唐榮，裴毅，姚幫松，李旭，肖瑩

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(jī)械特點(diǎn)后，設(shè)置多組對比試驗(yàn)，從水體含氧量的測定和水溫的測定出發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)，以期對比曝氣微孔增氧與機(jī)械增氧的區(qū)別。用多種不同的增氧方式對同一池塘進(jìn)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(biāo)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，曝氣微孔增氧技術(shù)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(qū)水層表層與底層的溫差調(diào)節(jié)作用明顯，有更強(qiáng)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(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染現(xiàn)象屢見不鮮，而現(xiàn)今城市河湖的污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)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(tài)環(huán)境和水生物生長環(huán)境，已成為環(huán)境治理亟待解決的重大問題之一。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境狀況呈現(xiàn)著作用與反作用的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)增長速度過快常會帶來對環(huán)境的不良影響，而黑臭河湖的現(xiàn)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(nèi)就要開始控制和實(shí)施。河湖發(fā)生黑臭現(xiàn)象的一個重要原因就是水體中含氧量不足，導(dǎo)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(fù)的角度出發(fā)對城市河湖黑臭現(xiàn)象進(jìn)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(tài)模擬系統(tǒng)，通過復(fù)氧技術(shù)的運(yùn)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(dá)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(yè)養(yǎng)殖具有較好的應(yīng)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(zhì)效率；于玉彬等［7］通過曝氣增氧的技術(shù)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(shù)，主要有人工曝氣復(fù)氧（如曝氣微孔增氧）、大氣復(fù)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(shù)在實(shí)際運(yùn)用中被采用較多，如英國的泰晤士河河口的治理，就結(jié)合了微孔增氧技術(shù)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(guān)注于水中的含氧量、增氧機(jī)械產(chǎn)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(jī)械的效果。在實(shí)際運(yùn)用中，水溫是黑臭水體中微生物的生存至關(guān)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(jìn)水體的自凈，協(xié)助解決城市河湖黑臭現(xiàn)象。本研究介紹了幾種增氧設(shè)備，并利用2種不同增氧方式進(jìn)行對比試驗(yàn)，在驗(yàn)證前人試驗(yàn)結(jié)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(fā)，為治理城市黑臭河道提出一種解決方案。

1　機(jī)械增氧與曝氣微孔增氧特性介紹

1.1幾種主要增氧機(jī)械［8-11］（見表1）

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

增氧能力、動力效率均優(yōu)于其他機(jī)型，但是運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較大，一般用于水深1 m以上大面積的池塘養(yǎng)殖。

1.1.2水車式增氧機(jī)具有良好的增氧及促進(jìn)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(jī)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(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，能形成水流，攪拌水體。射流式增氧機(jī)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(jī)具有良好的增氧功能，可在短時間內(nèi)迅速提高表層水體的溶氧量，同時還有藝術(shù)觀賞效果，適用于園林或旅游區(qū)養(yǎng)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(yǎng)殖池中使用（移動適用于運(yùn)輸海鮮）。

表1　幾種增氧設(shè)備優(yōu)劣勢對比表［12］

1.2曝氣微孔增氧技術(shù)

曝氣微孔增氧技術(shù)，作為一種新型的增氧技術(shù)，正逐年的推廣于池塘養(yǎng)殖之中［13］。在其運(yùn)作工程中，運(yùn)用了先進(jìn)的納米技術(shù)，將納米管安置在接近池塘底部的位置，再利用空氣壓縮機(jī)，將空氣壓縮到納米管里，從而輸送空氣至池塘的底部，達(dá)到立體增氧的目的。市面上常見的增氧機(jī)械多為表面增氧，對比曝氣微孔增氧技術(shù)而言，無論是增氧效果和對池塘水體底部的生態(tài)環(huán)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(jī)械大多通過高速攪拌水體等方式擴(kuò)大水體與空氣接觸面來達(dá)到增氧效果的，在運(yùn)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(shù)是一種靜態(tài)的增氧技術(shù)，運(yùn)作時，對水生物的生長生活影響較小，同時更加貼近生態(tài)的環(huán)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(huán)境的改善與水生物的生長呈良性循環(huán)，相互促進(jìn)的趨勢。本試驗(yàn)中使用該技術(shù)作為試驗(yàn)組，機(jī)械增氧方式作為對比組。

2　材料與方法

2.1試驗(yàn)時間、地點(diǎn)

研究田間試驗(yàn)于2015年9月在圭塘河進(jìn)行。

2.2試驗(yàn)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(xiāng)，由南至北分別貫穿雨花區(qū)洞井鎮(zhèn)、雨花亭辦事處和黎托鄉(xiāng)，黎托花橋村匯入瀏陽河，干流全長32.2 km［14］。近年來，因生態(tài)環(huán)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(diào)控能力下降，圭塘河呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)性豐、平、枯變化，水環(huán)境的日益惡化導(dǎo)致某些河段內(nèi)已無水資源可言。

2.3試驗(yàn)方法

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

圖1　取樣點(diǎn)分布圖

2.3.2試驗(yàn)儀器增氧設(shè)備采用江陰產(chǎn)微孔曝氣增氧機(jī)、臺州產(chǎn)水車式增氧機(jī)；DO及溫度測定采用SG9溶解氧測定儀。

2.3.3統(tǒng)計分析采用SPSS、Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

3　結(jié)果與分析

3.1機(jī)械增氧與微孔增氧效果對比

微孔增氧技術(shù)的增氧量要遠(yuǎn)高于常規(guī)機(jī)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(jī)測量30 min得到數(shù)據(jù)。機(jī)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(dá)到5.29 mg/L。當(dāng)前水溫水質(zhì)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(shù)對水溫的調(diào)節(jié)能力

機(jī)械增氧開機(jī)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(jī)30 min后，表層水溫降約2.9℃，底層降約0.9℃。機(jī)械增氧開機(jī)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(jī)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(jī)械增氧與微孔增氧效果對比圖

表2　機(jī)械增氧與微孔增氧降溫能力對比表℃

4　結(jié)論與討論

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

4.1試驗(yàn)基本結(jié)論

（1）就增氧效果而言，同樣28℃氣溫條件下，于同河段，在開機(jī)30 min后，機(jī)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(jīng)過增氧過程后含氧量顯著增加，而微孔曝氣增氧技術(shù)增氧效率更高。

（2）就降溫能力而言，較水體原水溫，開機(jī)2 h后機(jī)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(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的機(jī)械增氧方式，高溫會加劇河道內(nèi)造成惡臭的腐敗現(xiàn)象，在夏季高溫時節(jié)，運(yùn)用微孔增氧能更好地調(diào)節(jié)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(chǎn)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(jìn)程。

4.2微孔曝氣技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢——結(jié)合臭氧為介質(zhì)效用更佳

微孔曝氣技術(shù)下所產(chǎn)生的氣泡更小，總比表面積的優(yōu)勢擴(kuò)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(yōu)勢對污染物的降低起了決定性的作用。前人文獻(xiàn)曾報道“如若在微孔曝氣增氧機(jī)運(yùn)作時利用臭氧作為介質(zhì)，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(shù)在實(shí)際組合運(yùn)用中效果更好”［17］。

4.3微孔曝氣技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢——性價比高且市場廣闊

該技術(shù)操作簡單，運(yùn)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(qū)城市內(nèi)的黑臭河道治理常運(yùn)用內(nèi)河調(diào)水的方式進(jìn)行增氧，即利用水閘水泵等機(jī)械裝置，從含氧量更高的的河道調(diào)水融入黑臭河道中進(jìn)行增氧，將此種方式與曝氣的方式進(jìn)行對比增氧，在含氧量的提高效率、成本等方面進(jìn)行對比。無論是對溶解氧的達(dá)標(biāo)值上來看，還是消耗的成本來說，曝氣增氧的性價比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于調(diào)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(tài)清理等措施同時施用，對于城市內(nèi)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(fù)氧技術(shù)對于黑臭河湖的治理效果的試驗(yàn)中，仍存在以下問題：

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

（2）試驗(yàn)的時間周期較短，未反映該河段的季節(jié)性特點(diǎn)，應(yīng)該適量增加試驗(yàn)的時間周期來反映不同的節(jié)氣、季節(jié)及特殊天氣狀況下不同增氧技術(shù)的增氧效果對比。

（3）對于該技術(shù)對池塘養(yǎng)殖環(huán)境的修復(fù)效果，以及強(qiáng)化養(yǎng)殖；水體的自凈能力的應(yīng)用研究較少。如何減少該技術(shù)應(yīng)用時的排水量和用水量的問題仍待研究。

（4）對于該項技術(shù)配套的進(jìn)氣量的指標(biāo)控制技術(shù)發(fā)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(xué)基金“增氧灌溉條件下作物水肥高效利用機(jī)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(guān)鍵技術(shù)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(shè)備研究。通信地址：410128湖南省長沙市芙蓉區(qū)湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(shè)備研究。通信地址：410128湖南省長沙市芙蓉區(qū)湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，E-mail：peiyi@hunau.net。

2016-07-01，

2016-09-20。