几种增氧方式对黑臭河湖的治理效果对比

唐荣，裴毅，姚帮松，李旭，肖莹

（湖南农业大学工学院，长沙410128）

几种增氧方式对黑臭河湖的治理效果对比

唐荣，裴毅，姚帮松，李旭，肖莹

（湖南农业大学工学院，长沙410128）

为了解如何更好地治理黑臭河湖，本研究在对比了市面上的几种增氧机械特点后，设置多组对比试验，从水体含氧量的测定和水温的测定出发进行试验，以期对比曝气微孔增氧与机械增氧的区别。用多种不同的增氧方式对同一池塘进行测定（9—10月），获得池塘表层与底层的溶氧量、水温差等指标数据。结果表明，曝气微孔增氧技术具有更高的性价比，对于水中的溶氧量增加更有效果，同时对于时段性温差明显地区水层表层与底层的温差调节作用明显，有更强的降温效果。

微孔增氧；水温；溶氧量

0　引言

近些年来，随着中国经济的高速发展，环境污染现象屡见不鲜，而现今城市河湖的污染现象尤为严重，黑臭河湖已然成为普遍问题［1-3］。竭力改善城市河湖水生态环境和水生物生长环境，已成为环境治理亟待解决的重大问题之一。经济发展和环境状况呈现着作用与反作用的关系，经济增长速度过快常会带来对环境的不良影响，而黑臭河湖的现在对于都市人群的生活也会带来不利因素，治理的措施必不可少，且需在最短时间内就要开始控制和实施。河湖发生黑臭现象的一个重要原因就是水体中含氧量不足，导致水生物无法正常生长，同时污染物也下沉堆积。钱嫦萍等［4］指出，可从生物修复的角度出发对城市河湖黑臭现象进行治理，如添加微生物制剂来提高水体的自净能力。同时，也指出建立人工生态模拟系统，通过复氧技术的运用来增加水体中的含氧量。2种形式都是通过加速水体中污染物的降解来达到治理目的；陈洪波等［5］提到一种水中雾化加氧的方式，能提高水中氧含量饱和值，降低氧分子从水中逸出速率，对水体净化和渔业养殖具有较好的应用前景；蒋宏斌等［6］指出，微孔曝气因其气泡的体积较小，同时聚集密度大，在水中存留时间更长，具有极高的氧的传质效率；于玉彬等［7］通过曝气增氧的技术与方式可以有效增加水体溶氧量，就目前而言，水体曝气增氧技术，主要有人工曝气复氧（如曝气微孔增氧）、大气复氧和水生生物通过光合作用传输部分氧气等3种途径。曝气微孔增氧技术在实际运用中被采用较多，如英国的泰晤士河河口的治理，就结合了微孔增氧技术和臭氧曝气，为恶臭河道增氧的同时净化了河道。

前人研究更多的关注于水中的含氧量、增氧机械产生的气泡特征与水中污染物的情况，鲜少将水温作为一个参考值来评定增氧机械的效果。在实际运用中，水温是黑臭水体中微生物的生存至关重要的一个条件，合适的水温能增加水中起净化作用的酶的活性，因此可以促进水体的自净，协助解决城市河湖黑臭现象。本研究介绍了几种增氧设备，并利用2种不同增氧方式进行对比试验，在验证前人试验结果的同时加入对水体温度的测定，更好地帮助解决夏季高温下水体中温层的交换问题，旨在从提高水中溶氧量、降低水温差的方向出发，为治理城市黑臭河道提出一种解决方案。

1　机械增氧与曝气微孔增氧特性介绍

1.1几种主要增氧机械［8-11］（见表1）

1.1.1叶轮式增氧机具有增氧、搅水、曝气等综合作用，是目前采用最多的增氧机，年产约15～20万台，其

增氧能力、动力效率均优于其他机型，但是运转噪声较大，一般用于水深1 m以上大面积的池塘养殖。

1.1.2水车式增氧机具有良好的增氧及促进水体流动效果，适用于淤泥较深的池塘。

1.1.3射流式增氧机其增氧动力效率超过水车式、充气式、喷水式等形式的增氧机，结构简单，能形成水流，搅拌水体。射流式增氧机能使水体平缓地增氧，不损伤鱼体，适合鱼苗池增氧使用。

1.1.4喷水式增氧机具有良好的增氧功能，可在短时间内迅速提高表层水体的溶氧量，同时还有艺术观赏效果，适用于园林或旅游区养鱼池使用。

1.1.5增氧泵因其轻便、易操作及单一的增氧功能，故一般适合水深在1 m以下，面积在0.067 hm2以下的鱼苗培育池或温室养殖池中使用（移动适用于运输海鲜）。

表1　几种增氧设备优劣势对比表［12］

1.2曝气微孔增氧技术

曝气微孔增氧技术，作为一种新型的增氧技术，正逐年的推广于池塘养殖之中［13］。在其运作工程中，运用了先进的纳米技术，将纳米管安置在接近池塘底部的位置，再利用空气压缩机，将空气压缩到纳米管里，从而输送空气至池塘的底部，达到立体增氧的目的。市面上常见的增氧机械多为表面增氧，对比曝气微孔增氧技术而言，无论是增氧效果和对池塘水体底部的生态环境的改善作用都较为低下，耗能却更高，增氧层次较不清晰，增氧面积较不均匀。同时，由于大型增氧机械大多通过高速搅拌水体等方式扩大水体与空气接触面来达到增氧效果的，在运作时，噪音较大，对水体中的生物的生长生活影响较大，而曝气增氧技术是一种静态的增氧技术，运作时，对水生物的生长生活影响较小，同时更加贴近生态的环境也能提高水体中鱼类等生物的生长密度提高，生长周期降低，水体环境的改善与水生物的生长呈良性循环，相互促进的趋势。本试验中使用该技术作为试验组，机械增氧方式作为对比组。

2　材料与方法

2.1试验时间、地点

研究田间试验于2015年9月在圭塘河进行。

2.2试验材料

水源取自圭塘河。圭塘河是浏阳河的支流，起于长沙县跳马乡，由南至北分别贯穿雨花区洞井镇、雨花亭办事处和黎托乡，黎托花桥村汇入浏阳河，干流全长32.2 km［14］。近年来，因生态环境破坏，植被减少，库、塘萎缩，水土流失、淤积等，使全流域水源含蓄和调控能力下降，圭塘河呈现了明显的季节性丰、平、枯变化，水环境的日益恶化导致某些河段内已无水资源可言。

2.3试验方法

2.3.1试验设计将仪器在指定地点安装完毕后进行试验（微孔曝气增氧机安装于岸边），开机前于A1、A2、A3进行取样，取得值记为增氧前水体温度值和含氧值。每点取样3桶，测温2次：表层1次，底层1次，进行初始水温与初始DO的测定。开机后30 min，于B1、B2、B3进行取样，取得值记为增氧后水体温度值和含氧值。每点取样3桶，测温2次：表层1次，底层1次。开机后2 h，于B1、B2、B3进行取样，取样方式与取样量同上。取样点分布见图1。共设2组试验，水车式增氧机为对照组，微孔曝气增氧机为试验组，每台机器取样9次，2台机器共取54桶试验水进行DO的测定并记录。

图1　取样点分布图

2.3.2试验仪器增氧设备采用江阴产微孔曝气增氧机、台州产水车式增氧机；DO及温度测定采用SG9溶解氧测定仪。

2.3.3统计分析采用SPSS、Excel软件进行数据处理与分析。

3　结果与分析

3.1机械增氧与微孔增氧效果对比

微孔增氧技术的增氧量要远高于常规机械增氧的增氧量。水体原含氧量仅为1.85 mg/L。在水温为28℃左右时开机测量30 min得到数据。机械增氧后水体含氧量为4.38 mg/L。而同条件下微孔增氧方式让水体含氧量达到5.29 mg/L。当前水温水质下水体含氧量饱和值为7.65 mg/L（见图2）。

3.2曝气微孔增氧技术对水温的调节能力

机械增氧开机30 min后，表层水温小幅下降，降约0.2℃，底层水温未见明显下降。微孔曝气增氧开机30 min后，表层水温降约2.9℃，底层降约0.9℃。机械增氧开机2 h后，表层温度再下降约0.8℃，底层再下降约0.9℃。微孔曝气增氧开机2 h后，表层水温未见明显下降，底层再下降约0.3℃（见表2）。

图2　机械增氧与微孔增氧效果对比图

表2　机械增氧与微孔增氧降温能力对比表℃

4　结论与讨论

综上所述，本研究为水体增氧装置的设计与应用探索了新的设计方法和新的增氧技术，对污水处理、水产养殖和植物增氧灌溉等领域具有重要的参考和应用价值［7］。

4.1试验基本结论

（1）就增氧效果而言，同样28℃气温条件下，于同河段，在开机30 min后，机械增氧后水体的含氧量上升了2.53 mg/L，而微孔增氧的方式下水体含氧量上升了3.44 mg/L，水体原含氧量仅为1.85 mg/L，经过增氧过程后含氧量显著增加，而微孔曝气增氧技术增氧效率更高。

（2）就降温能力而言，较水体原水温，开机2 h后机械增氧表层降水温约1℃，底层降水温约0.2℃，而微孔曝气增氧令表层水温下降约2.9℃，令底层水温降约1.2℃，降温效果更加明显。证明曝气微孔增氧技术在提高水体上下交换的能力和减少上下温差的过程中有显著作用。微孔增氧方式对于水温的降温能力要远远高于普通的机械增氧方式，高温会加剧河道内造成恶臭的腐败现象，在夏季高温时节，运用微孔增氧能更好地调节河水表层与中层的温差，并能有效降低底层水温［15］。与此同时，由于微孔增氧方式产生的气泡更小，水体溶氧量更高。更丰富的含氧量会为水体中起净化作用的酶增活，从而推动水体的自净化进程。

4.2微孔曝气技术的技术优势——结合臭氧为介质效用更佳

微孔曝气技术下所产生的气泡更小，总比表面积的优势扩大了与水体的接触面，同时，更小的气泡体积降低了其浮力，上浮的速度更慢，也增加了气泡的停留的时间即与水体的接作用时间［16］。更加有效地提高了水体中氧气的传递效率与水体中溶解氧含量。而这一优势对污染物的降低起了决定性的作用。前人文献曾报道“如若在微孔曝气增氧机运作时利用臭氧作为介质，同样的增氧方式下，臭氧对污染物的去除效用比空气更高，臭氧微孔曝气技术在实际组合运用中效果更好”［17］。

4.3微孔曝气技术的应用优势——性价比高且市场广阔

该技术操作简单，运行时占地面积小、成本低且性价比高、同样的投入可以处理更加庞大的水量且对水生物的生活影响小，亦不会造成二次污染，故这是在治理城市恶臭河道与湖泊中常常采用的方式［18］。平原地区城市内的黑臭河道治理常运用内河调水的方式进行增氧，即利用水闸水泵等机械装置，从含氧量更高的的河道调水融入黑臭河道中进行增氧，将此种方式与曝气的方式进行对比增氧，在含氧量的提高效率、成本等方面进行对比。无论是对溶解氧的达标值上来看，还是消耗的成本来说，曝气增氧的性价比是远远要高于调水增氧的。曝气增氧的能耗更低、成本更低、效果更为显著。与其他治理方法如清淤、截污和生态清理等措施同时施用，对于城市内黑臭河道的改善乃至重污染的治理都将有明显作用［19］。

4.4存在的问题

在研究人工曝气复氧技术对于黑臭河湖的治理效果的试验中，仍存在以下问题：

（1）本试验对于河道污水的水量、水质以及河流流速未进行统计，而流速也影响底层淤泥的耗氧量，是试验中的一个重要影响因素。

（2）试验的时间周期较短，未反映该河段的季节性特点，应该适量增加试验的时间周期来反映不同的节气、季节及特殊天气状况下不同增氧技术的增氧效果对比。

（3）对于该技术对池塘养殖环境的修复效果，以及强化养殖；水体的自净能力的应用研究较少。如何减少该技术应用时的排水量和用水量的问题仍待研究。

（4）对于该项技术配套的进气量的指标控制技术发展仍待完善［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论文编号：cjas16070001

国家自然科学基金“增氧灌溉条件下作物水肥高效利用机理的研究”（31272248）；国家国际科技合作项目“东江湖外源污染阻控关键技术的研究”（2013DFG91190）。

唐荣，女，1993年出生，湖南长沙人，在读硕士，主要从事流体工程及排灌设备研究。通信地址：410128湖南省长沙市芙蓉区湖南农业大学工学院，E-mail：307637758@qq.com。

裴毅，男，1960年出生，湖北枣阳人，教授，本科，主要从事流体工程及灌排设备研究。通信地址：410128湖南省长沙市芙蓉区湖南农业大学工学院，E-mail：peiyi@hunau.net。

2016-07-01，

2016-09-20。