日间和夜间曝气对河流增氧效果的比较

马媛，廖忠鹭，钟铭晨，商栩,2，王学东,2*

(1.温州医科大学 公共卫生与管理学院，浙江 温州 325035；2.浙南水科学研究院，浙江 温州 325035)

随着人口的持续增长和经济的快速发展，水资源的过度开发和污染物的无序排放越来越严峻，造成的河流水质恶化、自净能力下降、水生生态系统退化等问题已经成为世界各国共同面临的难题。水污染也是当前我国较为突出的环境问题，超过80%的城市河流污染较为严重，特别是伴随缺氧而来的水体黑臭、生境退化等问题尤为突出。溶解氧(DO)作为水环境的重要组成部分，是维持水生生态系统健康的关键因子，是衡量水体自净能力的一个重要指标[1]。水中的溶解氧主要来自空气溶入和水生植物光合作用。水中的溶解氧除了供给水中各类生物的呼吸作用外，另一个主要的消耗途径是在微生物的参与下氧化分解水中的还原性物质[2]。受污染水体因大量外源有机质的进入而使得生化需氧量显著增加，水中溶解氧消耗的速度大大超过了水体的天然复氧速度，往往呈现出低溶解氧的状态。此时水体的自净能力弱，最终会造成水体黑臭、水生生物大量死亡等危害[3]。因此，要改善水质、恢复水生态，首要任务就是提高水体中溶解氧的含量。河流曝气技术作为一种最为常见的污染治理手段，能够快速提高水体溶解氧含量，且投资少、见效快，被广泛使用[4-6]。通过人工向水体中充入空气，使水中的溶解氧得到补充，恢复水中好氧微生物的活力，增强水体净化有机污染物的能力，进而促进水环境质量的全面改善[7-9]。但目前对河流曝气技术的相关研究主要集中在如何提高曝气效率上，对曝气与水体的自然复氧过程的耦合效果研究较少。

地表水体的溶解氧及叶绿素等水质指标在太阳辐射昼夜变化的驱动下表现出相应的节律，即在白天有光照情况下水生植物光合作用产氧量超过水体的呼吸代谢耗氧量而使得溶解氧含量增高，在夜晚无光照情况下则仅有呼吸代谢不断耗氧而使溶解氧含量下降[10]。在有机污染较重的水体中，这种昼夜变化就可能使得水体在夜间的缺氧状况比日间更加严重[11]。在目前运用曝气技术治理污染水体的过程中，出于方便管理等原因，较多采用日间曝气模式，而在水体自然复氧能力下降的夜间却常常停止曝气。我们猜测，传统的曝气节律模式可能使得在自然复氧能力较强的日间进行的曝气存在某种程度浪费，而在迫切需要补充溶解氧的夜间却没有得到人工增氧。为了验证这一假设，本研究以典型平原河网有机污染较为严重的河流为研究对象，通过设置不同的日、夜间曝气模式，连续监测河流表、底层溶解氧含量等指标的变化，以了解日、夜间曝气对河流复氧效果的差异，为今后设计更为合理、高效、经济的曝气方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究河流概况

本研究在位于温州市瓯海区仙岩街道鱼潭前村的渔潭前河进行。该河发源于大罗山，自东向西汇入温瑞塘河主河道。渔潭前河宽10～20 m，水深1～2 m，总长度约500 m。该河流作为温瑞塘河河网的一部分，呈现出典型的城乡结合部复合污染特征。河流两侧有乡镇工厂20余座，工业、生活污水截污纳管还不够彻底，且水体流动性不佳，导致河流水质较差。河岸附近有较明显臭味，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

依托渔潭前河进行的生态修复工程，在河流中布设喷泉曝气机和微孔曝气机2种曝气装置，并设置了2种曝气模式，分别为日间曝气(6:00—18:00曝气，18:00—次日6:00停止曝气)和夜间曝气(18:00—次日6:00曝气，6:00—18:00停止曝气)，以无曝气(自然状态)作为对照。水质监测点设于渔潭前河上游，监测点水深约为1 m。

1.3 现场监测

为了考察不同曝气模式在水温较高(夏季)和较低(冬季)时对水体复氧效果的差异，于2019年夏、冬季的连续晴天期间每日在4个采样时间点对河流的表层、底层水质进行现场监测，各采样时间点间隔6 h，分别为6:00、12:00、18:00、24:00。先开展连续72 h无曝气状态下的水质监测，然后是72 h夜间曝气模式下的水质监测，最后是72 h日间曝气模式下的水质监测。使用YSI-EXO-2型多参数水质监测仪测定温度、溶解氧、pH等水质指标。无曝气与曝气模式下的监测方法相同。同时，记录实验当日气象、光照强度等环境指标。

2 结果与分析

2.1 夏季

在气温、水温较高的夏季，渔潭前河表、底层水温在不同曝气模式下表现出相似的时空变化规律，均呈明显的昼间上升、夜间下降的变化趋势。通常于每日傍晚18:00达到最高值，再于次日清晨6:00达到最低值，且表层水体水温略高于底层水体(图1中a和b)。在无曝气或夜间曝气的条件下，表、底层水体pH值波动较明显，而日间曝气时水体pH值变化幅度较小。在夜间曝气的条件下，表、底层水体pH值出现极值的时间均晚于无曝气条件下(图1中c和d)。

阴影部分表示夜间时段，图2～4同。

夏季实验中无曝气模式下，表层水体溶解氧含量呈现昼间上升、夜间下降的趋势，为1.22～9.21 mg·L-1，水体在夜间已处于低氧状态(图2中a)。日间曝气模式下的溶解氧日变化特征和无曝气模式下十分相似，在日间表现出一定的复氧效果，为1.09～8.76 mg·L-1，但对比无曝气模式下并没有显著差异。而在夜间停止曝气后，水体溶解氧浓度持续下降，最小值出现在每日清晨6:00。夜间曝气条件下水体溶解氧含量为4.67～10.12 mg·L-1。该模式下日间水体溶解氧含量与无曝气和日间曝气模式差别不大，但夜间水体溶解氧含量显著高于后2种模式，水体全天始终处于对水生生物友好的有氧状态。夜间曝气模式下水体溶解氧日变化较为平稳，而无曝气和日间曝气模式下水体溶解氧含量每日变化幅度则较大。

底层水体溶解氧含量在不同曝气模式下表现出和表层水体类似的日变化规律，但最大值明显低于表层(图2中b)。在无曝气模式下，底层水体溶解氧含量为0～3.33 mg·L-1。在日间曝气模式下，底层水体溶解氧为0～4.12 mg·L-1。这2种模式下底层水体在清晨均呈现完全缺氧的状态。在夜间曝气模式下，底层水体先于每天0:00达到最低值，而后在曝气的作用下不断上升，于次日6:00达到较高值，为1.56～3.23 mg·L-1。当夜间曝气结束后，溶解氧含量又略有下降。相比无曝气和日间曝气，夜间曝气模式下每个监测周期清晨底层水体并不会出现完全缺氧的状态，但底层水体昼间溶解氧能够达到的最高值低于无曝气和昼间曝气。

图2 夏季不同曝气模式下水体表层和底层溶解氧日变化特征

2.2 冬季

在气温、水温较低的冬季，渔潭前河表、底层水温在不同曝气模式下的日变化趋势较为相似，也呈现为日间上升、夜间下降。但在实验期间，无曝气水体水温有所下降，日间和夜间曝气水体水温则上升。相比夏季，冬季表、底层水温的差异并不明显(图3中a和b)。3种曝气模式下水体pH值日变化趋势差异较明显，但同一模式下表、底层水体pH值日变化趋势较为相似(图3中c和d)。

图3 冬季不同曝气模式下水体温度和pH的日变化特征

在无曝气模式的自然复氧条件下，冬季表层水体溶解氧的变化趋势和夏季相似，呈现日间上升、夜间下降，为1.75～6.35 mg·L-1。虽然冬季水体溶解氧最高值低于夏季，但最低值则比夏季高。在日间曝气模式下，表层水体溶解氧含量变化幅度仍较大，为2.1～6.4 mg·L-1。虽然夜间停止曝气后表层水体溶解氧浓度也有所下降，但与夏季不同，此时仍保持在3～4 mg·L-1的有氧状况。在夜间曝气模式下，水体溶解氧含量大部分时间处于4 mg·L-1以上，且此模式下溶解氧含量的昼夜变化较小(图4中a)。

图4 冬季不同曝气模式下水体表层和底层溶解氧日变化特征

底层水体溶解氧浓度在无曝气模式下保持在1.28～2.23 mg·L-1的较低水平，且波动幅度较小，没有表现出明显的昼夜变化。在日间曝气模式下，底层水体溶解氧含量有了较为明显的提升，为3.3～7.1 mg·L-1。呈现出与表层水体相似的日间上升、夜间下降趋势，且出现了底层水体溶解氧含量高于表层水体的现象。与夏季不同，夜间底层水体溶解氧浓度也能维持在4～5 mg·L-1的有氧状态。而在夜间曝气模式下，底层水体溶解氧浓度与表层水体相似，昼夜变化幅度较小，到实验的第3 d溶解氧的日平均值达到5.2 mg·L-1。

3 讨论

在河流、湖库等地表水体的修复中，曝气是应用最为广泛、效果最为显著的治理技术[12]。但目前对人工曝气复氧与水体的自然复氧之间的关系了解得还不深入，两者叠加是形成增益还是存在拮抗的效果并不明确。特别是在地表水的水-气交换复氧、水中各类植物的光合作用增氧以及全体生物的呼吸作用耗氧等过程的共同作用下，自然状态下水体表、底层溶解氧含量均存在明显的昼夜变化[13-15]。这就为人工曝气的精细化应用提出了新的问题，即在日间光合作用较强、自然增氧显著的情况下，人工增氧对水体溶解氧含量提升的贡献度有多大？而在夜间没有光合作用增氧、水体以耗氧过程为主的情况下，人工增氧又会如何改善水体的环境[9]。

为解答这些问题，通过对日间、夜间曝气的复氧效果的比较，发现在日间曝气的条件下，夏季表、底层水体溶解氧浓度尽管得到一定的补充，但经过一夜的消耗后，次日清晨水体溶解氧含量剩余较少。表明夏季高温环境下日间曝气所补给的氧气可能仍然不能满足河流水体夜间代谢对氧的需求。而通过夜间曝气对水体溶解氧的影响研究显示，夜间曝气可以有效提高夏季夜间表、底层水体的溶解氧水平。结合夏季日间较为活跃的光合作用增氧，能够使水体在1个昼夜周期内始终保持较为充足的氧环境，这对河流生态系统的维持和恢复具有重大意义[11,13]。

而在冬季的自然条件下，由于水温较低，水生生物代谢强度明显下降，耗氧量较少。同时，冬季昼夜较大的温差变化也使夜间表、底层水体交换加强，因此，表、底层水体溶解氧在经过夜间消耗之后均仍有一定量富余。在此基础上，日间曝气充氧在白天进一步增加了水体表、底层的溶解氧含量，最终使水体在夜间仍然维持较高的溶解氧水平。而夜晚周期结束后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，从而持续满足该河流水生生态系统全天的溶解氧需求。冬季夜间曝气同样对表、底层水体产生了较好的复氧效果。因此，可以认为在冬季期间，日间曝气和夜间曝气模式的增氧效果都能够满足提高水体溶解氧水平、改善水生态的要求[16]。

此外,本研究还发现曝气对水体的复氧效果存在一定的滞后性。当曝气开启后，水体扰动首先对表层水体产生较大影响，随后造成表、底层水体的混合，此时往往随着底层低含氧水体混入而出现表层水体溶解氧下降的现象。而扰动造成表层厌氧底泥中较轻的物质进入水体，会使得水体透明度急剧下降，并进一步增加水体耗氧量。而有时当曝气结束一段时间后还会出现表层溶解氧低于底层的现象，这也为深入研究曝气复氧的立体效果提出了新的课题。

在以往对于曝气技术如何应用的研究中，多关注曝气装置开启后对于水体溶解氧水平的即时改善情况，而较少考察在长期曝气应用中与水体自然复氧过程的耦合效果[3,17]。特别是当考虑到长期曝气所消耗的大量电能，如果能够将人工曝气和自然复氧能力(节律)相结合，将可能在提高曝气增氧效果的同时降低能耗。本研究结果表明，同样强度、频次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显著的差异，这是和自然状态下水体复氧的过程密切相关的[18]。通过对表、底层溶氧量日变化的跟踪监测，揭示了在夏季高温条件下的夜间曝气对于水体保持较健康的氧环境的重要性。将日间和夜间曝气合理搭配，不仅能够更加有效的达到增氧的目的，同时也能够节约曝气中的能源和用电开支。后续还需要结合新型传感器技术、大数据分析技术等，针对曝气节律的最优设置、曝气装置的最佳布局展开深入研究，以更好地发挥曝气这一技术在水生态修复中的作用[19]。

4 小结

无曝气模式下河流溶解氧含量呈现出显著的昼夜变化。夏季高温时期日间自然复氧较强，但夜间耗氧显著，导致清晨水体呈缺氧状态；冬季低温时期虽然日间自然复氧较弱，但夜间溶解氧消耗水平也显著下降，水体反而缺氧不严重。

相比无曝气状态，日间曝气对表层水体溶解氧含量的提升不明显，但能一定程度改善底层水体的氧环境；夜间曝气则能在夜间自然复氧较弱时间段向水体供氧，结合日间的自然复氧，使水体全天保持较高的溶解氧水平。

在自然复氧节律基础上合理搭配日、夜间曝气，将能以更低的能耗获得更加高效的增氧效果，从而提升河流水质，保障水生生态系统健康。