關于確定河湖充氧工程合理性的若干分析

劉 亮 李康宇 羅 希 李逸之

（1中工武大設計研究有限公司 湖北武漢 430000 2武漢生物工程學院 湖北武漢 430000）

引言

當前，自然水體的污染問題較嚴重，而自然水體生態修復與新時代國家的生態文明建設密不可分[1,2]。黨的十九大以來，全國范圍內掀起了新時期建設生態中國的浪潮，其中河湖的水污染治理、生態修復儼然成為主要任務之一。

河湖水質凈化的工程措施往往通過引清稀釋、曝氣充氧、生態法以及其他新技術，引清稀釋[3]是指通過引清調水降低污染物質在水體中的相對濃度，但此種方法只不過是轉移了污染物質，且調水通道的建設，水系的連通多不具備工程經濟性；生態法是利用生態學理念治理的根本統稱，簡單地說就是通過微生物、生物等的吸附轉化達到凈化水質的目的；曝氣充氧技術，即人工向水體充入一定量的氧氣，提高水體的溶解氧含量，有效改善水體的黑臭狀況[4]。

在本文中，詳細介紹了關于對河道湖泊充氧的理論依據及其適用性，分析了充氧工程的計算要點，并對河湖充氧工程合理性的確定進行了探討。文中也提出了對充氧曝氣措施實施的具體建議，為河湖水環境的治理提供一定的借鑒。

1 河湖充氧工程理論依據及其適用性探討

1.1 實施河湖充氧工程的理論依據

水體中的溶解氧水平是衡量河湖受污染程度的重要指標，溶解氧含量的高低變化過程反映了污染物在河湖中的自凈過程，河湖水體受納的污染物質越多，水體中溶解氧的消耗越快，復氧速率遠低于耗氧速率，水體中溶解氧不足而成缺氧或厭氧狀態，從而導致厭氧微生物大量繁殖，導致水質惡化[5]。基于此，如果在適當的位置實施人工充氧工程，就可以避免出現缺氧或厭氧的水體段，提高水體自凈能力。

1.2 河湖充氧效率的影響因素

在曝氣充氧的過程中，氣體分子從氣相轉移到液相，氧氣的傳遞原理普遍使用Lewis和Whitan在1923年提出的雙膜理論。一般情況下認為，氧轉移的理論模型為：

式中：

dc/dt——氧轉移速率，kgO2/(m3·h)；

KLa——氧分子總傳質系數，h-1；

cs——與界面氧分壓所對應的飽和溶解氧值，kgO2/m3；

c——液體中溶解氧濃度，kgO2/m3；

t——時間，h；

c1，c2——t1，t2時氣體在液體中的濃度，kgO2/m3；

由此可見，影響氧轉移速率的主要參數為液體中溶解氧不飽和值，為了提高充氧的速率，可從提高KLa和提高cs值兩個方面著手，例如加強紊流強度、提高氣相氧分壓等措施。

1.3 河湖缺氧的程度確定

充氧工程實施的適用性首先從水體物理性指標上進行評價，如色度，SD上進行初步判斷；其次對水質進行取樣檢測，依據水體DO指標，判斷水體缺氧程度，一般認為DO含量在低于2mg/L時，水體處于缺氧狀態，DO維持在6mg/L左右，則水體溶氧水平良好。另外，研究表明當水中DO含量在5～7mg/L時，魚蝦可以正常生長，當DO含量低于2mg/L時，一般魚類將停止活動[6]。

2 河湖充氧工程合理性的確認

2.1 充氧曝氣的位置的合理性確認

對河湖實施充氧工程，首先要確認擬充氧曝氣區域的合理性，即不能盲目的選擇曝氣機布設位置，需要綜合考慮。

充氧曝氣區域的確定首先要調查河湖所面臨的污染源，了解污染源分布特征，根據受污染程度確定。曝氣區域的確定還要根據區域本來的自然條件所確定，如水深、水流動情況等。水體的功能也要充分考慮，例如布設曝氣機是否影響航運，充氧曝氣區域是否具有景觀娛樂功能等，此外，對于一些偏僻的河湖來說，還要考慮曝氣設施的防盜問題。

2.2 充氧工程的計算要點解析

確定充氧曝氣的位置區域后，還需要清楚實施充氧工程需要布設曝氣機的數量，曝氣機布設的過多則影響到工程經濟性，造成工程資源的浪費，曝氣機布設的過少，則無法有效加快大氣復氧的速率，對河湖水質的提升無濟于事，也是一種工程資源的浪費。

2.2.1 需氧量的計算

需氧量主要取決水體流態、目前的水質狀況和所要達到的水質目標、有無明顯支流或泄洪通道。不同的水體類型要因地制宜，需采取不同的計算方法。

（1）組合式推流模型

對于流動性水體的需氧量計算，多采用組合式推流模型[7]。該模型是將水體近似地看作成多個河段的串聯組合，綜合考慮了物質耗氧和大氣復氧、水生植物的光合作用等因素而建立起來的。

（2）箱式模型

對小型水體，由于水深淺、水面較小，且外源性污染負荷有限，因此可以采用基于一級反應的箱式模型[8]。該模型只需考慮有機物分解耗氧與大氣復氧，計算公式為：

式中O——水體的需氧量，g

V——水體的體積，m3

L0——水體初始的BOD5濃度，mg/L

t——充氧時間，d

K1——BOD5生化反應速率常數，d-1

K2——水體的復氧速率常數，d-1

cm——維護水體好氧微生物生命活動的最低溶解氧濃度，一般可取2mg/L

充氧時間t根據下式確定：

式中L——水體改善后的BOD5濃度，mg/L

在計算需氧量時，如果需考慮無機物質、底泥的耗氧作用，相應的乘以一定系數。

（3）耗氧特性曲線法

在缺乏可靠的污染源資料的情況下，可利用試驗確定設計水體的耗氧特性曲線，根據設計目標和各階段耗氧量對總需氧量和各階段的需氧量進行估算。

2.2.2 充氧量的計算

河湖的需氧量并不等于人工曝氣設備的充氧量。計算河湖水體單位時間內轉移到水體的溶解氧量為:

式中R——單位時間轉移到實際水體中的溶解氧量，在此處即為需氧量；

KLa(20)——水溫為20℃時的氧總傳質系數，h-1；

cs(20)——水溫為20℃時的飽和溶解氧濃度，mg/L；

c——水體中溶解氧量，mg/L；

V——水體的容積，m3

ρ——壓力修正系數；

T——水溫，℃；

A、B——系數；

A、B值可通過污水、清水的充氧試驗進行確定。根據以往的工程經驗，R值可取計算需氧量值的1.2～2倍。

2.3 充氧曝氣形式的合理性確認

河湖充氧工程曝氣的形式主要可分為機械曝氣、鼓風曝氣、射流曝氣、水工建筑物復氧等，機械曝氣是指機械輪軸的快速轉動，使大量水體以液幕、液滴的形式拋向空中，與大氣進行氧的接觸轉移，如倒傘型曝氣機。鼓風曝氣是指通過鼓風機向水體中供應一定的風量，氣泡所攜帶的氧氣在上升的過程中與水體充分接觸轉移的形式。射流曝氣機在河湖充氧工程上的應用常常以景觀噴泉的形式。水工建筑物復氧通過過水建筑物的形狀來提高復氧能力，利用水流經過建筑物時的翻騰實現復氧，如跌水堰、汀步等[9]。

表1 各類充氧曝氣技術形式的特點

充氧曝氣形式的合理性確認有以下3種原則：

（1）河湖水質缺氧程度，確定充氧能力大小的充氧設施。

（2）依據河湖水體的功能判斷曝氣設施選擇合適性。

（3）兼顧充氧工程經濟效益與社會效益。

3 充氧曝氣措施實施的相關建議

（1）積極探索使用新能源的曝氣充氧技術，利用太陽能、風能等新能源能有效解決鄉村等偏遠河湖的水體缺氧問題。

（2）充氧工程要與其他水污染防治技術，水生態修復技術結合起來，強化水體的污染治理，有效改善河湖的生態環境。

結語

河湖充氧工程的實施不能夠簡單粗暴，要在充分了解河湖污染源特征、水體功能的基礎上，詳細分析水體的缺氧程度，選擇合理的曝氣充氧的區域，合理的曝氣形式和曝氣設施數量，同時結合其他污染控制技術，才能起到事半功倍的效果。充氧工程不能一蹴而就，設施的運行也離不開持續的水管理。只有綜合考慮這些因素，兼顧工程的經濟效益和社會效益，才能將生態的健康的河湖自然，還給美麗中國。