晝間曝氣對(duì)河流的復(fù)氧效果淺析

鐘銘晨，吳繼業(yè)，王翠翠,3，商栩,3，趙靜巖，葛利云,3*

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2.溫州市龍灣區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 溫州 325000； 3.浙南水科學(xué)研究院，浙江 溫州 325035)

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口激增，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水大量排放，一些地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量不斷退化。其中，溶解氧缺失所帶來(lái)的水體黑臭、生境退化等問(wèn)題尤為突出。溶解氧作為水環(huán)境的重要組成部分，是維系水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子，是衡量水體自凈能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。水中的溶解氧通常來(lái)源于大氣中的氧氣和水生植物光合作用所釋放出的氧，除了被水中微生物的呼吸作用消耗外，也可通過(guò)水中還原性物質(zhì)的氧化分解消耗[2]。受污染水體往往表現(xiàn)為低溶解氧的狀態(tài)，由于其自我修復(fù)能力弱，最終會(huì)造成水生生物大量死亡、水體黑臭等[3]。因此，要改善水質(zhì)、恢復(fù)水生態(tài)，首要任務(wù)就是要提高水體中的溶解氧含量。河流曝氣技術(shù)作為一種常見(jiàn)的河流污染治理手段，投資少、見(jiàn)效快，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用[4-6]，并發(fā)展出機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣、推流曝氣等技術(shù)[7]。曝氣裝置通過(guò)將氣體與水體相混合，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充，為好氧微生物創(chuàng)造了良好的活動(dòng)環(huán)境。而且，曝氣還可以減少水體底泥帶來(lái)的污染，防止水體底部厭氧環(huán)境下黑臭、毒害物質(zhì)的形成。此外，曝氣過(guò)程中通過(guò)對(duì)水體的攪動(dòng)，也可以將水中的雜質(zhì)用氣泡包裹起來(lái)，從而為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)。

目前，出于方便管理等原因考慮，采用較多的是晝間曝氣的模式。然而，水環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化[8]。太陽(yáng)輻射的晝夜變化能夠引起水體中光合作用的變化，進(jìn)而導(dǎo)致溶解氧呈現(xiàn)出典型的晝夜變化。在這些曝氣設(shè)備僅晝間啟用的模式下，其對(duì)河流水體的復(fù)氧效果如何，是否能滿足晝、夜間水體對(duì)溶解氧的真實(shí)需求，相關(guān)的研究還比較少。同時(shí)，處于“能源時(shí)代”的我們，有關(guān)能源形勢(shì)的熱點(diǎn)問(wèn)題也不得不讓我們關(guān)注到河流曝氣技術(shù)的能耗與效益平衡問(wèn)題。為此，本研究以秋、冬兩季為背景，通過(guò)設(shè)置最常用的河流晝間曝氣模式，連續(xù)多日監(jiān)測(cè)河流表、底層溶解氧含量等指標(biāo)的變化規(guī)律，旨在探究晝間曝氣對(duì)河流的復(fù)氧效果，并進(jìn)行評(píng)價(jià)，為今后選擇合理、有效、經(jīng)濟(jì)的曝氣方案提供依據(jù)[9-10]。

1 材料與方法

1.1 研究河流概況

本研究所選擇的用于開(kāi)展生態(tài)治理的河流位于溫州市甌海區(qū)仙巖街道魚(yú)潭前村，河流平均寬度約10 m，平均水深約1.8 m，總長(zhǎng)度約500 m，總體流向?yàn)樽詵|向西，并匯入溫瑞塘河主河流。河流兩岸有鄉(xiāng)鎮(zhèn)工廠20余座，村民生活污水排放問(wèn)題未得到徹底解決，河流水質(zhì)狀況較差，具備典型的城鎮(zhèn)污染河道特征。靠近河流處有較明顯的臭味，近岸較淺處可見(jiàn)底泥呈黑色，表現(xiàn)出典型的缺氧特性。

1.2 曝氣復(fù)氧裝置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在河流中建立噴泉曝氣機(jī)和微孔曝氣機(jī)2種曝氣復(fù)氧裝置，并設(shè)置曝氣時(shí)間為8：00—9：00、10：00—11：00、12：00—13：00、14：00—15：00、16：00—17：00。選取河流上游中心為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深約1 m。

1.3 樣品分析

使用YSI EXO-2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀于2019年秋、冬季選擇3個(gè)連續(xù)晴天對(duì)采樣點(diǎn)表層、底層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定，每日設(shè)置4個(gè)采樣時(shí)間，每個(gè)采樣時(shí)間之間相隔6 h，分別為6:00、12:00、18:00、0:00，獲取溫度(Temp)、溶解氧含量(DO)、pH、濁度(NTU)等參數(shù)。自然狀態(tài)與曝氣條件下采樣方法相同。此外，記錄監(jiān)測(cè)當(dāng)日氣象、日光照強(qiáng)度等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然狀態(tài)下水體溶解氧變化特點(diǎn)

連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1)顯示，秋、冬季自然條件下水體溫度和溶解氧含量的日變化呈現(xiàn)出一定的差異。在秋季，表、底層水體溶解氧量含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)相似，在晝間持續(xù)上升，其中表層上升幅度較大，在18:00達(dá)到最高值。但經(jīng)過(guò)夜間水體代謝消耗，至第二日6：00時(shí)表、底層均接近無(wú)氧。在冬季，表、底層水體溶解氧含量日變化表現(xiàn)為不同模式：表層水體溶解氧含量呈現(xiàn)與秋季相似的日變化模式，晝間持續(xù)上升，至18:00達(dá)到最高值，次日6：00達(dá)到最低值，而底層水體溶解氧含量變化不明顯。

圖1 自然條件下水體溫度和溶解氧含量變化

2.2 曝氣對(duì)河流復(fù)氧效果的影響

曝氣對(duì)河流復(fù)氧的效果可以直觀或間接地反映在水體DO變化上。分別比較秋、冬季水溫和表、底層DO的變化(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)，曝氣條件下，秋季水體表、底層DO的日變化模式相似，但晝間表層水體DO高于底層1～2 mg·L-1，至次日6：00表、底層DO均趨近于0。在冬季曝氣條件下，水體表、底層DO變化模式更加相似，且時(shí)常出現(xiàn)底層略高于表層的現(xiàn)象。

對(duì)比自然和曝氣條件下河流水體DO的日變化特征(圖3)，在秋季晝間，曝氣對(duì)河流表層水體顯示出了一定的復(fù)氧效果。與自然條件下相比，午后的水體DO得到了0.9～2.2 mg·L-1的提升。但與自然條件下相似，河流表層水體在次日6：00表現(xiàn)為缺氧。底層水體表現(xiàn)出與表層同樣的規(guī)律，即曝氣使水體DO在晝間得到了一定的上升，但在夜間仍被水體代謝消耗殆盡。

圖2 晝間曝氣模式下水體溫度和溶解氧含量變化

圖3 晝間曝氣模式對(duì)水體溶解氧含量的影響

在冬季，當(dāng)河流開(kāi)啟晝間曝氣后，表層DO提高較明顯，特別是夜間DO較自然條件下得到明顯提升。曝氣對(duì)水體底層DO的日變化規(guī)律也產(chǎn)生明顯影響，曝氣后，其變化趨勢(shì)與表層變化趨勢(shì)相近，且次日6：00水體DO較自然條件下有較大提升。

3 小結(jié)與討論

河流曝氣技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)不同污染程度河流的水體修復(fù)中，如果沒(méi)有對(duì)其使用方案進(jìn)行合理的設(shè)置，不僅難以達(dá)到水體修復(fù)的預(yù)期效果，同時(shí)其長(zhǎng)期用電也會(huì)帶來(lái)一定的能源和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。因此，對(duì)河流晝間曝氣效果開(kāi)展研究，了解水體不同水層在曝氣后的復(fù)氧狀態(tài)，可以為今后根據(jù)不同河流的實(shí)際情況制定更加優(yōu)化的曝氣方案、建立更加科學(xué)的河流環(huán)境修復(fù)技術(shù)體系提供依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示，在水-氣交換復(fù)氧、水中各類植物的光合作用，以及全體生物呼吸作用的共同作用下，自然狀態(tài)下水體表、底層溶解氧均呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化[11-13]。晝間隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，水生生物光合作用逐漸增強(qiáng)，水-氣交換復(fù)氧與水生植物產(chǎn)氧的速率大于水體中各類有機(jī)體呼吸作用消耗氧氣的速率，從而使水體中的DO提高，通常在午后(由于本研究選擇的時(shí)間點(diǎn)有限，故表現(xiàn)為18:00)達(dá)到最高值[14]。夜間，因?yàn)樗参锕夂献饔猛Ｖ梗w中的代謝耗氧過(guò)程仍在繼續(xù)，因此，水體DO逐步下降，并在次日上午8:00左右(由于本研究選擇的時(shí)間點(diǎn)有限，故表現(xiàn)為6:00)達(dá)到最低值。之后，隨著新的晝間周期的來(lái)臨光強(qiáng)增強(qiáng)而促使水體DO再次上升。

比較秋、冬季自然條件下的監(jiān)測(cè)結(jié)果，秋季水體晝間光合作用累積的氧氣在夜間幾乎被代謝消耗殆盡，尤其是在底層。這主要是因?yàn)榈讓虞^表層缺少氣體交換，并且底層水體接受陽(yáng)光輻射困難，藻類數(shù)量少，本身在白天的補(bǔ)氧能力就弱，所能達(dá)到的峰值低；而夜間由于秋季水溫適宜，水體中有機(jī)物生命活動(dòng)旺盛，無(wú)機(jī)污染物氧化反應(yīng)保持在較高水平，致使水體中的氧氣被大量消耗[15]。然而，在冬季水體DO表現(xiàn)不同。冬季水體DO受較低溫度的影響，水生生物光合作用產(chǎn)氧量降低，但耗氧能力也同樣減弱。同時(shí)，冬季DO變化還會(huì)受到自水體表層到底層溫度梯度的影響[10]。冬季空氣溫度較低，夜間表層水體水溫驟降，含氧量較高的表層水逐漸下沉，水體垂直交換加強(qiáng)，表、底層水體混合效果好，從而自上而下地對(duì)底層進(jìn)行補(bǔ)氧[8,16]。這一點(diǎn)從夜間水溫趨于一致上也可以看出來(lái)。因此，經(jīng)過(guò)一夜較弱的代謝消耗，水體表、底層均有相對(duì)秋季要高的DO，甚至底層的DO經(jīng)過(guò)一夜后反而得到了少量的提升。

在曝氣條件下，秋季表、底層DO相比自然狀態(tài)下都得到了一定的提升，但次日清晨水體DO同樣幾乎表現(xiàn)為零剩余，表明晝間曝氣所補(bǔ)給的氧氣仍然不能滿足河流水體夜間對(duì)氧的需求。因此，需要進(jìn)一步研究夜間曝氣模式是否能夠有效增加夜間補(bǔ)氧，從而滿足水體全天的溶解氧需求。在冬季，因?yàn)樗疁剌^低，水體代謝強(qiáng)度明顯下降，耗氧較少。在此基礎(chǔ)上，晝間曝氣充氧進(jìn)一步增加了水體表、底層的DO。同時(shí)，結(jié)合表、底層水體DO變化，可以推測(cè)，由于曝氣造成底層水體DO上升，表、底水體DO差異變小，因而夜間表、底層水體交換中表層因補(bǔ)充底層氧氣所損失的氧量也變少，最終使水體仍保有較高的DO。相對(duì)充足的余氧量又為后一天開(kāi)始的增-耗溶解氧循環(huán)提供了較高的起點(diǎn)，從而能夠持續(xù)滿足該河流水生生態(tài)系統(tǒng)全天的溶解氧需求。因此，在冬季期間，傳統(tǒng)的晝間曝氣模式的增氧效果已能夠滿足提高水體溶解氧水平、改善水生態(tài)的要求。本研究還發(fā)現(xiàn)，曝氣對(duì)水體的復(fù)氧效果存在一定的滯后性。當(dāng)曝氣運(yùn)行時(shí)，水體擾動(dòng)對(duì)表層水體產(chǎn)生較大影響，當(dāng)曝氣結(jié)束一段時(shí)間后，底層水體的溶氧量才得到提升，因而時(shí)常出現(xiàn)表層DO低于底層的情況，這可為曝氣復(fù)氧效果的動(dòng)態(tài)研究提供幫助。

在目前關(guān)于曝氣技術(shù)的眾多研究中，關(guān)注的大多是曝氣裝置開(kāi)啟時(shí)對(duì)于水體DO的即時(shí)改善情況。本研究結(jié)果表明，同樣強(qiáng)度、節(jié)律下的曝氣增氧效果在不同的晝夜階段和不同的季節(jié)都有著明顯差異，并與自然狀態(tài)下水體復(fù)氧的過(guò)程密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)表、底層DO日變化的監(jiān)測(cè)，可以更加準(zhǔn)確地理解科學(xué)曝氣的意義，從而不僅能夠更加有效地增氧，而且也有助于節(jié)約曝氣中的能源和用電開(kāi)支。后續(xù)，還需要針對(duì)曝氣節(jié)律的最優(yōu)設(shè)置、曝氣裝置的最佳布局等展開(kāi)深入研究，以更好地發(fā)揮曝氣這一技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)中的作用。

總的來(lái)看，本研究表明，在自然條件下，所選河流秋季晝間的天然復(fù)氧量低于夜間耗氧量，表、底層水體夜間需氧均不能得到滿足；冬季表、底層水體晝間凈產(chǎn)氧量可滿足夜間耗氧量，未出現(xiàn)極度缺氧狀態(tài)。秋季晝間曝氣復(fù)氧效果不足，夜間表、底層水體仍呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，建議改變曝氣節(jié)律，或設(shè)置夜間曝氣以改善夜間水體氧環(huán)境[4]；冬季晝間曝氣為水體溶氧帶來(lái)部分補(bǔ)充，表、底層水體均可滿足日耗氧需求，可進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用。