水体增氧技术

水体增氧主要是通过人工控制的方法向水体中充氧来恢复水体生态功能的技术措施，是水和空气充分接触以交换气态物质和去除水中挥发性物质的水处理方法，或使气体从水中逸出，如去除水的臭味或二氧化碳和硫化氢等有害气体，或使氧气溶入水中，以提高溶解氧浓度，达到除铁、除锰或促进需氧微生物降解有机物的目的。曝气能在河底沉积物表层形成一个以兼性菌为主的生态环境，并使沉积物表层具备了好氧菌生长刺激的潜能，从而能在较短时间内降低水中有机污染物的含量，迅速地氧化H2S及FeS等致黑致臭物质，增强水体的自净作用，使水质得到改善。

60年代起，曝气复氧技术就被很多国家应用于河道治理，国内外的实际运行经验表明在河道中进行曝气复氧不但能改变水体的黑臭状况，而且能使河道上层底泥中还原性物质得到氧化降解。

水体增氧方式主要有化学增氧、机械增氧、生物增氧等几种方式，

现将其增氧效果介绍如下：

（1）增氧方式的原理及使用方法

1）化学增氧：主要是人为向养殖水体中投放一些化学制剂，其遇水后在水中发生化学作用释放氧气，从而提高水体中溶解氧的含量，化学增氧剂一般为过氧碳酸钠、过氧酰胺、过氧化钙、过氧化氢和过氧二硫铵中的任一种，增氧是其最主要和最基本的功效。在生产实践中的使用量也越来越多，尤其是在通电困难、水源不方便、没有增氧机的塘口，或在梅雨季节，闷热、雷雨、高温，天气多变，浮头缺氧多发的情况下，大多数采用此方法。

2）机械增氧：主要是通过水泵等机械向水体中提供含量高的水体或通过水体与空气有效接触向水体不断补充氧气的方式来增加水体中的溶解氧。机械增氧方式主要为水泵、增氧机和鼓风机微孔管道增氧等形式。水泵是最传统的辅助增氧工具。主要是在水泵工作时，通过泵内的叶轮高速旋转时产生离心力将水抽到泵体使水产生一定的压力由泵出口打出，通过加大水体与空气的接触面积，将空气中的氧渗入水中，因此增氧效果与水和空气接触程度成正比，也与抽入氧丰富的上层水（进水口伸入水层过深，则吸入的水溶氧较少，增氧效果较差）。

3）生物增氧：是指在宜栽植水草的塘口种植适量的水草或人为增加水体中的浮游植物量，通过水草和浮游植物的光合作用，吸收水体中的二氧化碳，释放氧气来达到水体增氧的目的。

（2）增氧方式的优缺点比较如下表5-3所示。

（3）增氧方式的选择

根据要求结合水质监测、维护、水质达标等条件，本项目主要选择为机械的方式进行对水体进行增氧。

（4）河道曝气复氧技术简介

溶解氧在河水自净过程中起着非常重要的作用，水体的自净能力直接与复氧能力有关。河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，水体溶解氧主要消耗在有机物的好氧生化降解、氨氮的硝化、底泥的耗氧、还原物质的氧化、水生生物和植物生长等化学、生化及生物合成等过程中。污染河道就是由于溶解氧的总消耗量大于复氧量，水体的溶解氧大幅下降，甚至被消耗殆尽，河流水体处于无氧状态，有机物的分解就从好氧分解转为厌氧分解，水体生态系统遭到严重破坏，导致污染水体黑臭。

河道曝气技术就是根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气或氧气，加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质。

曝气复氧对消除水体黑臭的良好效果已被实验室试验与河流曝气所证实。其机理是进入水体的溶解氧与黑臭物质（如H2S，FeS等还原性物质）之间发生了氧化还原反应。相关研究结果表明即使严重黑臭的水体，在有氧条件下20h后臭味基本消除，水体颜色明显改观，COD、BOD5都有大幅度（30%～50%）降低。通过复氧，可以使天然水体逐步恢复自然的生态功能，达到最终消除黑臭污染的目的。

河道曝气复氧技术作为一种投资少、见效快的河流污染治理技术已经在很多国家得到应用。20世纪五六十年代起，英、德、美等发达国家就开始利用河道曝气技术治理河道污染。英国的Thames，德国的Ruhr、Enshcer与Saar河，澳大利亚的Swan河、Canning河和美国的Homewood等河流就先后利用河道曝气技术明显改善了河流水质，河道曝气技术在国外应用已非常成熟。

近年来，我国一些大中城市也进行了一定规模的河道人工曝气复氧试验。上海市在苏州河环境综合整治一期工程中建造了一艘充氧能

表5-3河道人工增氧方法比较

力为m3/h的充氧船（“沪苏曝氧I号”），实测结果表明，该船在夏季可使苏州河水体增加的0.56mg/L的DO，在冬季增加0.61mg/L；充氧时的有效影响范围可以到达下游～0m，能够对黑臭现象有较明显的改善。此外，北京的清河环境改善曝气工程、上澳塘和新径港的曝气工程、重庆的桃花溪曝气措施等、都取得了较好的治理效果。

根据国外河道曝气的工程实践，河道曝气一般应用在以下两种情况：第一种是在污水截流管道和污水处理厂建成之前。为解决河道水体的有机污染问题而进行人工充氧。如德国莱茵河支流Emscher河的情况。第二种是在已经过治理的河道中设立人工曝气装置作为对付突发性河道污染的应急措施。突发性河道污染是指连续降雨时，城市雨污混合排水系统溢流，或企业因发生突发性事故排放废水造成的污染。另外，在夏季，因水温较高，有机物降解速率和耗氧速率加快，也可能造成水体的溶解氧降低。以上两种情况发生后，进行河道曝气复氧是恢复河道的生态环境和自净能力的有效措施。

河道曝气技术是近年来国内外治理河流污染的有效工程措施，能在较短的时间内对河道的黑臭现象有明显的改善。研究表明，河道曝气技术会受到温度、水体微生物与水的混合程度、微生物活性等因素的影响，因此，河道曝气技术的应用要充分考虑污染水体的特征，并结合一些生物方法以提高其效率。目前，关于河道曝气技术的研究主要集中在研制新型的充氧设备，高现代化的曝气船，提高充氧效率，降低曝气的成本。

（5）曝气增氧原理

河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标，受污染水体溶解氧浓度变化的过程反映了河流的自净过程。当水体中存在溶解氧含量下降，浓度低于饱和值，水面大气中的氧就溶解到河水中，补充消耗掉的氧。如果有机物含量太多，溶解氧消耗太快，大气中的氧来不及供应。水体的溶解氧将会逐渐下降乃至消耗殆尽，从而影响水生态系统的平衡。当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态，有机物的分解就从有氧分解转为无氧分解，水质就会恶化，甚至出现黑臭现象。此时，水生态系统已遭到严重破坏，无法自行恢复。由此可见，溶解氧在河水自净过程中起着非常重要的作用。并且水体的自净能力直接与曝气能力有关。

河道曝气技术就是根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气或氧气，加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质。

河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，其中大气复氧是水体中溶解氧的主要来源。大气复氧是指空气中氧溶于水的气–液相传质过程．这一过程也可称为天然曝气。但是，单靠天然曝气作用，河水的自净过程非常缓慢。故此需要采用人工曝气弥补天然曝气的不足。如果向一条已遭受严重有机污染且处于黑臭状态的河道进行人工曝气。充入的溶解氧可以迅速地氧化有机物厌氧降解时产生的致黑致臭物质，有效地改善、缓和水体的黑臭程度。

（6）需氧量的计算

曝气设备的选型和充氧方式的确定是影响河道曝气效果的关键因素。要进行设备选型，首先要确定水体的需氧量，进而根据设备的充氧动力效率确定设备充氧量。需氧量主要取决于水体的类型、水质现状以及河道治理的预期目标。

水体需氧量=水体耗氧+底泥耗氧大气复氧-植物光合作用产氧

一般河道曝气需氧量计算忽略大气复氧和植物光合作用产氧，以总耗氧量作为河道需氧量的参考数值。耗氧量计算模型如下所述。

1）组合推流式反应器模型：该模型是将河道看成多个推流式反应器的串联组合，利用现有的水质、水力资料，对相应边界条件进行合理的简化和假设，并综合多种耗氧和复氧作用建立起来的。其假设条件有：

①各污染源只是在各反应器首端集中进入；

②入流污染源的水质、水量不随时间变化；

③入流污染源与反应器进水立即混合均匀。

此种方法是每段反应器中各项耗氧量和复氧量的简单代数和，是一种近似的计算方法，将河道分成尽量多的河段可提高计算精度。模型中任意一个（第n个）反应器的需氧量可用下式计算：

式中On：第n个反应器的需氧量，kg/d

C0-（n-1）：第n-1个反应器出口的溶解氧浓度，mg/LQn：第n个反应器的流量，m3/d

tn：第n个反应器的水力停留时间，d

C0-n：第n个反应器出口的还原物质浓度，mg/LC’0-n：第n个反应器进口的还原物质浓度，mg/Lk0：无机还原物质的耗氧速率，mg/L·d

kc：生化反应速率常数，d-1

C1-n：第n个反应器出口的BOD5浓度，mg/L

kN：硝化反应速率常数，d-1

C2-n：第n个反应器出口的氨氮浓度，mg/L

C3-n：大气复氧量，mg/L

C’1-n：第n个反应器进口BOD5浓度，mg/L

C’2-n：第n个反应器进口氨氮浓度，mg/L

2）箱式模型：对于面积较小、水深较浅，且外界输入污染负荷较小的小型静止水体，如公园和居住小区的景观湖或者池塘、滞留型的小河道等，可以采用基于一级反应的箱式模型。该模型一般只考虑有机物生化耗氧与大气复氧的作用，若水体污染严重，长期处于黑臭状态，还需要考虑还原性物质和底泥耗氧作用。

式中O：水体的需氧量，g

V：水体的体积，m3

t：充氧时间，d

C：水体的溶解氧浓度，mg/L

L0：水体初始的BOD5浓度，mg/L

K1：BOD5生化反应速率常数，d-1

Cs：水体的饱和溶解氧，mg/L

K2：水体的复氧速率常数，d-1

Cm：维护水体好氧微生物生命活动的最低溶解氧浓度，一般可取2mg/L

充氧时间t根据下式确定：L=L0（1-e-K1t）

式中L：水体改善后的BOD5浓度，mg/L

如果水体污染严重，长期处于黑臭状态，则在计算需氧量时还需考虑无机还原物质（如Fe）和底泥耗氧作用的影响。

6.3.3.4曝气设备的选择

（7）曝气设备充氧量的计算

水体的需氧量和设备的充氧量是不相等的。曝气设备标称的充氧动力效率均是通过清水试验获得的。在标准条件下(水温为20℃，气压为1.×Pa)，单位时间转移到脱氧清水中的溶解氧量为：

RO=KLs(20)OS(20)V

式中RO：标准条件下单位时间转移到脱氧清水中的溶解氧量，mg/hKLs(20)：水温为20℃下的氧总转移系数，h-1

OS(20)：水温为20℃下的饱和溶解氧浓度，mg/L

V：水体的容积，m3

受污染的水体与清水不同，含有大量的杂质，这些杂质影响了氧的转移系数和水体的饱和溶解氧。因此，充氧设备在污水中的氧转移速率和清水中是不同的，需要引入相关的系数进行校正。一般使用α校正水中杂质对KLs的影响，使用β校正对OS的影响。此外，水体温度也会对KLs值产生影响，它们之间的关系为：

式中KLa(T)：T℃下的氧总转移系数，h-1

T：设计水温，℃

α和β值可通过污水、清水的充氧试验予以确定。城市生活污水的α和β值约在0.80～0.85和0.9～0.97之间。通常河流的污染程度低于生活污水，α和β值可参考上限取值，即口α=0.85，β=0.97。

机械曝气设备的主要技术参数是动力效率（以kgO2/kw·h计），根据校正计算得到的氧转移速率与设备的动力效率可以确定设备的总功率和数量；鼓风曝气设备的设备容量可参考《给水排水设计手册-城镇排水》相关内容进行计算。

（8）曝气设备的选型

根据需曝气河道水质改善的要求（如消除黑臭、改善水质、恢复生态环境）、河道条件（包括水深、流速、河道断面形状、周边环境等）、河段功能要求（如航运功能、景观功能等）、污染源特征（如长期污染负荷、冲击污染负荷等)的不同，河道曝气一般采用固定式充氧站和移动充氧平台两种形式。

1）固定式充氧站

①鼓风曝气：如图5-71.所示，即在河岸上设置一个固定的鼓风机房，通过管道将空气或氧气引入设置在河道底部的曝气扩散系统，达到增加水中溶解氧的目的。一般由机房（内置鼓风机）、空气扩散器和管道组成。工程实例：上海市徐汇区上澳塘河道曝气系统。

②纯氧曝气：曝气方式与鼓风曝气类似，但是以纯氧代替鼓风曝气的空气。纯氧曝气可以分为两种形式：a.纯氧—微孔布气曝气系统，由氧源和微孔布气管组成；b.纯氧—混流增氧系统，由氧源、水泵、混流器和喷射器组成。纯氧曝气系统的氧源可采用液氧（LOX）和利用制氧设备（PSA）制氧。工程实例：德国Emsher河采用了液氧—微孔布气管曝气系统。

③机械曝气：如图5-72.所示，将机械曝气设备直接固定安装在河道中对水体进行充氧。可以分为三种形式：a.叶轮吸气推流式曝气器，由电动机、传动轴、进气通道和叶轮组成；

图5-7鼓风曝气与机械曝气增氧

b.水下射流曝气设备，由潜水泵、水射器组成；c.水车/叶轮式增氧机，由叶轮、浮筒和电机组成。工程实例：韩国Suyon江河口釜山港湾和北京清河河道污染治理中使用了叶轮吸气推流式曝气器。

2）移动式充氧平台：移动式充氧平台是在不影响航运的基础上，在需要曝气的河段设置可以自由移动的曝气增氧设施，主要用于在紧急情况下对局部河段实施有目的的复氧，目前使用最多的是曝气船。

3）各种河道曝气充氧设备的特点和适用范围如表5-4所示：

4）项目河道曝气设备的选择

根据项目需曝气河道水质改善的要求，主要是以改善水质、恢复生态环境为主，本次处理的河道断面整体较窄，流速较慢，水深较浅，周边有工厂和居民聚集，河道无航运要求等条件，本次河道曝气复氧的方式采用固定式充氧机械曝气的方式。

河道前端主要以液下沉水式曝气机为主要增氧设备，中端则采用表面曝气增氧，后端则以浮岛、绿植的方法进行对水质的维持。

由于水深稳定，变化小，且河边均为土质护坡，固定方式主要以河底打木桩做基础为主，招标要求也有清淤要求，在清淤后也便于施工。

表5-4河道曝气充氧设备特点和适用范围比较