淺水湖泊防控黑臭水體復氧技術

劉海洪 李先寧 宋海亮

(東南大學能源環境學院，南京 210096)

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淺水湖泊防控黑臭水體復氧技術

劉海洪 李先寧 宋海亮

(東南大學能源環境學院，南京 210096)

試驗研究了復氧技術防控淺水湖泊黑臭水體發生的機理和復氧設備.研究發現，當太湖水在藻濃度1.0×108～5.0 ×108cells/L，水溫約28 ℃時，靜止過程中水中的CODMn、二甲基三硫醚濃度持續升高，6 d后發生明顯的類湖泛的水體黑臭現象，表明采用人工復氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可防控藻源性局部黑臭水體發生.研發出3種升流循環復氧裝置，結果顯示，Ⅲ型裝置充氧及能量利用率性能最佳.中試試驗顯示，Ⅲ型中試溶解氧升高及擴散趨勢與fluent模型相符，80 h時溶解氧平均值為3.65 mg/ L，溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h)；升流循環復氧機在模擬黑臭水體應急處置時, 48 h時影響半徑可達到50 m.初步證明升流循環復氧裝置可作為應急充氧設備, 用于類似太湖的淺水湖泊黑臭水體的治理領域.

復氧裝置；淺水湖泊；黑水團；富營養化；太湖

富營養化湖泊局部黑臭水體現象又常稱“黑水團”、“湖泛”[1],暴發時大量藻類、藻類殘體與富含污染物的底泥,在厭氧條件下快速發酵分解,產生惡臭物質[2],在風向、溫度等氣象條件及水流、水深等水文條件的綜合作用下,在局部區域形成呈團狀并不斷流動擴散的黑臭水體[3].

“黑水團”現象頻繁發生于太湖、巢湖等富營養化淺水湖泊.嚴重威脅湖泊生態和飲用水安全.盡快恢復湖泊正常的溶解氧水平,是生態系統得以重建的基礎.目前主要依賴自然恢復,自然復氧速率難以在短期內實現該目標時,人工復氧是重要的應急處理手段.目前應用于國內外湖庫增氧技術中固定式人工曝氣裝置均存在各自局限.其中同溫層曝氣[4-5]、空氣管充氧曝氣[6]等存在循環范圍小的局限;曝氣揚水筒氧利用率低且僅可用深度大于6 m的湖泊[7-8],表面曝氣機在湖面安裝困難且安裝纜繩將阻擋航道[9];射流曝氣器吸氣量小,服務面積小,氧利用率較低[10],難以實現大型化.

本文通過室內模擬試驗研究復氧技術控制淺水湖泊湖泛的機理及控制參數,并設計適用于淺水湖泊復氧的新型升流循環復氧裝置(UFCR),結合室內/室外試驗和計算流體動力學模型研究表明,UFCR裝置適合于淺水湖泊湖泛發生時的應急控制.

1 試驗

1.1 室內靜態模擬試驗

室內靜態模擬試驗裝置由0.25 m(直徑)×1.5 m(高)透明有機玻璃材料制成,分水層和泥層,水層高為1.35 m,泥層高為0.15 m,外側開有5個監測取水樣口.試驗過程中使用的試驗材料(藍藻、湖水、底泥等)均采自太湖藻源性局部黑臭水體易發、高發區.

將多組試驗裝置并排放置于室內,鑒于太湖藻源性局部黑臭水體常發生在夏季氣溫較高時期,平均水溫約28℃,藻密度為1.0×108～5.0×108cells/L,因此控制室內溫度為(30±2)℃,并對模擬試驗水柱作蔽光處理,阻止藍藻的光合作用,促進藍藻消亡.各組初始藻濃度、湖水、底泥均相同,區別僅在于曝氣強度的不同.人工復氧裝置采用電磁式空氣泵和砂芯曝氣頭曝氣.

1) 早期階段組(Ⅰ組) 當水體逐漸因藻腐敗溶解氧濃度降低至2.0 mg/L時,通過控制人工復氧氣量,使水體溶解氧穩定在2.0 mg/L.

2) 漸進階段組(Ⅱ組) 當水體逐漸因藻腐敗溶解氧濃度降低至1.0 mg/L時,通過控制人工復氧氣量,使水體溶解氧穩定在1.0 mg/L.

3) 發生階段組(Ⅲ組) 當水體逐漸因藻腐敗而溶解氧濃度低至0時(ORP為-100 mV),通過控制人工復氧氣量,使水體溶解氧穩定在1.0 mg/L.

4) 深度發展階段組(Ⅳ組) 當水體逐漸因藻腐敗而溶解氧濃度降低0時(ORP為-350 mV),通過控制人工復氧氣量,使水體溶解氧穩定在1.0 mg/L.

5) 對照組(Ⅴ組) 不做曝氣處理.

1.2 升流循環復氧裝置研發及優化試驗

研發出3種型式的復氧器,其氣彈提升結構相同,但曝氣區設計各有特點.均具有一氣兩用、曝氣提水的雙重效能,Ⅲ型是對前2種型式結構的進一步優化,詳細情況見文獻[11].

1.3 Ⅲ型裝置fluent模型

為預測Ⅲ型裝置水力特征及充氧傳播性能,采用fluent軟件平臺,建立二維非穩態模型,研究淺水型升流循環接觸復氧裝置對局部黑臭水體復氧效果的實際效果.模擬采用了氣液雙流體模型、標準二維K-ε湍流模型、分離式(segregated)求解器隱式法(implicit)線性化離散格式,求解動量方程、湍流方程、輸運方程、能量方程,模擬速度場、溶解氧分布.

在二維非穩態模型中設置二維水池為寬100 m、水深1.8 m,曝氣裝置位于水池正中.

1) 進口參數.進口面為曝氣裝置頂端面,寬度300 mm,水流速度1 m/s.裝置的空氣充氣量為11 m3/h,扣除空氣所占體積流量,修正后的出口面流速為0.957 m/s.進口面水溫為293 K,氧氣組分質量濃度為6 mg/L,其余為水.

2) 出口參數.定義曝氣裝置底部側面為自由出流.

3) 水體表面、池底及側面定義為Wall邊界.

4) 擴散系數.在293 K溫度下,氧氣在水中的分子擴散系數為2.1×10-9m2/s[12].

5) 耗氧反應速率.定義耗氧反應為零級反應,反應速率常數k=-0.2 mg/(L·h)=-3.086 4×10-12mol/(m3·s),根據阿倫烏尼斯公式,對于零級反應,活化能參數為0,指前因子A=-k=3.086 4×10-12.

1.4 中試

中試現場為太湖邊某撈藻站第3號撈藻池(100 m×50 m×1.8 m),中試裝置為Ⅲ型多面空心球型裝置,中心筒直徑φ300 mm,設計曝氣量為20 m3/h,采用沉藻水配制的模擬太湖黑臭水體進行充氧研究.試驗裝置及試驗現場如圖1所示.各組試驗模擬黑臭水體采用等量腐化沉藻水和太湖湖水配置.

試驗裝置置于試驗水池中間,由裝置底部鋼制墜塊半固定于池底,采用氣泵作為氣源,氣體流量為20 m3/h.于場地中設置棧橋,并將棧橋修至池中心.取樣點從池中心沿棧橋每15 m設一個點,共設4個點,定義為1號測點～4號測點,分別距池中心半徑0,15,30,45 m,每個測點設4個溶解氧取樣位置,分別距水面深度為0.2,0.7,1.2,1.7 m;在1號測點～4號測點水面下，采用采樣瓶采集1.0 m處水樣.試驗期間氣溫在12～20℃;水溫在15～20℃.

(a) 試驗裝置

(b) 點位布置圖(單位：m)

2 測定方法

靜態試驗中檢測的致臭物質為二甲基三硫醚(DMTS),其檢測分析采用吹掃捕集-氣相質譜聯用法.

表1 測定項目及其測定方法

3 試驗結果及分析

3.1 靜態試驗結果

試驗初期,懸浮在水中的藍藻迅速聚集到水體表面,厚度為1.0 cm,顏色為鮮綠色,呈稠密油漆狀.隨著時間推移,堆積藍藻消亡,表層藍藻開始泛黃,并不斷加劇,伴隨有惡臭氣體產生,藻層呈腐爛狀,藍藻開始不能完整覆蓋整個水面,最終全部消亡沉入水底.試驗過程中有大小不一的氣泡,從水體底部上浮至水面.在靜態試驗進行至第6 d時,對照組試驗水柱水體有明顯泛黑跡象并隨時間延長，水體發黑加劇;其他Ⅰ組～Ⅳ組模擬水柱從試驗開始至試驗結束都沒有出現發黑跡象,說明適時地人工復氧有效阻止水體發黑變臭的發生.

試驗結果如圖2所示.試驗結果顯示:

1) 太湖水在藻濃度為1.0×108～5.0×108cells/L,水溫約28℃時,靜止過程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫密度持續升高, 6 d后發生明顯的類湖泛的水體黑臭現象.

2) 采用人工復氧維持1.0 mg/L以上的溶解氧水平,可阻止水體發黑發臭,并將已發生黑臭的水體恢復正常外觀.

(a) DO

(b) CODMn

(c) DMTS曲線圖

3) 人工復氧將已厭氧還原的鐵錳再次氧化為高價態,高價態的鐵錳不再形成黑色的硫化物,從而抑制了水體發黑;同時氧氣氧化硫化物,包括硫化氫、硫醇、硫醚等發臭物質,進而抑制了水體黑臭的出現.

4) 人工復氧維持水體溶解氧1.0 mg/L可抑制水中二甲基三硫醚的產生,復氧還可將已經產生的二甲基三硫醚降解.

5) 采用人工復氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可預防藻源性局部黑臭水體的發生.

6) 對于已發生藻源性局部黑臭的水體可采用人工復氧,控制溶解氧濃度為1.0 mg/L，即可有效促進水中黑臭物質的去除,恢復水體功能.

3.2 模型結果

從圖3的模型模擬結果顯示,升流復氧裝置的流場分布是以升流復氧裝置的出水口為起點,在水面呈傘狀擴散,在遠離出水口表層下行,并回流至復氧裝置的下方入水口,流速場以裝置軸線對稱，呈上、下層環流,并形成穩態.

但由于氧擴散過程中會發生化學反應,氧隨之消耗,氧濃度下降,開始時有氧區僅在復氧裝置出水口附近,但隨著充氧時間的延長,有氧圈逐步擴大,有氧圈內的氧濃度也逐步提高,最終氧擴散達到穩定狀態,試驗進行72 h后距裝置出水口半徑10 m處的溶解氧與出水口的溶解氧濃度相同，為6 mg/L,半徑從10 m至最大50 m時溶解氧濃度逐步下降,在半徑50 m處溶解氧為2.75 mg/L,至半徑71 m處,溶解氧濃度下降至1.0 mg/L,溶解氧影響半徑為83 m.根據溶解氧提升至1.0 mg/L應急處置黑臭水體的復氧要求,中試復氧裝置的理論影響半徑為71 m.

圖3 72 h復氧裝置周邊氧氣濃度穩態分布圖

3.3 中試試驗結果

3.3.1 試驗中水體溶解氧變化規律

試驗中水體溶解氧變化如圖4所示.由圖可知,升流循環復氧機水體充氧有如下特征:

(a) 不同深度平均溶氧曲線

(b) 不同點位平均溶氧曲線

1) 溶解氧升高趨勢從中心點向四周擴散,與模型相同.由圖4(b)可見，表層到水下的溶解氧1號測點高于其他測點的溶解氧,與模型揭示的溶氧分布相同,呈現高低扇形梯度分布,顯示出溶解氧由中心向四周的擴散趨勢,其原因是由于升流循環復氧機的充氧是通過設備中心點微孔曝氣產生的貧氧空氣,推動充氧水由設備中心向四周擴散,從而帶動溶解氧由中心向四周的梯度分布.

2) 近池底溶解氧升高困難.由圖4(b)可見,除1號測點水下1.7 m處溶解氧升高小于0.12 m/L外,其余測點均無明顯增加的趨勢,說明該水深的升流循環復氧機的溶氧提升難以達到該水深.其原因主要是因為1.7 m水深接近底層,受水底高污染物濃度的影響,耗氧速率較高;同時近池底水體湍流擴散受到抑制,由上層水體傳遞來的溶解氧速度變慢,且被迅速消耗,難以體現水體溶解氧的升高.

3) 溶解氧擴散范圍與模型基本相符.試驗進行80 h時溶解氧平均值為3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h);溶氧升高幅度與fluent模型模擬基本相符.

由圖4可見,試驗進行40 h時水體各處平均溶解氧濃度為1.03 mg/L,但各點溶解氧均未升至大于1.0 mg/L,試驗進行48 h時,4號測點溶解氧平均值升至1.15 mg/L,說明升流循環復氧器在模擬黑臭水體應急處置48 h時影響半徑可以達到50 m.

3.3.2 試驗中化學耗氧量及氨氮變化規律

(a) CODCr

(b) NH+4各測點變化圖

4 結論

1) 太湖水在藻濃度1.0×108～5.0×108cells/L,水溫約28 ℃時,靜止過程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫濃度持續升高, 6 d后發生明顯的類湖泛的水體黑臭現象.

2) 采用人工復氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可預防藻源性局部黑臭水體發生.

3) 研發出3種升流循環復氧器,中試試驗顯示Ⅲ型中試設備溶解氧升高及擴散趨勢與fluent模型相符,試驗進行80 h時溶解氧平均值為3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h);在模擬黑臭水體應急處置時48 h，影響半徑可以達到50 m.

4) 升流循環復氧器提供的氧，其中84.09%被細菌用于降解CODCr、氨氮等耗氧物質,15.91%用于提升水中溶解氧濃度.初步證明本文研制的升流循環復氧器可作為應急充氧設備，用于類似太湖的淺水湖泊黑臭水體的治理.

References)

[1]Lu G H, Qian M, Zhang J H. Analysis of black water aggregation in Taihu Lake [J].WaterScienceandEngineering,2011, 4(4): 374-385.

[2]Duan H, Ma R, Xu X,et al. Two-decade reconstruction of algal blooms in China’s Lake Taihu[J].EnvironmentalScienceandTechnology, 2009, 43(10): 3522-3528.

[3]Lanciotti E, Santini C, Lupi E,et al. Actinomycetes, cyanobacteria and algae causing tastes and odours in water of the River Arno used for the water supply of florence[J].JournalofWaterSupplyResearchandTechnology:Aqua, 2003,52(7): 489-500.

[4]Beutel M W. Inhibition of ammonia release from anoxic profundal sediments in lake using hypolimnetic oxygenation[J].EcologicalEngineering, 2006,28(3):271-279.

[5]Schierholz E L, Gulliver J S, Wilhelms S C, et al. Gas transfer from air diffusers[J].WaterResearch, 2006, 40(5): 1018-1026.

[6]Simmons J. Algal control and destratification at Hanning-field Reservoir[J].WaterScienceandTechnology,1998,37(2):309-316.

[7]Cong H B, Huang T L, Chai B B, et al. A new mixing—oxygenating technology for water quality improvement of urban water source and its implication in a reservoir[J].RenewableEnergy, 2009,34(9):2054-2060.

[8]Chai B B, Huang T L, Zhu W H, et al. A new method of inhibiting pollutant release from source water reservoir sediment by adding chemical stabilization agents combined withwater-lifting aerator[J].JournalofEnvironmentalofScience, 2011, 23(12):1977-1982.

[9]Ye L, Ni B J, Law Y, et al. A novel methodology to quantify nitrous oxide emissions from full-scale wastewater treatment systems with surface aerators[J].WaterResearch, 2014, 48:257-268.

[10]Xu Yimin, Wang Wei, Yong Hongxuan, et al. Investigation on the cavity backwater of the jet flow from the chute aerators[J].ProcediaEngineering, 2012,31:51-56.

[11]劉海洪,李先寧,蔡杰.淺水湖泊升流循環復氧裝置的研制與性能[J].化工學報，2014, 65(2):718-723. Liu Haihong, Li Xianning, Cai Jie. Development and performance of flowing-cycle reoxygenation devices for shallow lake[J].CIESCJournal,2014, 65(2):718-723.(in Chinese)

[12]Lide D R. CRC handbook of chemistry and physics[M]. 70th ed. Boca Raton,FL,USA: CRC Press, 1990:51-56.

[13]國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法 [M]. 4版.北京:中國環境科學出版社,2002:210-284.

Re-oxygenation technology for prevention and control of black water in shallow lakes

Liu Haihong Li Xianning Song Hailiang

(School of Energy Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The mechanism of re-oxygenation technology to control black water aggregation (BWA) in a shallow lake was explored. Static experiments show that under a temperature of 28 ℃ and the blue algae density of 1.0×108to 5.0 ×108cells/L, the concentration of CODMn, dimethyl trisulfide( DMTS )in Taihu Lake continually rises,and finally becomes black and putrid after 6 d. It shows that artificial aeration to maintain dissolved oxygen (DO) content exceeding 1.0 mg/L in water can prevent and control the occurrence of black and putrid water.Three types of up-flowing cycle re-oxygenation (UFCR) devices for shallow lake oxygenation are developed, and type Ⅲ is optimal. The simulated black water pilot test shows that the diffusion trend of the DO for the type Ⅲ device is consistent with the corresponding fluent software model. After 80 h ,the concentration of DO is 3.65 mg/L ,and the average rising rate is 0.045 4 mg/(L·h). The influence radius of type Ⅲ device can reach 50 m after 48 h when the UFCR is used to treat black and putrid water. This device can be used to prevent and control the emergence of black and putrid water in shallow lakes.

re-oxygenation device; shallow lakes; black water group; eutrophication; Taihu Lake

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.020

2014-09-10. 作者簡介: 劉海洪(1974—)，男，博士生，講師；李先寧(聯系人)，男，博士，教授，博士生導師，lxn@seu.edu.cn.

國家水專項太湖項目資助項目(2009ZX07101-011).

劉海洪,李先寧,宋海亮.淺水湖泊防控黑臭水體復氧技術[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):526-530.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.020

X703.1

A

1001-0505(2015)03-0526-05