摘要：纯氧曝气复氧治理河湖在国外已有长足进展。近年来我国国民经济迅猛发展，由于污水处理跟不上国民经济发展，因而造成了河湖不同程度的污染．已出现因河湖污染危及饮用水安全的事件。论述了纯氧曝气复氧治理河湖的优越性，比较了各种制氧方法和曝气方法，指出采用Pu一8吸附剂变压吸附制氧和微气泡纯氧曝气复氧有较好的发展前景，应尽快加以推广应用。

关键词：微气泡纯氧曝气；变压吸附制氧；河湖复氧

随着国民经济的快速发展．我国的河湖由于接纳了无组织排放的各种污染物．遭到了不同程度的污染．尽快消除河湖污染已是一个迫在眉睫的问题。河湖中的溶解氧是维持水中生物生存及保持河湖对污染物净化能力的重要因素，当水中溶解氧<2mg／L时．水生生物的生存受到影响：当水中溶解氧<lmg／L时，水生生物会大量死亡。英国泰晤士河采用“污染预算”控制流域污水排放时所用的一个重要的适用参数就是溶解氧水平．按照水质标准规定排放的污水排入河湖能使水体保持一定的亏氧值 。水中复氧有生物、物理、化学等多种方法，河湖的自净化作用主要是靠河湖的水面自然复氧和水中的生物代谢活动放氧向河湖补氧．人工复氧是人为的方法向河湖充氧．有强化大气复氧的方法，如利用地形和地势人工形成跌水曝气．有生物复氧的方法．如种植水生植物等，对于污染严重的河湖和某些突发性的污染事件．污染物对溶解氧的消耗难于用上述方法补偿。河湖充氧曝气技术就是根据河湖受到污染后缺氧的问题．人工向水体充入空气(或氧气)。特别是纯氧曝气复氧，可以快速提高水体的溶解氧水平．从而恢复和增强水体中的好氧微生物的活力，加快降解污染物的速率．水体可在短时间得到净化，水质可在短时间得到改善。借鉴世界各国，特别是西方国家的经验。向河湖充氧曝气是一种行之有效的方法。

1 纯氧曝气复氧技术的优越性

河湖充氧曝气技术充氧的方法主要有两种．一种是向水中充空气．一种是向水中充纯氧。纯氧的氧浓度是空气氧浓度(21％)的4．7倍，曝气时纯氧氧气分压比空气的氧分压高4．7倍，在水温20℃ ，空气曝气时，氧在水中的饱和浓度只有9．17mg／L，纯氧曝气时，氧在水中的饱和浓度可达43．74mg／L，因而纯氧曝气比空气曝气氧在水中溶解氧的饱和值也同样高4．7倍。由氧向水体转移速率公式可以看出：

如果纯氧曝气水体可复氧到6mg/L，则纯氧曝气的氧亏值为37.74mg/L，空气曝气水体可复氧到3mg/L，则空气曝气的氧亏值为6.17mg/L．纯氧曝气氧亏值是空气曝气氧亏值的6.1倍，因而氧向水体转移速率也为6.1倍。用纯氧曝气可以大大提高充氧速率。纯氧曝气的优越性主要有：① 氧向水体转移速率高；②剩余污泥少；③ 有利于生物硝化；④ 无异味散发；⑤对有异臭的严重污染河湖可以快速复氧；⑥能应对一些突发性的污染事件。

北美及欧洲国家已将河湖纯氧曝气作为一种重要的治理河湖污染的手段。德国柏林Teltow运河使用固定式微气泡纯氧曝气装置，曝气管总长度700m，曝气垫覆盖面积200m2，最大供氧量70lkg 02/h ，在水温25℃ ，平均流量13m3/s，水体溶解氧浓度6.3mg/L时。纯氧曝气仍可以使河水的溶解氧浓度提高1.5mg/L。此时氧利用率38％一44％。该曝气系统的控制仪表可根据水体的实际溶解氧浓度调节供氧量。英国的泰晤士河自1850年水生生物绝迹后，历经100多年的不懈治理使河流恢复了生命．但在暴雨期间混合污水溢流和初期雨水夹带污染物量大，一度导致水体的溶解氧浓度迅速下降到使鱼类死亡的严重程度。泰晤士河水务局在1980年决定用机动曝气船向河道缺氧段移动式人工增氧，该船采用PSA(变压吸附)制氧。和VITOX注氧设备。试验用供氧能力5~7t/d的曝气船。可以机动、有效、快速地解决暴雨引起的河流急剧缺氧的问题。1985年泰晤士河水务局又购买了一条充氧能力30t/d的曝气船投入使用。国外河道纯氧曝气已开展了近30年．对控制河湖臭味的产生及藻类的过量繁殖十分有效。近年来我国北京、上海等城市也进行了一定规模的河道人工复氧实验．取得了良好的成绩。北美及欧洲国家在工业化的进程中。都经历了由于河湖污染危及饮用水和人们的生命安全的问题，为迅速消除污染，这些国家使用的充氧方式很多．由于先进的高效节能技术的开发是有一个过程的，所以他们甚至不惜代价使用钢瓶液氧充氧。而我国要采用河道人工复氧技术，就完全有条件选用既高效又节能的充氧技术。纯氧曝气制氧设备在工程投资中所占的比例较大，设备运行中所占的成本费用比例也较高。因而，在河湖治理中使用纯氧曝气时一是要选择高效节能的制氧技术,二是要选择高效节能的曝气设备。

2 高效节能的变压吸附制氧技术

河湖充氧所用的氧气一般为钢瓶液氧和变压吸附制氧。冷冻空分制氧投资高且设备庞大无法采用，只是在河湖附近的工厂有制氮装置需放空氧气时才能使用。钢瓶液氧显然价格较高．但由于变压吸附技术的进步，变压吸附制氧是最为经济的。变压吸附制氧是将空气加压下进入吸附塔吸附氮气．空气中的氧气作为产品进入缓冲罐。氧气纯度可达90％一95％ ，氮气含量小于l％，其余为氩气和微量的二氧化碳。吸附饱和后，吸附剂在解压下脱出的氮气放空，两个吸附塔交替吸附解吸操作，连续制氧。当前我国变压吸附制氧技术已成熟，但是普通的和进口的制氧吸附剂性能较差，目前北京北大先锋科技有限公司自主开发并拥有知识产权的新型高效空分制氧分子筛变压吸附(PSA、VPSA)PU一8制氧吸附剂是世界上先进的吸附剂。PU一8吸附剂与国外先进吸附剂吸附性能比较见表l。

PU一8不仅有极高吸氮能力和氮氧分离系数。而且分子筛用量少，解吸速度快，使用寿命l0年以上。失活后可以送回先锋公司再生继续使用。利用此吸附剂又开发出变压吸附工程技术(PSA、VPSA)，PsA加压(0．3MPa)，常压下解吸，与VPsA相比投资较少， 回收率低， 能耗高(制氧电耗0.8一1.2kW.h/Nm3)，只在制氧规模低于100m3/h时使用。VPSA是在常压或略高于常压(0—50kPa)吸附，抽真空解吸(解吸压力-50——80kPa)，投资较高，氧回收率高，能耗低，制氧电耗为0.33kW.h/Nm3，VPSA吸附塔采用浅吸附床，气流分布均匀，气体在吸附塔内各点压力、流速稳定，在适宜制氧规模10000m3/h内。比深冷空分制氧经济。装置价格比进口设备低约50％。已在国内冶金、化工等行业建成几十套装置，运行状态良好。北京北大先锋科技有限公司变压吸附制氧技术特点为：①PU一8吸附剂优良、VPSA吸附塔结构合理；②工艺简单，不需要复杂的预处理装置；③装置运行能耗低；④ 装置运行自动化程度高、稳定性好、可靠性高、操作简单、开停车方便快捷；⑤ 装置操作弹性大；⑥装置运行和维护费用低；⑦ 土建工程费用低。占地少。

北京北大先锋科技有限公司变压吸附制氧技术的突破，为我国推广纯氧曝气用于河湖治理创造了有利条件。

3 高效节能的曝气设备

曝气器主要有大中气泡型如固定单螺旋、固定双螺旋、固定三螺旋、水下叶轮、盆型、金山一型、射流曝气，小气泡型主要是微孔曝气器。由式l可以看出气泡的比表面积(s/v)越大。水中氧浓度变化率越高，小气泡的气泡比的表面积大，因而曝气性能最好的曝气器是小气泡型的微孔曝气器，我国吸收了芬兰、德国等国的技术。自主开发了几种微孔曝气器，微孔曝气器充氧效率达l5％一25％ 。比大中气泡型曝气器节能50％。目前微气泡曝气器有膜片式、盘式、管式等。其中膜阻力小，但长期使用膜上孔易撑破。盘式和管式有刚性和柔性

之分，刚性孔容易堵塞，柔性盘式采用多孔膜存在孔易撑破等问题。北京北大先锋科技有限公司经反复实验用橡胶软管制得微气泡曝气软管．经久耐用、布气效率高。每m售价仅为进口橡胶软管价格的1/3。曝气软管是由一种具有优良弹性和耐久性的特种橡胶材料的软管做成的输氧气垫，软管壁上均匀分布微细小孔．氧气经过小孔可以产生小于2mm的微气泡，扩大了气(氧气)、液(可溶性有机物)、固(活性污泥微生物)相接触面积，气、液、固传质效率高，提高了氧的利用率，缩短了反应时间。输氧气垫由不锈钢架支撑，安装在河湖的底部，试

验结果表明，在lm水深中用此法通氧，氧的利用率达16％ ，在5m水深中用此法通氧，氧的利用率达80％。橡胶软管上的小孔能自行关闭，相当于单向阀，不会使水倒流进软管且开停车方便。曝气供氧压力O.2～0.4MPa，采用较高的供氧压力可以保证整个输氧气垫的供气软管氧气分布均匀，输氧气垫的安装水平度因此也要求不高，利用较高的氧压，可使水体形成混配均匀的气、液、固三相，保证了反应的快速进行，另外橡胶软管上的小孔能随压力的变化改变开度．氧气流量、压力控制范围宽，操作弹性大。

4 微气泡纯氧曝气河湖复氧工艺

纯氧曝气河湖复氧有固定式充氧站和移动式充氧平台，固定式充氧站的优点是充氧量的建设成本及运行成本较低，缺点是对排放时间、地点与排放水质不确定的污染源的反应能力弱，适合于有固定污染源的河湖。移动式充氧平台主要用曝气船。充氧量的建设成本及运行成本较高，可以对河道、湖泊局部的突发性污染在短时间内进行干预。水体曝气复氧工程充氧量计算于设备选型．微气泡纯氧曝气河湖复氧为固定式复氧，在处理水面旁安装制氧设备，在所治理的河床或湖底段铺设输氧气垫。微气泡纯氧曝气河湖复氧流程如图1。

空气经鼓风机，进入吸附塔1吸附氮气．含90％～95％的氧气由吸附塔1进入氧气缓冲罐．氧气再经氧压机加压后输入在河道或湖底铺设的输氧气垫进行曝气充氧。当吸附塔1吸附饱和后，自动切换到吸附塔2进行吸附操作．此时吸附塔1解吸。使用PSA时常压解吸：使用VPSA时用真空泵抽气解吸。

5 微气泡纯氧曝气河湖复氧方式

用输氧气垫的微气泡纯氧曝气河湖复氧一般为固定式复氧，复氧段水深度最好大于5m，可以保证充氧时氧的利用率大于80％。对于小型河湖，因充氧量少，可用移动式制氧机，输氧气垫也可以随制氧机搬动，河湖分段充氧。初步考虑复氧方式主要有以下几种：

(1)河湖旁路充氧。对于浅河，可以分段引出流形成旁路，在旁路中建曝气池，池旁安装制氧机，进行旁路曝气充氧；

(2)橡胶坝分段积水充氧。河水总是由高向低流，对于浅河也可以用橡胶坝分段截流蓄水，使水面能达到一定的深度，形成滞留塘。在深水区铺设曝气软管，河岸安装制氧机。同时也可以利用橡胶坝进行跌水曝气。在湖之间的狭长连接段也可以这样做，但要设法让水体流动；

(3)河段深坑充氧。在已固化的河床设若干个固化的深坑(或称为深池)，坑内铺设曝气软管，河岸安装制氧机。进行坑内曝气充氧；

(4)污水处理厂排水要在排水口充氧后排放；

(5)电厂冷却水排水要在排水口充氧后排放；

(6)向溶氧低处充氧。

河湖纯氧曝气复氧的方式不限于以上几种．可以在实施过程中进一步探讨。当无法为曝气软管提供曝气深池时，也可以考虑使用射流曝气等其他高效曝气器。河湖污染的治理是一项庞大的系统工程．需要有强制性的法规严格管理每个排污口；要让河湖水成为流动的水；要形成有利于自然充氧和生物生存的河道或岸堤：种植多种多样的水生生物净化水体；放养食藻鱼等等。纯氧曝气复氧的方法是一种重要的措施．特别是在治理严重污染的河湖十分有效，可以收到立竿见影的效果。

来源：《水科学与工程技术》