全康環(huán)保:國內外研究證明，曝氣增氧技術(shù)是一種快速、高效、簡(jiǎn)便易行的污染物降解措施，已廣泛應用于河湖水環(huán)境治理尤其黑臭水體修復的工程實(shí)踐中。

在工程的前期設計階段，曝氣增氧技術(shù)如何選擇、河道需氧量如何計算、曝氣設備功率/風(fēng)量如何設計，是首要考慮的問(wèn)題。

目前關(guān)于曝氣增氧系統的設計，在污水處理工程領(lǐng)域有相對成熟的設計手冊和規程；而在河道、湖泊等地表水體治理領(lǐng)域，卻鮮有相關(guān)規范或標準對曝氣設計作出明確要求。

本文參考行業(yè)研究文獻，梳理了河湖治理中3種常用的曝氣需氧量計算方法及實(shí)例，并對設備選型給出了一定的對比闡述和建議。

1曝氣增氧的作用

曝氣技術(shù)首要的作用就是迅速增加水體溶解氧（DO）含量。DO改變，則水中大環(huán)境改變。水體由原來(lái)缺氧或厭氧狀況逐步轉變?yōu)楹醚鯛顟B(tài)，好氧微生物得到加持而活力大增，進(jìn)而促進(jìn)水體有機污染物、氮素的分解轉化。

因此，曝氣增氧的第二個(gè)作用就是可間接降低水中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH₃-N）、總氮（TN）等污染物濃度。

其三，充入的DO可氧化有機物厭氧降解時(shí)產(chǎn)生的硫化氫（H₂S）、甲硫醇及FeS等致黑致臭物質(zhì)，有效改善水體的黑臭狀況。研究表明，隨著(zhù)曝氣的進(jìn)行，H₂S存在時(shí)間從超過(guò)40天可減少到不超過(guò)20天。

此外，向水體增氧的過(guò)程，也在一定程度增加了水體自身的紊動(dòng)性，產(chǎn)生了“流水不腐”的功效，進(jìn)一步促進(jìn)了水體和氧氣的混合、傳遞，加速水質(zhì)凈化。

2需氧量計算

總體來(lái)講，水體需氧量=水體耗氧+底泥耗氧-大氣復氧-植物光合作用產(chǎn)氧。

實(shí)際中，水體需氧量計算需綜合考慮多方面因素，主要包括水體類(lèi)型（靜止水體/流動(dòng)水體）、現狀水質(zhì)、主要污染物、目標水質(zhì)等。

目前國內多數研究中，習慣將需氧量計算模型分為三種形式：

1 | 箱式模型

對于小型靜止水體，如公園或小區內的景觀(guān)湖、池塘、斷頭浜、滯留型河道等，由于其面積較小，水深較淺，且外界輸入污染負荷相對不高，一般可采用基于一級反應動(dòng)力學(xué)方程的箱式模型：

式中，O為水體需氧量，g；V為水體體積，m³；t為充氧時(shí)間，d；C為水體的溶解氧濃度，mg/L；L₀為水體初始BOD₅濃度，mg/L；K₁為BOD5生化反應速率常數，/d；C_s為水體的飽和溶解氧，mg/L；K₂為水體復氧速率常數，/d；C_m為維護水體好氧微生物生命活動(dòng)的最低溶解氧濃度，一般取2~3mg/L；

值得注意的是，該模型僅考慮了有機物生化降解和大氣復氧作用。

若水體污染嚴重，長(cháng)期處于黑臭狀態(tài)，則在計算需氧量時(shí)還需考慮無(wú)機還原物質(zhì)（如Fe₂⁺）和底泥耗氧作用的影響。

當然，如果水體設計有沉水植物，則在計算需氧量時(shí)也應對植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量加以考慮。

2 |組合推流式反應器模型

對于河流等流動(dòng)水體需氧量的計算，目前文獻應用較多的是上海市環(huán)境科學(xué)研究院建立的組合式推流反應器模型。

該模型將河流近似看做多個(gè)推流式反應器的串聯(lián)組合，在充分利用河道現有水質(zhì)、水力資料的基礎上，對相關(guān)邊界條件作了合理簡(jiǎn)化和假設后建立而成的模型。

組合推流反應器模型方程如下：

式中，O_n為第n個(gè)反應器需氧量，g/d；Q_n為第n個(gè)反應器流量，包括河流本體流量和外源流量，m³/d；C’_0-n為第n個(gè)反應器進(jìn)口還原物質(zhì)濃度，mg/L；K0為無(wú)機還原物質(zhì)好氧速率，mg/(L?d)；t_n為第n個(gè)反應器的水力停留時(shí)間，d；C’_1-n為第n個(gè)反應器進(jìn)口BOD⁵濃度，mg/L；Kc為BOD⁵耗氧速率常數，d^-1；C’_2-n為第n個(gè)反應器進(jìn)口氨氮濃度，mg/L；Kn為氨氮耗氧速率常數，d-1；Os-n為第n個(gè)反應器底泥耗氧需氧量，kg/d；Qn-1為第n-1個(gè)反應器的流量，m3/d；C0-（n-1）為第n-1個(gè)反應器出口溶解氧濃度，mg/L；O_a-n為第n個(gè)反應器藻類(lèi)復氧強度，kg/d；C_3-n為第n個(gè)反應器大氣復氧量濃度，mg/L。

該模型綜合考慮了還原物質(zhì)耗氧、有機物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用，同時(shí)考慮大氣復氧、藻類(lèi)光合作用復氧等復氧作用。

在實(shí)際河道復氧作用中，可根據河道周?chē)h(huán)境將河道切割成多段，從而提高模型的計算精度。

3 | 耗氧特性曲線(xiàn)法

針對缺乏可靠的水質(zhì)模型和污染資料不全的水體，可利用實(shí)驗室試驗確定目標水體的耗氧特性曲線(xiàn)，根據治理目標和各階段耗氧量，對需氧量進(jìn)行估算。

耗氧特性曲線(xiàn)是建立在單位水體溶解氧消耗量與時(shí)間關(guān)系的二維坐標曲線(xiàn)，描述了水體中各特定耗氧階段的物質(zhì)耗氧細節，包括開(kāi)始時(shí)間、階段歷時(shí)、階段耗氧量、是否存在抑制現象等。

比如李偉杰等人的研究，通過(guò)在20℃恒溫培養箱內，對上海新港河道水樣培養15天，分別測定每天的DO值，根據耗氧量繪制出河道的耗氧特征曲線(xiàn)：

△ 上海新港河道水體耗氧特征曲線(xiàn)（不含底泥耗氧）

耗氧特征曲線(xiàn)方法僅考慮了某一時(shí)刻水體需氧情況，不適用于有持續外源污染輸入、藻類(lèi)復氧比較強的條件，多用于封閉的湖庫。對于流動(dòng)性河道，可將其劃分為多段，對各段水體分別制定相應的耗氧曲線(xiàn)，從而得到需氧量。

3充氧量計算

水體的需氧量并不等于設備的充氧量。

一般情況下，增氧設備標稱(chēng)的充氧動(dòng)力效率，均是通過(guò)清水試驗獲得。

而實(shí)際中我們所面臨的均是受污染的水體，其中含有大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)直接影響了氧的轉移系數和水體飽和溶解氧含量，因此需進(jìn)行適當的校正。

目前大多引入系數α校正水中雜質(zhì)對氧轉移系數的影響，引入系數β校正雜質(zhì)對飽和溶解氧C_s的影響。校正后的計算方程如下：

式中，R₀為曝氣設備的校正充氧量（氧轉移速率），g/h；R為河道需氧量，g/h，可取上文所計算的理論需氧量的1.2~1.5倍；C_s（20）為水溫20℃下的飽和溶解氧濃度，mg/L；α、β值可通過(guò)污水、清水充氧試驗確定，對于城市生活污水中，α、β值分別為0.80~0.85和0.90~0.97之間，通常河道的污染程度低于該水平，其α、β值可參照上限取值；C_s（T）為水溫T℃下的飽和溶解氧濃度，mg/L；C為水體實(shí)際溶解氧濃度，mg/L；T為設計水溫，℃。

計算出河道需氧量及校正的充氧量后，即可對設備進(jìn)行選型，進(jìn)一步確定相關(guān)細節參數。

4設備功率、風(fēng)量計算

1 | 機械曝氣設備

機械曝氣是污水處理中的概念，主要為表面曝氣，故也稱(chēng)表曝機，借助機械設備（如葉片、葉輪、噴灑器、渦輪裝置等）為水體增氧。

在河道、湖泊治理中，可以歸納為機械曝氣類(lèi)的設備包括葉輪式增氧機、水車(chē)式增氧機、涌浪式增氧機、浮水噴泉等。

機械曝氣設備的主要技術(shù)參數是動(dòng)力效率，以kg O_2/(kW?h₎計。根據前文計算的氧轉移速率R₀（g/h）與設備的動(dòng)力效率，即可確定設備的總功率與數量。受機械曝氣自身特性限值，其更多運用于對局部水體的增氧，如排污口附近，效果較為明顯，且能在水體表明形成一定的紊動(dòng)效果。不適用于全河道的增氧。

2 |鼓風(fēng)曝氣設備

鼓風(fēng)曝氣也叫壓氣曝氣，常見(jiàn)的類(lèi)型包括羅茨鼓風(fēng)機、離心式鼓風(fēng)機、沉水風(fēng)機、射流機等，在河道污染治理工程中應用廣泛。

鼓風(fēng)曝氣設備的主要技術(shù)參數是功率（kW）和風(fēng)量（m³/h）等，設備選型可參考污水處理工程設計手冊中的相關(guān)內容進(jìn)行計算：

式中，Q為風(fēng)機總供風(fēng)量，m³/d；Oc為水體需氧量，kg O₂/d；ε為曝氣設備氧利用率，以%計；0.28為標準狀態(tài)下（0.1MPa，20℃）下每立方米空氣中含氧量（kgO₂/m³）。

根據公式計算可得風(fēng)機風(fēng)量，查詢(xún)風(fēng)機廠(chǎng)家相關(guān)設備參數表，即可進(jìn)一步確定設備功率、規格數量等。

5曝氣設備的選型

曝氣設備的選型，應遵循因地制宜、一河一策的原則。

根據水體類(lèi)型（河道、湖泊、水塘等）、所處區域（北方、南方、城市、郊區等）、水體功能（航運、行洪、景觀(guān)、水源地等）、水體特征（水深、寬度、流速等）、污染情況（持續污染輸入、突發(fā)污染負荷）、水質(zhì)目標（消除黑臭、提高水質(zhì)、恢復生態(tài)等）、供電情況、投資情況等諸多因素，選擇相對適宜的增氧設備。

比如北方地區，水體存在冬季易結冰、易斷流等問(wèn)題，可采用方便拆卸和移動(dòng)的推流曝氣、噴泉曝氣，而不宜采用鼓風(fēng)（管道）曝氣系統；城市河道有景觀(guān)需求的可采用噴泉曝氣，郊區無(wú)供電的河道宜采用太陽(yáng)能曝氣；有航運需求的河道、潮汐性河道，則適宜用曝氣船，不建議用鼓風(fēng)曝氣、推流曝氣等。

? 不同曝氣設備選型比較

6計算實(shí)例

實(shí)例1：上海新港河道

參考李偉杰等研究，其采用試驗測定了新港河道的耗氧特性曲線(xiàn)，并進(jìn)行了反應動(dòng)力學(xué)分析，根據水體和底泥的階段耗氧量、階段歷時(shí)、水量、底泥面積等，計算出新港河道的總耗氧量：

? 新港河道耗氧量計算

計算可得，新港河道總耗氧量為26.92kg/d，其中水體耗氧占15.9%，底泥耗氧占84.1%，以總耗氧量作為河道需氧量的參考數值。

考慮新港河道沒(méi)有航運和景觀(guān)要求，水面較窄，故設計選用機械曝氣的方式對水體增氧，設備類(lèi)型為葉輪式增氧機。

參考增氧機的規格參數，輸出功率為0.75kw的設備，對應增氧能力為1.0~1.2 kgO₂/h。本實(shí)驗即選用該功率設備，數量確定為4臺，對應總增氧能力為4.0~4.8kgO₂/h，每天運行8 h，總增氧量≥32kgO₂/h，滿(mǎn)足新港河道的需氧量要求。

實(shí)例2：蘇州苗家河

參考徐續等人的研究，苗家河水體相對滯留，水域面積小，平均水深約2 m，外源輸入污染負荷較小，因此采用箱式模型對曝氣參數進(jìn)行計算。

計算參數主要采用蘇州苗家河夏季測定平均值，部分參考相關(guān)文獻資料等，具體如下：

設計水溫：25℃；BOD⁵反應速率常數：k=0.25/d；測定初始BOD⁵濃度L0=10.0mg/L；設計水體改善后BOD5濃度滿(mǎn)足地表水IV類(lèi)標準，即L=6.0mg/L；水體飽和溶解氧，Cs=8.5mg/L。

代入方程計算可得，在靜止狀態(tài)下苗家河的理論需氧量為12kgO₂/d。河道北端有閘門(mén)，南端有軟圍隔，平均流速約0.001 m/s，計算動(dòng)水狀態(tài)下水體需氧量為27.6kgO₂/d。

考慮河道水淺、無(wú)航運需求、有景觀(guān)要求等特點(diǎn)，設計選用復葉推流式液下曝氣機，功率3 kw，清水充氧量5.0kgO₂/h，滿(mǎn)足河道需氧量要求。

（本試驗采用24小時(shí)連續曝氣的運行方式，黑臭現象明顯改善后采用間歇曝氣方式。）