4種景觀水體太陽能推流方式復氧效果研究

摘要以非晶硅太陽能電池板為太陽能動力，以南方某社區典型景觀水體為對象，開展水池靜態試驗，研究了4種不同太陽能推流方式：水下30 cm水平推流、水下5 cm（水面）水平推流、水下5 cm（水面）向上推流和在推流器葉輪后方安裝進氣管推流對景觀水體的復氧效果。研究結果表明：在推流器葉片后端安裝進氣管的推流方式的復氧效果優于其他3種方式，水面向上推流優于水面水平推流，水下推流對溶解氧的提高作用最小，但卻能最大范圍內擾動水體，改善水體流場環境。

關鍵詞太陽能；推流方式；景觀水體；復氧效果

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）24-08255-03

Study on Reoxygenation Effect of Four Solar Energy Push Flow Modes in Landscape Water

ZHAO Jingjing， GAO Jingsi et al（College of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou， Guangdong 510006； Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology， Shenzhen， Guangdong 518055）

AbstractTaking amorphous silicon solar cells as solar power and a typical southern landscape water as study object， reoxygenation effect of four different solar energy push flow modes were researched. The four modes including horizontal push flow 30 cm under the water surface， horizontal push flow 5 cm under the water surface， upward push flow 5 cm under the water surface， installing a intake pipe behind the vane of the mixer. The results indicated that installing a intake pipe behind the vane of the mixer is the most effective mode， and then the surface upward push flow is better than the horizontal push flow. Horizontal push flow 30 cm under the water surface is the most useless mode for dissolved oxygen improving， but very effective in improving the hydrodynamic environment of landscape water.

Key wordsSolar energy； Push flow mode； Landscape water； Reoxygenation effect

近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市景觀水體普遍受到了不同程度的污染[1]，景觀水體修復已經成為很多城市進一步發展的必要保障。但由于受到基建成本高、能耗大、運行成本高等問題的制約，傳統修復效果較好的景觀水體修復技術，如揚水曝氣、水力循環、推流復氧等的應用情況并不樂觀，很多高端水景出現水體修復設施停用的現象[2]。為此，國內多名學者專家提出應用太陽能為水體修復裝置提供動力能源，進而在無運行成本的情況下實現水體修復的設想。魯巍等[3]以東莞松山湖水庫建立了以太陽能為動力能源的高效水力循環裝置用以改善水體。結果證明，水力循環混合能夠抑制底泥中磷的釋放，改善藻類組成結構，降低藻類豐度；徐國梁等[4]以中國計量學院景觀水日月湖為研究對象構建了太陽能生物浮島，結果表明應用循環推流能有效提高水體溶解氧，抑制藻類生長。王文林等[5]在重污染河道張家港市花園浜河中，引入太陽能曝氣裝置，探討對水體的改善效果，證明其能夠明顯改善水體底層溶解氧和水體透明度，主要污染物指標也同時得到不同程度的去除。

筆者欲在上述研究的基礎上，開發一種針對小型景觀水體的太陽能復氧裝置。考慮其生產和運行維護成本，該裝置采用自動控制方式將太陽能板與推流器直接連接，全身防水維護簡單。為保障其實現最佳復氧效果，特對4種可選用的不同推流方式進行比較研究，并進一步探討其對水質的改善效果和改善機理。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1太陽能電池板。太陽能電池板選擇深圳市萬業隆實業有限公司生產的低阻PVP封裝-7W非晶硅太陽能電池板，每8塊并聯起來成一組，總計兩組，每組輸出總峰值功率為56 W，可連接一臺功率為50 W的直流推流器，水平放置于陽光下，周圍無遮擋。采用萬用表測定單組太陽能輸出功率在午間太陽輻射最強時段平均可達到66 W，能夠實現正常供電。

1.1.2推流器。推流器選擇深圳市中科世紀科技有限公司生產的50 W造浪泵2臺，其中一臺可在葉片后方安裝進氣管，與太陽能電池板直接連接，設置啟動電壓為8 V，隨太陽輻射強度自動控制開關。

1.1.3測試水池。試驗水池采用了4個長×寬×高=4.8 m×1 m×1 m的有機玻璃和PP材質水池，兩個有機玻璃水池編號為1#和2#，兩個PP材質水池編號為3#和4#，前者透光性較好，理論上更適合藻類生長；后者四周遮光，能夠更真實地模擬實際水體情況。

1.1.4試驗水源。采用南方某社區典型景觀湖的湖水為試驗水源，其主要水質指標情況如表1所示。

表1原水水質指標

檢測指標單位變化范圍平均葉綠素aμg/L8.36～8.928.89溶解氧mg/L6.86～8.187.64TOCmg/L6.14～6.286.19濁度NTU2.96～3.753.28

1.2方法

1.2.1檢測指標及檢測方法。研究溶解氧和溫度采用哈希HACH HQ10便攜式溶解氧儀檢測，pH采用HACH Sension 3 pH計檢測，濁度采用HACH 2100P便攜式濁度儀檢測，TOC采用TOC儀（Shimadzu TOCV csh/csn）檢測，葉綠素a采用浮游植物熒光分類儀（德國WALZ，PHYTOPAM）檢測，太陽輻射強度采用FYP01太陽輻射計檢測。

1.2.2試驗工況。將試驗水池放置于景觀水體邊，用水泵抽取人工湖湖水作為試驗水源，分別考察4種不同推流方式的復氧效果：①水下30 cm水平推流；②水下5 cm（水面）水平推流；③水下5 cm（水面）向上推流；④在推流器葉輪后方安裝進氣管推流。1#和3#水池為試驗水池，2#和4#水池為對照水池，定義試驗水池與對照水池的溶解氧濃度差（C試驗-C對照）為ΔC，并用該指標作為復氧效果的評價標準，分別測試4種推流方式的復氧效果，同時可開展兩組試驗。推流器定于每日早上9：00啟動，每日8：30在推流器未啟動時檢測水體背景值，運行時間分連續24 h運行和48 h運行兩種。

1.2.3監測點及監測頻率。以推流器出水口為I號點，沿水池長度方向均勻設置5個監測點（I、II、III、IV、V），試驗時間定于每天9：00啟動，24 h試驗分別于啟動后0 h、1 h、3 h、6 h、10 h、24 h進行溶解氧濃度監測，48 h試驗分別于啟動后0 h、1 h、3 h、6 h、10 h、24 h、25 h、27 h、30 h、34 h和48 h進行溶解氧濃度監測，試驗完成后在0 m、2.4 m和4.8 m 3個監測點采集水樣檢測葉綠素a、濁度和TOC，取平均值進行比較。

2結果與討論

2.14種推流方式復氧效果比較圖1為4種推流方式啟動后試驗組與對照組溶解氧濃度差值ΔC在24 h內隨時間的變化比較圖。從圖中可以看出，9：00設備開啟后，隨著時間的推移，4種推流方式都具有不同程度提高溶解氧的功能，以推流方式4在推流葉輪后安裝進氣管的推流方式復氧效果最佳，運行6 h后可提高水體溶解氧2 mg/L；之后ΔC開始逐漸下降，至運行10 h時，除推流方式4外，其余3種方式的ΔC全部降至0 mg/L以下，表明進入夜間，推流后水體的溶解氧低于未推流水體溶解氧。推測其原因有兩種可能性，其一是日間溶解氧的提高及推流擾動增加了耗氧污染物的降解速率，導致水體耗氧速率增加，日間推流作用對溶解氧的提升能夠補充這部分消耗而維持試驗組溶解氧高于對照組，進入夜間后，推流的復氧作用消失，兩者之間的溶解氧差異便顯現出來；其二是試驗組的藻類濃度高于對照組，而藻類夜間的呼吸作用導致了溶解氧下降。在后續主要水質指標的分析中會進一步分析這一問題。

圖14種推流方式復氧效果比較圖2～5為4種推流方式啟動后距離推流器不同距離處的ΔC變化趨勢及太陽輻射強度隨時間的變化規律圖，1、2組連續監測48 h，3、4組由于天氣原因連續監測24 h。可以看出，ΔC的大小與太陽輻射強度的變化呈明顯正相關，距離推流器安裝位置越遠，復氧效果越差，4種推流方式從1～4復氧效果的范圍依次擴大，推流方式1運行的水池中，4.8 m處的ΔC始終小于0 mg/L，證明該處溶解氧始終低于對照值；推流方式2和推流方式3在3.6 m和4.8 m有一定的復氧效果，但弱于推流方式4，由此再次證明4種推流方式中，第4種在推流器葉片前安裝進氣管的復氧效果最好。

圖2推流方式1～48 h運行ΔC及太陽輻射強度變化圖3推流方式2～48 h運行ΔC及太陽輻射強度變化圖4推流方式3～24 h運行ΔC及太陽輻射強度變化圖5推流方式4～24 h運行ΔC及太陽輻射強度變化2.2不同推流方式對主要水質指標的影響分析圖6為4種推流方式連續24 h運行后葉綠素a和總有機碳（TOC）的平均濃度圖，可以看出推流方式1和推流方式2的葉綠素濃度顯著高于推流方式3和推流方式4。分析其原因，1、2兩種推流方式采用水平推流，根據實驗過程中觀察的水體流動情況來看，兩者能夠有效改善水體的水動力環境，提高水體的流速。近年來廣泛開展了關于流速對藻類生長的研究，梁培瑜等[6]指出流速對于藻類的生長聚集和分布有著十分明顯的影響，并且還能夠影響水體的營養物質和優勢藻的種類；王建慧等[7]分析了不同的流速下藻類生長的情況，綜合分析得出北京地區以藍藻為主的水體當流速<7 cm/s時并不能抑制藻類成長，反而促進了藻類生長。黎佛林等[8]研究得出流速是影響硅藻生長的主要因子，雷諾數和流量是次要因子；王藝兵等[9]研究表明水動力對藻類的生長的確有影響作用，但是抑制和促進藻類的生長方式以及臨界閾值并沒有得到統一的結論。相關研究表明，水深不超過10 m，平均流速小于0.05 m/s，是適宜的水文條件[10]；Mitrovic[11]等研究發現水庫中的項圈藻暴發的臨界流速為0.05 m/s，Escartin[12]等的室內實驗證明，要破壞藻群結構，水流速度必須達到0.10 m/s。由此可見，平均流速小于0.05 m/s，適宜于藻類生長，超過0.10 m/s則不利于生長[13]。因此，可以推測推流器的推流作用在一定范圍內改變了水體流速，進而促進了藻類的生長，而藻類濃度的升高進一步導致了夜間呼吸作用對溶解氧的消耗，這與前文分析得出的結論是一致的。

另一方面，從TOC的數據來看，幾種推流方式對TOC的去除作用并不明顯，推流方式1對TOC的去除率最高，約21%。這主要與幾種推流方式對水體的擾動程度有關，推流方式1擾動覆蓋的水量最大，推流方式2和4以表層水為主，前者僅推流，后者推流混合曝氣。由此可以推測水體的擾動狀態有利于有機污染物的去除。

圖64種推流方式對主要水質指標的影響分析2.3最佳太陽能推流方式選擇策略綜合以上結果，最佳太陽能推流方式的選擇應該首要考慮其實施目的。如果以提高溶解氧為目標，則推流方式4為最佳選擇，根據O’ConnorDobbins復氧速率公式可知水體復氧速率與V0.5成正比[11]，也即當水體流速提高一倍時，其復氧速率僅能提高40%左右。由于太陽能推流器的功率十分有限，相對于實際水體而言，其僅能提高局部流速，而無法全面提升流速，因此，其對溶解氧的提高作用在理論上就非常有限。在這種情況下，在推流器葉輪后面安裝進氣管，通過葉輪轉動形成的負壓將空氣有效融入水中能夠更進一步提高復氧效果。

但在實際應用中，太陽能推流器往往不單獨使用，如結合生物浮床技術或其他水質凈化技術，這種情況下，提高溶解氧往往只是目的之一，更重要的目的是改善水體水動力環境，提高水體擾動效果，促進水體通過處理裝置，那么推流方式1水下30 cm水平推流無疑會成為更好的選擇，但具體的安裝深度和功率還需要根據實際水體情況做出相應調整。

3結論

4種太陽能推流方式均能夠在太陽輻射達到一定值后有效提高水體溶解氧濃度，其中推流方式4在推流器葉輪后面安裝進氣管的方式對溶解氧的提高效果最好；推流的擾動作用在一定范圍內可能會促進藻類的生長，藻類的生長會在夜間通過呼吸作用進一步消耗溶解氧，導致推流之后的水體溶解氧低于對照值；4種推流方式都能改善水體的水動力環境，提高水體的流速，其中推流方式1水下30 cm水平推流的效果最為明顯，水體擾動會有利于有機污染物的去除。

42卷24期趙靜靜等4種景觀水體太陽能推流方式復氧效果研究參考文獻

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