幾種增氧方式對黑臭河湖的治理效果對比

唐榮，裴毅，姚幫松，李旭，肖瑩

（湖南農業大學工學院，長沙410128）

幾種增氧方式對黑臭河湖的治理效果對比

唐榮，裴毅，姚幫松，李旭，肖瑩

（湖南農業大學工學院，長沙410128）

為了解如何更好地治理黑臭河湖，本研究在對比了市面上的幾種增氧機械特點后，設置多組對比試驗，從水體含氧量的測定和水溫的測定出發進行試驗，以期對比曝氣微孔增氧與機械增氧的區別。用多種不同的增氧方式對同一池塘進行測定（9—10月），獲得池塘表層與底層的溶氧量、水溫差等指標數據。結果表明，曝氣微孔增氧技術具有更高的性價比，對于水中的溶氧量增加更有效果，同時對于時段性溫差明顯地區水層表層與底層的溫差調節作用明顯，有更強的降溫效果。

微孔增氧；水溫；溶氧量

0　引言

近些年來，隨著中國經濟的高速發展，環境污染現象屢見不鮮，而現今城市河湖的污染現象尤為嚴重，黑臭河湖已然成為普遍問題［1-3］。竭力改善城市河湖水生態環境和水生物生長環境，已成為環境治理亟待解決的重大問題之一。經濟發展和環境狀況呈現著作用與反作用的關系，經濟增長速度過快常會帶來對環境的不良影響，而黑臭河湖的現在對于都市人群的生活也會帶來不利因素，治理的措施必不可少，且需在最短時間內就要開始控制和實施。河湖發生黑臭現象的一個重要原因就是水體中含氧量不足，導致水生物無法正常生長，同時污染物也下沉堆積。錢嫦萍等［4］指出，可從生物修復的角度出發對城市河湖黑臭現象進行治理，如添加微生物制劑來提高水體的自凈能力。同時，也指出建立人工生態模擬系統，通過復氧技術的運用來增加水體中的含氧量。2種形式都是通過加速水體中污染物的降解來達到治理目的；陳洪波等［5］提到一種水中霧化加氧的方式，能提高水中氧含量飽和值，降低氧分子從水中逸出速率，對水體凈化和漁業養殖具有較好的應用前景；蔣宏斌等［6］指出，微孔曝氣因其氣泡的體積較小，同時聚集密度大，在水中存留時間更長，具有極高的氧的傳質效率；于玉彬等［7］通過曝氣增氧的技術與方式可以有效增加水體溶氧量，就目前而言，水體曝氣增氧技術，主要有人工曝氣復氧（如曝氣微孔增氧）、大氣復氧和水生生物通過光合作用傳輸部分氧氣等3種途徑。曝氣微孔增氧技術在實際運用中被采用較多，如英國的泰晤士河河口的治理，就結合了微孔增氧技術和臭氧曝氣，為惡臭河道增氧的同時凈化了河道。

前人研究更多的關注于水中的含氧量、增氧機械產生的氣泡特征與水中污染物的情況，鮮少將水溫作為一個參考值來評定增氧機械的效果。在實際運用中，水溫是黑臭水體中微生物的生存至關重要的一個條件，合適的水溫能增加水中起凈化作用的酶的活性，因此可以促進水體的自凈，協助解決城市河湖黑臭現象。本研究介紹了幾種增氧設備，并利用2種不同增氧方式進行對比試驗，在驗證前人試驗結果的同時加入對水體溫度的測定，更好地幫助解決夏季高溫下水體中溫層的交換問題，旨在從提高水中溶氧量、降低水溫差的方向出發，為治理城市黑臭河道提出一種解決方案。

1　機械增氧與曝氣微孔增氧特性介紹

1.1幾種主要增氧機械［8-11］（見表1）

1.1.1葉輪式增氧機具有增氧、攪水、曝氣等綜合作用，是目前采用最多的增氧機，年產約15～20萬臺，其

增氧能力、動力效率均優于其他機型，但是運轉噪聲較大，一般用于水深1 m以上大面積的池塘養殖。

1.1.2水車式增氧機具有良好的增氧及促進水體流動效果，適用于淤泥較深的池塘。

1.1.3射流式增氧機其增氧動力效率超過水車式、充氣式、噴水式等形式的增氧機，結構簡單，能形成水流，攪拌水體。射流式增氧機能使水體平緩地增氧，不損傷魚體，適合魚苗池增氧使用。

1.1.4噴水式增氧機具有良好的增氧功能，可在短時間內迅速提高表層水體的溶氧量，同時還有藝術觀賞效果，適用于園林或旅游區養魚池使用。

1.1.5增氧泵因其輕便、易操作及單一的增氧功能，故一般適合水深在1 m以下，面積在0.067 hm2以下的魚苗培育池或溫室養殖池中使用（移動適用于運輸海鮮）。

表1　幾種增氧設備優劣勢對比表［12］

1.2曝氣微孔增氧技術

曝氣微孔增氧技術，作為一種新型的增氧技術，正逐年的推廣于池塘養殖之中［13］。在其運作工程中，運用了先進的納米技術，將納米管安置在接近池塘底部的位置，再利用空氣壓縮機，將空氣壓縮到納米管里，從而輸送空氣至池塘的底部，達到立體增氧的目的。市面上常見的增氧機械多為表面增氧，對比曝氣微孔增氧技術而言，無論是增氧效果和對池塘水體底部的生態環境的改善作用都較為低下，耗能卻更高，增氧層次較不清晰，增氧面積較不均勻。同時，由于大型增氧機械大多通過高速攪拌水體等方式擴大水體與空氣接觸面來達到增氧效果的，在運作時，噪音較大，對水體中的生物的生長生活影響較大，而曝氣增氧技術是一種靜態的增氧技術，運作時，對水生物的生長生活影響較小，同時更加貼近生態的環境也能提高水體中魚類等生物的生長密度提高，生長周期降低，水體環境的改善與水生物的生長呈良性循環，相互促進的趨勢。本試驗中使用該技術作為試驗組，機械增氧方式作為對比組。

2　材料與方法

2.1試驗時間、地點

研究田間試驗于2015年9月在圭塘河進行。

2.2試驗材料

水源取自圭塘河。圭塘河是瀏陽河的支流，起于長沙縣跳馬鄉，由南至北分別貫穿雨花區洞井鎮、雨花亭辦事處和黎托鄉，黎托花橋村匯入瀏陽河，干流全長32.2 km［14］。近年來，因生態環境破壞，植被減少，庫、塘萎縮，水土流失、淤積等，使全流域水源含蓄和調控能力下降，圭塘河呈現了明顯的季節性豐、平、枯變化，水環境的日益惡化導致某些河段內已無水資源可言。

2.3試驗方法

2.3.1試驗設計將儀器在指定地點安裝完畢后進行試驗（微孔曝氣增氧機安裝于岸邊），開機前于A1、A2、A3進行取樣，取得值記為增氧前水體溫度值和含氧值。每點取樣3桶，測溫2次：表層1次，底層1次，進行初始水溫與初始DO的測定。開機后30 min，于B1、B2、B3進行取樣，取得值記為增氧后水體溫度值和含氧值。每點取樣3桶，測溫2次：表層1次，底層1次。開機后2 h，于B1、B2、B3進行取樣，取樣方式與取樣量同上。取樣點分布見圖1。共設2組試驗，水車式增氧機為對照組，微孔曝氣增氧機為試驗組，每臺機器取樣9次，2臺機器共取54桶試驗水進行DO的測定并記錄。

圖1　取樣點分布圖

2.3.2試驗儀器增氧設備采用江陰產微孔曝氣增氧機、臺州產水車式增氧機；DO及溫度測定采用SG9溶解氧測定儀。

2.3.3統計分析采用SPSS、Excel軟件進行數據處理與分析。

3　結果與分析

3.1機械增氧與微孔增氧效果對比

微孔增氧技術的增氧量要遠高于常規機械增氧的增氧量。水體原含氧量僅為1.85 mg/L。在水溫為28℃左右時開機測量30 min得到數據。機械增氧后水體含氧量為4.38 mg/L。而同條件下微孔增氧方式讓水體含氧量達到5.29 mg/L。當前水溫水質下水體含氧量飽和值為7.65 mg/L（見圖2）。

3.2曝氣微孔增氧技術對水溫的調節能力

機械增氧開機30 min后，表層水溫小幅下降，降約0.2℃，底層水溫未見明顯下降。微孔曝氣增氧開機30 min后，表層水溫降約2.9℃，底層降約0.9℃。機械增氧開機2 h后，表層溫度再下降約0.8℃，底層再下降約0.9℃。微孔曝氣增氧開機2 h后，表層水溫未見明顯下降，底層再下降約0.3℃（見表2）。

圖2　機械增氧與微孔增氧效果對比圖

表2　機械增氧與微孔增氧降溫能力對比表℃

4　結論與討論

綜上所述，本研究為水體增氧裝置的設計與應用探索了新的設計方法和新的增氧技術，對污水處理、水產養殖和植物增氧灌溉等領域具有重要的參考和應用價值［7］。

4.1試驗基本結論

（1）就增氧效果而言，同樣28℃氣溫條件下，于同河段，在開機30 min后，機械增氧后水體的含氧量上升了2.53 mg/L，而微孔增氧的方式下水體含氧量上升了3.44 mg/L，水體原含氧量僅為1.85 mg/L，經過增氧過程后含氧量顯著增加，而微孔曝氣增氧技術增氧效率更高。

（2）就降溫能力而言，較水體原水溫，開機2 h后機械增氧表層降水溫約1℃，底層降水溫約0.2℃，而微孔曝氣增氧令表層水溫下降約2.9℃，令底層水溫降約1.2℃，降溫效果更加明顯。證明曝氣微孔增氧技術在提高水體上下交換的能力和減少上下溫差的過程中有顯著作用。微孔增氧方式對于水溫的降溫能力要遠遠高于普通的機械增氧方式，高溫會加劇河道內造成惡臭的腐敗現象，在夏季高溫時節，運用微孔增氧能更好地調節河水表層與中層的溫差，并能有效降低底層水溫［15］。與此同時，由于微孔增氧方式產生的氣泡更小，水體溶氧量更高。更豐富的含氧量會為水體中起凈化作用的酶增活，從而推動水體的自凈化進程。

4.2微孔曝氣技術的技術優勢——結合臭氧為介質效用更佳

微孔曝氣技術下所產生的氣泡更小，總比表面積的優勢擴大了與水體的接觸面，同時，更小的氣泡體積降低了其浮力，上浮的速度更慢，也增加了氣泡的停留的時間即與水體的接作用時間［16］。更加有效地提高了水體中氧氣的傳遞效率與水體中溶解氧含量。而這一優勢對污染物的降低起了決定性的作用。前人文獻曾報道“如若在微孔曝氣增氧機運作時利用臭氧作為介質，同樣的增氧方式下，臭氧對污染物的去除效用比空氣更高，臭氧微孔曝氣技術在實際組合運用中效果更好”［17］。

4.3微孔曝氣技術的應用優勢——性價比高且市場廣闊

該技術操作簡單，運行時占地面積小、成本低且性價比高、同樣的投入可以處理更加龐大的水量且對水生物的生活影響小，亦不會造成二次污染，故這是在治理城市惡臭河道與湖泊中常常采用的方式［18］。平原地區城市內的黑臭河道治理常運用內河調水的方式進行增氧，即利用水閘水泵等機械裝置，從含氧量更高的的河道調水融入黑臭河道中進行增氧，將此種方式與曝氣的方式進行對比增氧，在含氧量的提高效率、成本等方面進行對比。無論是對溶解氧的達標值上來看，還是消耗的成本來說，曝氣增氧的性價比是遠遠要高于調水增氧的。曝氣增氧的能耗更低、成本更低、效果更為顯著。與其他治理方法如清淤、截污和生態清理等措施同時施用，對于城市內黑臭河道的改善乃至重污染的治理都將有明顯作用［19］。

4.4存在的問題

在研究人工曝氣復氧技術對于黑臭河湖的治理效果的試驗中，仍存在以下問題：

（1）本試驗對于河道污水的水量、水質以及河流流速未進行統計，而流速也影響底層淤泥的耗氧量，是試驗中的一個重要影響因素。

（2）試驗的時間周期較短，未反映該河段的季節性特點，應該適量增加試驗的時間周期來反映不同的節氣、季節及特殊天氣狀況下不同增氧技術的增氧效果對比。

（3）對于該技術對池塘養殖環境的修復效果，以及強化養殖；水體的自凈能力的應用研究較少。如何減少該技術應用時的排水量和用水量的問題仍待研究。

（4）對于該項技術配套的進氣量的指標控制技術發展仍待完善［20］。

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Comparison of Several Aeration Methods on Management of Odor Rivers and Lakes

Tang Rong，Pei Yi，Yao Bangsong，Li Xu，Xiao Ying
（College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，Hunan，China）

In order to make a better management of odor rivers and lakes，after comparing several aeration equipment，the authors set multiple sets of comparative experiment to determine the type of pollutants and water temperature from different layers，so as to compare micro-pore aeration and mechanical aeration.Using a variety of different aeration methods in the same pond（September to October），we determined the amount of dissolved oxygen，temperature difference of surface and the bottom of the pond，etc.The results showed that：the micro-pore aeration method had a better cost performance，and was more effective for increasing the amount of dissolved oxygen in the water，at the same time，in some areas，the range of temperature changed with different periods of time，the effect of adjusting the temperature difference from water surface to the bottom was obvious，and had better cooling effect.

Micro-pore Aeration；Water Temperature；Amount of Dissolved Oxygen

X522

A論文編號：cjas16070001

國家自然科學基金“增氧灌溉條件下作物水肥高效利用機理的研究”（31272248）；國家國際科技合作項目“東江湖外源污染阻控關鍵技術的研究”（2013DFG91190）。

唐榮，女，1993年出生，湖南長沙人，在讀碩士，主要從事流體工程及排灌設備研究。通信地址：410128湖南省長沙市芙蓉區湖南農業大學工學院，E-mail：307637758@qq.com。

裴毅，男，1960年出生，湖北棗陽人，教授，本科，主要從事流體工程及灌排設備研究。通信地址：410128湖南省長沙市芙蓉區湖南農業大學工學院，E-mail：peiyi@hunau.net。

2016-07-01，

2016-09-20。