昼间曝气对河流的复氧效果浅析

钟铭晨，吴继业，王翠翠,3，商栩,3，赵静岩，葛利云,3*

(1.温州医科大学 公共卫生与管理学院，浙江 温州 325035； 2.温州市龙湾区环境监测站，浙江 温州 325000； 3.浙南水科学研究院，浙江 温州 325035)

伴随着我国经济的快速发展、人口激增，工业、农业、生活污水大量排放，一些地区的水环境质量不断退化。其中，溶解氧缺失所带来的水体黑臭、生境退化等问题尤为突出。溶解氧作为水环境的重要组成部分，是维系水生生态系统的关键因子，是衡量水体自净能力的一项重要指标[1]。水中的溶解氧通常来源于大气中的氧气和水生植物光合作用所释放出的氧，除了被水中微生物的呼吸作用消耗外，也可通过水中还原性物质的氧化分解消耗[2]。受污染水体往往表现为低溶解氧的状态，由于其自我修复能力弱，最终会造成水生生物大量死亡、水体黑臭等[3]。因此，要改善水质、恢复水生态，首要任务就是要提高水体中的溶解氧含量。河流曝气技术作为一种常见的河流污染治理手段，投资少、见效快，近年来得到了广泛应用[4-6]，并发展出机械曝气、鼓风曝气、射流曝气、推流曝气等技术[7]。曝气装置通过将气体与水体相混合，使水中的溶解氧得到补充，为好氧微生物创造了良好的活动环境。而且，曝气还可以减少水体底泥带来的污染，防止水体底部厌氧环境下黑臭、毒害物质的形成。此外，曝气过程中通过对水体的搅动，也可以将水中的杂质用气泡包裹起来，从而为后续的絮凝沉淀、脱除奠定基础。

目前，出于方便管理等原因考虑，采用较多的是昼间曝气的模式。然而，水环境呈现出明显的昼夜变化[8]。太阳辐射的昼夜变化能够引起水体中光合作用的变化，进而导致溶解氧呈现出典型的昼夜变化。在这些曝气设备仅昼间启用的模式下，其对河流水体的复氧效果如何，是否能满足昼、夜间水体对溶解氧的真实需求，相关的研究还比较少。同时，处于“能源时代”的我们，有关能源形势的热点问题也不得不让我们关注到河流曝气技术的能耗与效益平衡问题。为此，本研究以秋、冬两季为背景，通过设置最常用的河流昼间曝气模式，连续多日监测河流表、底层溶解氧含量等指标的变化规律，旨在探究昼间曝气对河流的复氧效果，并进行评价，为今后选择合理、有效、经济的曝气方案提供依据[9-10]。

1 材料与方法

1.1 研究河流概况

本研究所选择的用于开展生态治理的河流位于温州市瓯海区仙岩街道鱼潭前村，河流平均宽度约10 m，平均水深约1.8 m，总长度约500 m，总体流向为自东向西，并汇入温瑞塘河主河流。河流两岸有乡镇工厂20余座，村民生活污水排放问题未得到彻底解决，河流水质状况较差，具备典型的城镇污染河道特征。靠近河流处有较明显的臭味，近岸较浅处可见底泥呈黑色，表现出典型的缺氧特性。

1.2 曝气复氧装置与监测点设置

在河流中建立喷泉曝气机和微孔曝气机2种曝气复氧装置，并设置曝气时间为8：00—9：00、10：00—11：00、12：00—13：00、14：00—15：00、16：00—17：00。选取河流上游中心为监测点，监测点水深约1 m。

1.3 样品分析

使用YSI EXO-2型多参数水质监测仪于2019年秋、冬季选择3个连续晴天对采样点表层、底层进行现场原位测定，每日设置4个采样时间，每个采样时间之间相隔6 h，分别为6:00、12:00、18:00、0:00，获取温度(Temp)、溶解氧含量(DO)、pH、浊度(NTU)等参数。自然状态与曝气条件下采样方法相同。此外，记录监测当日气象、日光照强度等参数。

2 结果与分析

2.1 自然状态下水体溶解氧变化特点

连续监测结果(图1)显示，秋、冬季自然条件下水体温度和溶解氧含量的日变化呈现出一定的差异。在秋季，表、底层水体溶解氧量含量变化趋势表现相似，在昼间持续上升，其中表层上升幅度较大，在18:00达到最高值。但经过夜间水体代谢消耗，至第二日6：00时表、底层均接近无氧。在冬季，表、底层水体溶解氧含量日变化表现为不同模式：表层水体溶解氧含量呈现与秋季相似的日变化模式，昼间持续上升，至18:00达到最高值，次日6：00达到最低值，而底层水体溶解氧含量变化不明显。

图1 自然条件下水体温度和溶解氧含量变化

2.2 曝气对河流复氧效果的影响

曝气对河流复氧的效果可以直观或间接地反映在水体DO变化上。分别比较秋、冬季水温和表、底层DO的变化(图2)，可以发现，曝气条件下，秋季水体表、底层DO的日变化模式相似，但昼间表层水体DO高于底层1～2 mg·L-1，至次日6：00表、底层DO均趋近于0。在冬季曝气条件下，水体表、底层DO变化模式更加相似，且时常出现底层略高于表层的现象。

对比自然和曝气条件下河流水体DO的日变化特征(图3)，在秋季昼间，曝气对河流表层水体显示出了一定的复氧效果。与自然条件下相比，午后的水体DO得到了0.9～2.2 mg·L-1的提升。但与自然条件下相似，河流表层水体在次日6：00表现为缺氧。底层水体表现出与表层同样的规律，即曝气使水体DO在昼间得到了一定的上升，但在夜间仍被水体代谢消耗殆尽。

图2 昼间曝气模式下水体温度和溶解氧含量变化

图3 昼间曝气模式对水体溶解氧含量的影响

在冬季，当河流开启昼间曝气后，表层DO提高较明显，特别是夜间DO较自然条件下得到明显提升。曝气对水体底层DO的日变化规律也产生明显影响，曝气后，其变化趋势与表层变化趋势相近，且次日6：00水体DO较自然条件下有较大提升。

3 小结与讨论

河流曝气技术广泛应用于我国不同污染程度河流的水体修复中，如果没有对其使用方案进行合理的设置，不仅难以达到水体修复的预期效果，同时其长期用电也会带来一定的能源和经济上的负担。因此，对河流昼间曝气效果开展研究，了解水体不同水层在曝气后的复氧状态，可以为今后根据不同河流的实际情况制定更加优化的曝气方案、建立更加科学的河流环境修复技术体系提供依据。

本研究结果显示，在水-气交换复氧、水中各类植物的光合作用，以及全体生物呼吸作用的共同作用下，自然状态下水体表、底层溶解氧均呈现出明显的昼夜变化[11-13]。昼间随着太阳辐射的增强，水生生物光合作用逐渐增强，水-气交换复氧与水生植物产氧的速率大于水体中各类有机体呼吸作用消耗氧气的速率，从而使水体中的DO提高，通常在午后(由于本研究选择的时间点有限，故表现为18:00)达到最高值[14]。夜间，因为水生植物光合作用停止，而水体中的代谢耗氧过程仍在继续，因此，水体DO逐步下降，并在次日上午8:00左右(由于本研究选择的时间点有限，故表现为6:00)达到最低值。之后，随着新的昼间周期的来临光强增强而促使水体DO再次上升。

比较秋、冬季自然条件下的监测结果，秋季水体昼间光合作用累积的氧气在夜间几乎被代谢消耗殆尽，尤其是在底层。这主要是因为底层较表层缺少气体交换，并且底层水体接受阳光辐射困难，藻类数量少，本身在白天的补氧能力就弱，所能达到的峰值低；而夜间由于秋季水温适宜，水体中有机物生命活动旺盛，无机污染物氧化反应保持在较高水平，致使水体中的氧气被大量消耗[15]。然而，在冬季水体DO表现不同。冬季水体DO受较低温度的影响，水生生物光合作用产氧量降低，但耗氧能力也同样减弱。同时，冬季DO变化还会受到自水体表层到底层温度梯度的影响[10]。冬季空气温度较低，夜间表层水体水温骤降，含氧量较高的表层水逐渐下沉，水体垂直交换加强，表、底层水体混合效果好，从而自上而下地对底层进行补氧[8,16]。这一点从夜间水温趋于一致上也可以看出来。因此，经过一夜较弱的代谢消耗，水体表、底层均有相对秋季要高的DO，甚至底层的DO经过一夜后反而得到了少量的提升。

在曝气条件下，秋季表、底层DO相比自然状态下都得到了一定的提升，但次日清晨水体DO同样几乎表现为零剩余，表明昼间曝气所补给的氧气仍然不能满足河流水体夜间对氧的需求。因此，需要进一步研究夜间曝气模式是否能够有效增加夜间补氧，从而满足水体全天的溶解氧需求。在冬季，因为水温较低，水体代谢强度明显下降，耗氧较少。在此基础上，昼间曝气充氧进一步增加了水体表、底层的DO。同时，结合表、底层水体DO变化，可以推测，由于曝气造成底层水体DO上升，表、底水体DO差异变小，因而夜间表、底层水体交换中表层因补充底层氧气所损失的氧量也变少，最终使水体仍保有较高的DO。相对充足的余氧量又为后一天开始的增-耗溶解氧循环提供了较高的起点，从而能够持续满足该河流水生生态系统全天的溶解氧需求。因此，在冬季期间，传统的昼间曝气模式的增氧效果已能够满足提高水体溶解氧水平、改善水生态的要求。本研究还发现，曝气对水体的复氧效果存在一定的滞后性。当曝气运行时，水体扰动对表层水体产生较大影响，当曝气结束一段时间后，底层水体的溶氧量才得到提升，因而时常出现表层DO低于底层的情况，这可为曝气复氧效果的动态研究提供帮助。

在目前关于曝气技术的众多研究中，关注的大多是曝气装置开启时对于水体DO的即时改善情况。本研究结果表明，同样强度、节律下的曝气增氧效果在不同的昼夜阶段和不同的季节都有着明显差异，并与自然状态下水体复氧的过程密切相关。通过对表、底层DO日变化的监测，可以更加准确地理解科学曝气的意义，从而不仅能够更加有效地增氧，而且也有助于节约曝气中的能源和用电开支。后续，还需要针对曝气节律的最优设置、曝气装置的最佳布局等展开深入研究，以更好地发挥曝气这一技术在水生态修复中的作用。

总的来看，本研究表明，在自然条件下，所选河流秋季昼间的天然复氧量低于夜间耗氧量，表、底层水体夜间需氧均不能得到满足；冬季表、底层水体昼间净产氧量可满足夜间耗氧量，未出现极度缺氧状态。秋季昼间曝气复氧效果不足，夜间表、底层水体仍呈现缺氧状态，建议改变曝气节律，或设置夜间曝气以改善夜间水体氧环境[4]；冬季昼间曝气为水体溶氧带来部分补充，表、底层水体均可满足日耗氧需求，可进一步优化应用。