水域富营养化修复新方法——将太阳能高效转化为水动力

王以尧，高 红，徐祖信

(1.成都市环境保护科学研究院，成都 610000； 2. 成都市环境工程评审中心, 成都 610000；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

·水环境·

水域富营养化修复新方法
——将太阳能高效转化为水动力

王以尧1，2，高 红2，徐祖信3

(1.成都市环境保护科学研究院，成都 610000； 2. 成都市环境工程评审中心, 成都 610000；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

针对于自然水域富营养化加剧的现象，富营养化水域修复的基本原理入手，分析了自由移动的太阳能曝气具有的较好的水体交换功能、水动力条件、溶解氧传输功能，以及低碳环保的好处。理论分析、相应功能应用实例和设备应用实践证明，该方法能够有效缓解、修复自然水域富营养化现象。

富营养化; 修复; 曝气; 太阳能; 移动性能

1 自然水域富营养化现象加剧

人类社会快速发展带来的自然水域富营养化过程，目前已变成世界水域生态治理的严重问题。美国淡水水域，每年因富营养化问题造成水域使用功能退化和房地产影响致使经济损失约22亿美元[1]。对英国面积小于1hm2的14 000个湖泊调查后发现，到2015年约有51%的湖泊必须采取一定的措施来满足“水框架协议”中的健康状态标准[2]。在中国，有很多的淡水湖泊面临不同程度的富营养化现象[3], 同时还涉及那些为世界提供了60%养殖水产品的众多养殖池塘，面积约2×104hm2[4]。目前，许多国家和地区都采取了不同措施来应对富营养化现象，如欧洲的“水框架协议”、中国在2015年出台的“水污染防治行动计划”。

2 富营养化修复常规措施及存在的问题

富营养化修复应对措施主要包括污染物减排、原位修复和异位修复三种方式。从治理角度讲，底泥疏浚、外源水体的调入是常见措施[5]。然而，目前越来越多的科学家认为底泥疏浚措施应该谨慎实施，因为大量底泥的转移、泥水界面的扰动会带来难以估量的生态风险，同时工程费用也非常昂贵[6]。另外，调水往往需要较大工程措施(平原河网还需要较高的动力消耗)，很多失败的案例表明大量换水只能赢得短暂较好水质，不能解决根本性问题[7]。

人工曝气曾被认为是价格便宜、效果明显的富营养化修复方式[8]。目前比较常见的曝气设备有喷水式、叶轮式、水车式和微孔式，它们都是固定安装在某一个具体点位，其动力基本聚集在安装点而不能较好的传输分散，因此在具体水域需要配置多个安装点，运行能耗相对较高。曝气船也有很多应用，但其一次性投入价格相对较高，并且需要人为控制进行日常运行。

近年来，太阳能与曝气设备结合已有一些应用。王文林在2008年[9]报道了在张家港市重污染河道使用太阳能曝气设备(SolarBee)的泵系统产生纵向的高速流来搅动水体以提高设备上下游30m的溶解氧以及改善水质。凌方圆在2011年[10]研究了以太阳能电池板为主体材料、下方装直流曝气泵和紫外抑藻模块的太阳能曝气机，实现曝气和抑藻两种功能，从而抑制水体富营养化。焦子云在2014年[11]研究了太阳能发电带动螺旋桨抽水、过滤的湖泊净化装置增强水体自净能力。上述报道的太阳能曝气设备共同点是只能在固定点使用，作用范围较小。

在过去10年里，对移动式曝气设备国内外有很多尝试[12～15]，吴宗凡在2014年[16]报道了由光伏供电装置和水面行走装置搭载涌浪机在水面沿钢丝绳移动，并利用涌浪机的波浪进行增氧和实现水层交换。但是它们普遍存在移动性能较差(如需要相应的轨道帮助)、作用范围较小、能量高等缺点，从而致使较差的应用实践。所以有必要研究能够在大水域中具有较高作用性能和使用清洁能源作为富营养化修复设备的新方法。

3 自由移动太阳能曝气的优势

将太阳能、自由移动性能与曝气系统结合起来形成自由移动太阳能曝气设备，它由曝气系统、档流装置、方向控制系统、太阳能供电系统和浮体组成。其中曝气系统由风量大、能耗低的漩涡风机进行鼓风，然后连接曝气筒体，筒体内的曝气系统形成负压，促使水体从筒体底部流进，从筒体顶部流出。档流装置能够遮挡住从筒体顶部流出的部分水流，水流单一方向的流动会形成反推力促使整个设备进行移动。由方向控制系统控制设备移动方向，具体智能控制系统进行方向转换程序的设定。太阳能供电系统由光伏组件、逆变器和蓄电池等构成，从而将太阳能转化为风机动能，浮体使整个装置漂浮于水面。设备结构非常简单，便于安装和维护。

3.1 移动性能具有更好的水体交换功能和水动力条件

覆盖面积大是自然水域(湖、水库、河流或池塘)富营养化修复重要难点之一，所以传统曝气设备难以表达出显著的效果。一般来讲，固定工作点的曝气设备因水动力传输衰减较快而服务面积较小(通常小于0.05hm2)[17],太阳能移动曝气设备在智能转向机构帮助下实现水域自由航行，到达水域任意区域达到水体不断更新交换目的。同时，采用气提方式能将大量水体从底层缺氧/厌氧水层提升到水面进行曝气覆氧和光化学处理，去除水体异味和缓解蓝藻爆发危机[18]。设备横向移动实现水体水平交换，纵向提水实现水体上下交换，这种立体交换混合方式能有效达到“流水不腐”功效。移动性能带来的较大服务面积，只需要在自然水域投放较少数量设备就能满足使用需求，从而在不同水域以及不同使用要求情况下，设置不同运动轨迹程序就能满足富营养化修复需求。同时，自由移动功能也减少了固定设备可能造成的航行阻碍等安全隐患。

3.2 移动曝气具有更好的溶解氧传输效率

太阳能移动曝气设备通过曝气形成的定向水流反推力实现慢速持续移动具有较好更好的溶解氧传质效率，因为移动特点避免了溶解氧在静态水体传质衰减严重的缺点，比如悬挂链移动曝气设备在“百乐可”污水处理工艺上因较好的溶解氧传质效率获得广泛的应用实践[19]。实际上，移动曝气船因其优异的溶解氧传输性能深受用户钟爱，在富营养化的湖泊和河流具有很多应用案例，比如法国塞拉河[20]，台湾的“先锋壹号”[21]。田永静也通过实验发现，曝气塘采用固定式曝气系统时实现完全混合曝气充氧约需动力为15.6～52kW，而使用移动曝气只需用2.25kW就能达到同样效果[16]。

3.3 使用太阳能更具灵活性且更环保

科学家们都试图寻找办法来减少碳排放[22]，而太阳能的直接利用是有效途径之一[23]，太阳能光伏发电能源偿还时间为1～4.1年，而寿命长达30年[24]。自然水域光照都较为充分，所以小功率太阳能移动曝气设备是分布式太阳能利用的最好方式之一，仅中国受污染湖泊和水产养殖池塘水域使用1年就能节约36.8 TWh电能(7 234khm2中75%水域受到污染，按2∶104面积进行光伏板配置；2 000khm2水产养殖池塘按4∶104面积进行光伏板配置)。同时，没有电缆线束缚的设备移动更为灵活，不需要额外工程建造和电力传输过程潜在的危险性。所以，太阳能曝气设备的应用是利用清洁能源水域富营养化修复的最佳管理措施(BMPs)之一。在东莞松木山水库水源区域，也建立了16公顷以太阳能为能源的水质修复保障设施，用以降低叶绿素a的浓度和优化水体藻类群落结构[25]。

4 展 望

将太阳能高效转化为水动力来修复富营养化水体的方法高效实用，该方法转化的产品(太阳能移动曝气设备)在湖泊水库以及水产养殖池塘已有多个成功应用案例，实践证明它能有效缓解底泥黑臭、水体黑臭和蓝藻爆发等现象，解决水产养殖池塘残饵粪便累积带来的养殖隐患，强化营养盐的转化，下图为设备在上海某湖泊使用现场情景。

图 自由移动的太阳能曝气机使用场景Fig. Usage scenarios of solar-powered and mobile aeration device

但是，太阳能移动曝气设备必须依赖足够强度的太阳光照，在光照不足的地区(如四川)和天气(阴雨天)情况下设备运行能力就会变得相对较弱，所以设备需要考虑加载自动返回岸边进行电能补给。同时，设备配置的太阳能电池板面积较大、蓄电池充电时间较长、效率转换较低，这些都依赖相关领域技术进步来进一步解决。尽管太阳能移动曝气设备还存在一些缺点，但设备先进理念、优异功效、以及操作的智能化、管理要求的简单化、运行的零能耗和低风险使其在富营养化水域修复行业中具有明显的优势，预测会得到很快的应用推广。

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New Restoration Method for Eutrophic Water——Efficiently Transfer Solar-energy into Hydrodynamic Force

WANG Yi-yao1,2, GAO Hong2, XU Zu-xin3

(1.ChengduAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610000,China;2.ChengduEnvironmentEngineeringAppraisalCenter,Chengdu610000，China;3.CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092，China)

As surface water eutrophication is accelerated nowadays, according to the basic theory of eutrophication restoration, solar aeration device which can move freely has better water exchange function, hydrodynamic conditions and oxygen transfer rate, and it is low-carbon and environmentally-friendly. It is proved that this device can remit and restore eutrophication from theoretical and practical scope.

Eutrophication; restoration; aeration; solar-energy; mobility

2016-09-21

王以尧(1981-)，男，四川巴中人，2015年毕业于同济大学环境科学专业，博士，高级工程师，研究方向为水域富营养化修复与调控。

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1001-3644(2017)01-0068-04