%、59.5%、57.5%。曝氣后NH+4－N兩個階段的上升波動可能與外源污染物的輸入有關［3］。各河段河水NO－3－N變化與NH+4－N變化趨勢相反，主要是曝氣作用下溶解氧充足，水體中以硝化作用為主［4］，因此對氨氮的去除效果較好，而對TN的去除效果不明顯。比較曝氣16d與24d各采樣點NH+4－N與NO－3－N的變化關系，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移NH+4－N與NO－3－N呈現(xiàn)明顯的相關性。16d時，河水中NH+4－N去除與NO－3－N生成關系擬合參數(shù)為:y=4.73－1.22x，R2=0.6428;24d時相關性增強，擬合參數(shù)為:y=4.75x－0.99，R2=0.9469。

2．2曝氣位置對河道水質改善的影響

2．2．1對河岸兩側水質改善的影響曝氣工程對河岸兩側水質的影響如圖3所示，從圖3(a)可以看出，整個曝氣期間河道C斷面中心點位Y點位增氧效果好于河岸兩側點位，X點位與Z點位無明顯差異。16d左右，各點位DO參與水體中NH+4－N的硝化反應，含量有所下降，至24d水體水質穩(wěn)定，DO保持在較高水平。圖3(b)顯示，C斷面上X、Y、Z點位的電導率變化一致且無明顯差異。比較圖3(c)、圖3(d)可以看出，由于硝化作用，各點位NH+4－N濃度隨著時間的增加均有所下降，中心點位Y點NH+4－N的去除效果略好于河岸兩側點位，可見，曝氣作用交叉區(qū)域的點位水質改善較有優(yōu)勢，這主要是由于處于曝氣交叉位置的河道水體受4個曝氣機的復合影響，水體紊動較強，促進了水體中氧氣的混合傳遞，利于NH+4－N的快速硝化。2．2．2對河道上中下游沿程水質改善的影響曝氣工程對河道上下游沿程水質的影響如圖4所示，從圖4(a)可以看出，曝氣第1d，上下游段DO濃度相近，中游段D斷面DO最高，為5.1mg/L;隨著時間的推移，各河段水質DO含量在硝化作用下均有所下降;至24d時，中上游段DO濃度相近，約為4．7mg/L左右，最高點出現(xiàn)在下游段E斷面，為7.08mg/L。圖4(b)顯示，各河段電導率無明顯差異，最低值出現(xiàn)在下游段E點。圖4(c)顯示，曝氣第1d，曝氣位置交叉區(qū)域C斷面處的NH+4－N迅速降低。隨著時間的推移，NH+4－N最低值點位隨著河道距離逐漸往下游推移，第1d，NH+4－N最低值點位在C斷面(約160m處);第16d、24d，NH+4－N最低值出現(xiàn)在下游段E斷面(約425m處)，河道沿程NH+4－N去除效果表現(xiàn)為:下游段＞中游段＞上游段。這是因為在DO充足的條件下，硝化細菌表現(xiàn)出良好的硝化作用，大大降低了水中的NH+4－N含量［5］。

2．3曝氣工程對河道水質改善總體情況分析

總體看來，微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧技術可以在短期內(nèi)對河道水質起到較好的改善效果，受開放水體外源污染物輸入影響COD的降解效果不明顯，該技術在以NH+4－N、P為超標因子的河道治理方面有較好的應用前景。如表1所示，24d時下游段E斷面處TP降為0.17mg/L，達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838－2002)中III類水標準。與類似工程相比較，微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧技術在氨氮的快速去除方面有明顯優(yōu)勢。這是因為臭氧的投加增加了水中的羥基自由基，有利于有機物的降解和分解;臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡主要集中在微米級別(10μm～100μm)，微米氣泡具有上升速率慢、停留時間長、比表面積大、傳質效率高等特點［6］，另外，有研究表明［7］，經(jīng)微米氣泡曝氣后，河流好氧微生物的豐度顯著提升加快污染物的降解，促進水體凈化。

3結論

采用微孔管道空氣－臭氧混合曝氣增氧技術對河道進行治理，河水水質得到整體提升;下游段水質改善狀況最好，氨氮濃度降為0.92mg/L，DO提升為7.07mg/L。水質從基本改善到穩(wěn)定需要13d～24d。對于氨氮的應急處理，曝氣設備應布設于檢測點周邊，近曝氣點區(qū)域水質可得到迅速提升，但持續(xù)效果較差，可保持3d左右;對于氨氮的長效處理，曝氣設備應布設于檢測點上游約250m處。該技術維護成本約1000～2000元，運行費用每臺曝氣機每天約28.21元，一次性投資較少，處理效果良好穩(wěn)定，可用于以氨氮為主要超標因子的城市河道治理。

作者：王正芳 胡建利 曹新 張玉龍 桂林 單位：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院 蘇州相城經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理和環(huán)境保護局 東華大學環(huán)境科學與工程學院 國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術中心 上海污染控制與生態(tài)安全研究院 見嘉環(huán)境科技(蘇州)有限公司