新型溶氧曝气装置改善河流水质

1.实验条件

实验装置同清水曝气实验装置相同，如表3.30所示，只是将实验用水由清水换成受污染的河水。实验用水取自南京市一条城市内河，该河道总长约4.8 km，平均宽度为5米左右，平均水深为1.5 m。平时河水基本呈滞留状态，雨天时水体呈现流动状态，但流速较为缓慢，为典型的城市小河道特征，水体并未发黑，但已散发出强烈的异味，给人的感官带来明显的厌恶感。

水质指标检测方法如表3.30所示。

表3.30　主要水质检测指标与分析方法

为了比较新型溶氧曝气装置与微孔曝气装置对污染河水的处理效果，实验装置共设3组。第一组不进行曝气处理，静置作为空白对照；第二组采用微孔曝气装置对河水进行曝气，通气量为400 L/h；第三组使用新型溶氧曝气装置对河水进行曝气，曝气量同样控制在400 L/h，液体循环流量为12 m3/h。实验河水的体积均为200 L，有效水深为0.7 m，进行曝气的两组系统每天曝气时间相同且均控制在3 h，其他时间段不进行曝气。每天曝气前，对每组河水测定其水体中的溶解氧含量；在曝气结束后，对其水质指标进行测定。

2.污染河流水质改善效果分析

1）水体中DO浓度的变化

在对污染河水水体进行曝气的实验中，微孔曝气装置和新型溶氧曝气装置均能够较快地提高水体中的溶解氧浓度，使水体中的溶解氧达到饱和状态。停止曝气后，水体中的溶解氧缓慢下降，每天在曝气前测定水体中的剩余溶解氧含量，3组实验中水体中的剩余溶解氧含量的变化如图3.101所示。

图3.101　水体中DO浓度随时间的变化

从图3.53可以看出，曝气前水体的初始溶解氧为2 mg/L，无曝气组水体中的溶解氧在第一天出现了下降，之后基本保持在1.4 mg/L左右。微孔曝气组水体中的溶解氧在第一天出现下降之后，随着后续曝气的进行，水体中的溶解氧逐渐增加，在第四天溶解氧升高到4 mg/L左右，之后变化幅度不大；在第8天水体中的溶解氧达到最大值为4.4 mg/L。新型溶氧曝气组水体的溶解氧在第二天下降到最低为0.5 mg/L，之后溶解氧快速增加；在第七天的时候溶解氧含量超过微孔曝气组；在第八天水体中溶解氧达到5 mg/L。比微孔曝气组高0.6 mg/L。对比空白组，水体中溶解氧高3.6 mg/L，微孔曝气组溶解氧含量增大的时间要早于新型溶氧曝气装置。

水体中的溶解氧变化比较复杂，因为水体中的溶解氧与水体中的污染物质存在密切的关系。水体中的污染物质增加，溶解氧被消耗，溶解氧浓度下降；增加水体中的溶解氧，微生物的活性增强，进而加快对水体中污染物质的降解作用，污染物质的含量下降，水体中的溶解氧含量能够维持在较高的水平。曝气组在前三天里出现溶解氧浓度下降现象，是由于进行曝气后，水体中微生物活性增强，微生物的需氧量增加。停止曝气后，水体的耗氧速率大于水体的大气复氧速率，从而使得水体中的溶解氧在刚开始时表现出下降趋势；之后随着微生物对污染物质的降解，污染物质的含量减少，水体的耗氧速率降低，水体中的溶解氧浓度逐渐升高。微孔曝气组停止曝气后，粒径较大的悬浮物沉降到底部，使得水体中污染物的含量降低，新型溶氧曝气具有切割细化作用，污染物依旧能够比较均匀地分散在水体中，所以其耗氧速率要大于微孔曝气装置组，最终呈现出微孔曝气组溶解氧含量增加的时间要早于新型溶氧曝气装置。

2）水体中CODMn的变化

如图3.102所示，无曝气组、微孔曝气组和新型溶氧曝气组的CODMn都出现了明显的下降。无曝气对照组CODMn浓度在前三天出现了明显的下降，之后变化不再明显；微孔曝气组的浓度由开始时的16.52 mg/L下降到8.15 mg/L，去除率达到50.7%；新型溶氧曝气组的CODMn浓度由17.59 mg/L下降到6.38 mg/L，去除率可达63.7%。微孔曝气组在前6天的CODMn浓度要低于新型溶氧曝气装置水体中CODMn浓度。

图3.102　水体中CODMn随时间的变化

无曝气组作为对照，只做静置处理，河水中悬浮的污染物在静止的过程中被沉降到水池底部，不能够被检测到。这是无曝气组的CODMn浓度下降的主要原因。对于微孔曝气组，在不曝气阶段，部分悬浮的污染物依旧会沉降到水池底部，虽然曝气能够对水体造成了一定的扰动，但扰动的程度较弱，部分粒径较大且已经沉降在底部的污染物很难被带到水体中。新型溶氧曝气装置能够将流过该装置的悬浮物和大分子有机物集团进行切割细化，且由于对水体进行循环，水池中的污染物能够几乎均匀地分散在水池中，使得水体中的微生物、污染物、溶解氧充分混合接触，强化微生物的活性，提高对污染物的去除能力。由于克服了污染物的沉降并对污染物切割细化，污染物分散比较均匀，使得新型溶氧曝气装置在前期对CODMn表现出的降解作用要弱于微孔曝气装置，但是随着时间的延长，新型溶氧组水体的CODMn浓度最终低于微孔曝气组。通过水体的浊度变化，能够在一定程度上验证各组水体中污染物的分散情况。

水体中的污染物之间相互结合成大的分子集团，污染物与微生物的接触面积大大减小，从而导致污染物通过生物降解的难度增加。实验中，微孔曝气虽然能够提高水体中的溶解氧浓度，但对污染物的去除效果并不十分理想。沉积物曾经一度被看作是水体环境污染物质的最终存储场所，大量的有机物、氮磷物质、重金属等在底泥中沉积，最终造成水体的内源污染。与微孔曝气相比，新型溶氧曝气装置能够较好地解决上述问题，在实际污染河流的修复中具有较大的优越性。

3）水体中氨氮的变化

水体中氨氮的变化如图3.103所示，无曝气组水体中的含氮有机物在微生物的作用下转化为氨氮，使得水体中的氨氮浓度出现了一定程度的上升。对于两曝气实验组，通过曝气不仅能够解决水体中氨氮上升的问题，而且对氨氮具有一定的去除效果，但微孔曝气和新型溶氧曝气在对氨氮的去除上呈现出较大的差别。微孔曝气组对氨氮的去除效果有限，最大去除率只有12.0%，但新型溶氧曝气装置对氨氮的去除具有十分明显的效果，水体中氨氮的浓度在第三天后便出现了大幅度下降，最终使氨氮的浓度由初始的10.55 mg/L下降到1.04 mg/L，去除率高达90.1%。从图3.55中可以看出，微孔曝气组和新型溶氧曝气组水体中氨氮浓度在前两天基本没有变化，说明氨氮的减少并非是曝气时吹脱作用引起，而是在微生物的作用下被氧化转化。

图3.103　水体中氨氮随时间的变化

新型溶氧曝气装置对氨氮去除效果较好的原因在于：①新型溶氧曝气装置能够对水体中的物质进行切割细化，增加微生物、氨氮和溶解氧之间的接触面积，提高了微生物活性，强化了硝化细菌对氨氮的氧化作用。②氧是生物硝化作用中的电子受体，与微孔曝气装置相比，新型溶氧曝气装置的充氧能力更强，有利于硝化反应的进行。(www.xing528.com)

4）水体中TN的变化

不同曝气组对水体中TN的去除效果如图3.104所示。从图中可以看出，无曝气组水体中TN的浓度由初始的14.73 mg/L下降到13.90 mg/L，TN浓度随着时间的变化并不明显。曝气实验组水体中TN浓度随时间的变化基本呈现出相同的趋势。在前一段时间内，曝气组水体中的TN逐渐下降，微孔曝气组在第六天TN的浓度最低达到11.83 mg/L，此时的去除率为20%；新型溶氧曝气组在第五天TN的浓度最低达到12.38 mg/L，此时的去除率为23%。之后两组曝气实验水体中的TN不再下降，而是呈现一定幅度的波动。在前期，由于水体处于好氧—缺氧交替的状态，能够使反硝化反应能够较好地进行，但随着时间的推移，水体中的溶解氧含量逐渐增加，反硝化所需要的缺氧条件不再满足，硝态氮很难通过反硝化作用转化为氮气而实现对TN的去除，而且反硝化菌是化能异养兼性缺氧型微生物，随着有机碳源的消耗，反硝化细菌的活动逐渐受到抑制，所以对水体中TN的去除不再明显。

图3.104　水体中TN随时间的变化

5）水体中TP的变化

图3.105给出了3组实验中水体TP浓度的变化，从图中可以看出，无曝气对照组水体中TP的浓度基本没有减少。两组曝气实验组水体中TP浓度随着运行时间不断下降，在第五天，两曝气实验组的总磷浓度达到最低，微孔曝气组的TP浓度为1.2 mg/L，新型溶氧曝气组的TP浓度为1.16 mg/L，由此可见，两曝气实验组对TP的去除率并不是很高，差别较小。在第五至第八天内，水体中TP含量基本保持稳定。

在厌氧条件下，聚磷菌通过聚磷酸盐水解产生的能量将有机物转化为PHA，同时伴随着正磷酸盐的释放；在好氧条件下，聚磷菌能够利用胞内贮存的PHA提供生长所需的能量和碳源，聚磷菌生长时将磷以聚合的形态贮存在体内，此时，吸收的磷远远大于厌氧时释放的磷，聚磷菌对磷的超量吸收使得水中磷的浓度大大下降，从而实现了对磷的去除。随着水体中溶解氧的增加，聚磷菌“释磷”所需的厌氧条件不再满足，由于聚磷菌没有经过厌氧释磷的过程，所以在好氧条件下，聚磷菌无法实现对磷的超量吸收，因而水体中磷的含量不再变化。

图3.105　水体中TP随时间的变化

6）水体中浊度的变化

如图3.106所示，3组实验水体中浊度出现了明显的下降，无曝气组和微孔曝气组的浊度下降速度较快，水体中大量的悬浮物在非曝气时间段沉降到底部。新型溶氧曝气组能够对悬浮的污染物进行切割细化，污染物的粒径变小，发生沉降比较困难，而是比较相对均匀地分散在水体中，且水体进行循环时紊动较为剧烈，浊度于第一天出现了上升。在对浊度测定过程中，新型溶氧曝气组的浊度始终大于无曝气对照组和微孔曝气组，不过从最终的浊度变化来看，3组实验水体的浊度随着系统运行时间的增加逐渐下降，水体也变得澄清。

3.小结

图3.106　水体中浊度随时间的变化

新型溶氧曝气装置用于处理受污染河流具有很好的效果，能够快速消除水体的异味，改善水体水质，实现对受污河流的净化。在相同曝气量的条件下，虽然微孔曝气装置和新型溶氧曝气装置均能够较快地增加水体中的溶解氧含量，但两组曝气方式在对污染物的去除上呈现出一定的差异。与微孔曝气组相比，新型溶氧曝气组的DO最终提高了0.6 mg/L，对CODMn、氨氮、TN和TP的去除率分别高13%、78.1%、3%、3.5%。综合来看，新型溶氧曝气装置对污染物质的切割细化，使污染物能够较均匀地分散在水中，在污染河流治理的实际工程中具有良好的应用前景。