噴泉水景的復氧與控藻能力研究

海繼平,楊成建

(1.西安美術學院 建筑環境藝術系，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

目前，景觀水體(如湖泊、人工湖、護城河)已成為城市風景建設的重點內容，為了滿足人們的親水需求，噴泉已成為人們最喜愛的水景設施之一，噴泉水景動感優美，氣質磅礴，已被大量的應用于城市景觀水體，有的已成標志性景點[1].噴泉水景具擾動強度大、壓力大、水交換量大、曝氣量高等特點，在改善水體水質方面也具有廣闊開發與應用前景，如破壞水體分層，揚水曝氣及破碎藻細胞等[2]，鐘建紅等[3]認為噴泉曝氣改善河湖水質具有一定的可行性，陳飛星等[4]也發現噴泉對湖泊的增氧效果較為明顯.但是，在噴泉的設計與施工過程中，往往以追求景觀效果為主，忽視了其改善水體水質的功能，更遺憾的是，有關噴泉改善水體水質的研究，大部分停留在理論與定性分析，噴泉復氧能力到底有多大？擾動強度有多高？對藻類生長是抑制？還是促進？去除率到底有多高？”等問題，均亟待進一步挖掘.為此，本文以常規的曝氣復氧為類比對象，通過室內模擬實驗分析了噴泉水景的復氧能力，同時，研究了噴泉對銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)(為我國淡水湖泊中常見的水華藍藻)的抑制能力，以期為合理設計噴泉水景實現其景觀效果與改善水體水質的“雙贏”目標提供理論參考與數據支持.

1 材料與方法

1.1 噴泉復氧實驗

1.1.1 實驗裝置

曝氣復氧與噴泉復氧的實驗裝置如圖1所示，(a)為曝氣復氧，(b)為噴泉復氧.曝氣復氧實驗時，曝氣流量設500 L/h、750 L/h、1 000 L/h、1 250 L/h、1 500 L/h 5個梯度，曝氣反應器中水的體積為10 L，每1 min讀取一次溶解氧量和溶解氧飽和度，測量水溫，并記錄.噴泉復氧實驗時，噴水壓力設25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa 5個梯度，有機玻璃容器中的水體積為10 L，每5 min讀取一次數據，測量水溫，并記錄.

圖1 復氧實驗裝置簡圖Fig.1 Reoxygenation experiment apparatus sketch

1.1.2 實驗方法

復氧前，用無水亞硫酸鈉和催化劑氯化鈷對蒸餾水進行脫氧，將溶解氧含量降低至接近零；通過反復實驗發現，當水亞硫酸鈉和氯化鈷在投加量分別為0.6 mg/L和1.1 mg/L時，可將水中溶解氧含量降低至零.溶解氧測定儀在測前需輸入所處環境的大氣壓，可測出所測溶液中的溶解氧含量及所處溫度和大氣壓條件下的飽和溶解氧(Cs)以及此時的飽和度.由于實驗水樣體積較小，加上紊動劇烈，因此，可以認為測定時水樣是完全混和的，并從反應器中部1/2深度處取樣.研究表明，氧傳質能力可以用氧總轉移系數KLa和復氧能力OC進行表征[5]，氧傳遞基本方程式如下：

(1)

積分得：

(2)

KLa(20)=KLa(T)×1.024(20-T)

(3)

式中:T為實驗時的水溫，℃；KLa(T)為水溫為T時測得的總傳遞系數，S-1；KLa(20)為水溫為20 ℃時的總傳遞系數，S-1.復氧能力OC是指在標準狀態測試條件下，單位時間向溶解氧濃度為零的水中傳遞的氧量，其公式為

OC=(CS(標)-C0)V

(4)

式中，OC為標準條件下的充氧能力，kgO2/min；V為曝氣池體積，m3；CS(標)為20 ℃水中飽和溶解氧濃度，mg/L.

動力效率的計算公式為

(5)

式中，E為動力效率，kgO2/kW·h，N為復氧所消耗的功率，kW.

1.2 噴泉控藻實驗

1.2.1 實驗材料

銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)，來源于中國科學院水生生物研究所，用 BG-11培養基進行培養[6]，在光照度3 000 lx，25 ℃恒溫條件下培養7 d左右，使藻密度大于1.8×106cells/mL，備用.

1.2.2 實驗方法

實驗前將圖1(a)中的有機玻璃容器、噴頭、潛水泵，經高壓滅菌鍋高溫滅菌15 min后，備用(溫度80 ℃，相對蒸汽壓力0.085 MPa).實驗在自制的人工氣候箱內進行，并控制一定的光照和溫度條件，光源為日光燈冷光源.實驗時，先用紫外燈對人工氣候箱進行殺菌，將銅綠微囊藻細胞懸液10 L，移入圖1(b)的噴泉復氧反應容器中.啟動潛水泵，噴頭噴水，將管內壓力分別控制在25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa 下，每12 h取1次水樣，取樣位置為水體表層下3 cm處，測定水樣中活體藻細胞濃度與葉綠素a含量，并設置對照組.活體藻細胞濃度采用顯微鏡與血球計數板測定，葉綠素a含量采用乙醇萃取-分光光度法測定[7].

1.2.3 控藻效果評價指標的選取

許多研究通常采用處理前后藻懸浮液吸光度值、藻密度或葉綠素a的“去除率”表征超聲對藻類作用的效果[8]，去除率能夠比較直觀的表征藻類的作用效果，但其將藻細胞濃度視為靜止不動的，而實驗時藻細胞往往處于對數生長期，在實驗培養過程中，藻細胞增量是相當大的，計算噴泉控藻效果時應該考慮這部分的值.因此，本文采用控藻率η(%)來表征噴泉控藻效果，在對照組與實驗組初始藻密度一樣，培養條件相同的前提下，按照式(6)計算η，控藻率與去除率的主要區別在于將藻密度初始值用同時刻對照組的藻密度代替了其自身的初始值.

(6)

式中:CNn為對照組第n次測定時的藻密度，cells/mL；TNn為實驗組第n次測定時的藻密度，cells/mL.

2 實驗結果與分析

2.1 噴泉的復氧能力

就水體凈化的機理來講，無論是常規的生物處理技術，如活性污泥、好氧生物接觸、揚水曝氣等，還是生態處理技術，如氧化塘、人工濕地等，溶解氧都是整個反應系統中最重要的控制條件之一，而溶解氧的控制往往通過人工曝氣來實現，如鼓風曝氣、射流曝氣等[9].因此，本文以常用的鼓風曝氣為對比，研究噴泉的復氧能力.在實驗曝氣量為500 L/h、750 L/h、1 000 L/h、1 250 L/h及1 500 L/h的情況下，水體溶解氧飽和度與復氧時間的關系見圖2(a)，在噴泉壓力為25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa的情況下，水體溶解氧飽和度與復氧時間的關系見圖2(b)；由圖2可知，復氧過程中溶解氧含量先急劇增加，接近飽和溶解氧90 %時，再緩慢增加，直至平衡，曝氣復氧和噴泉復氧分別在5 min和15 min左右時達到緩慢增加段，因此，就復氧速度而言，曝氣復氧約為噴泉復氧的3.8倍；同時，曝氣復氧和噴泉復氧的復氧速度分別與曝氣量和噴泉壓力成正比；曝氣復氧時，當通氣流量為1 500 L/h時，在4 min便可將水中溶解氧的含量提高到飽和溶解氧含量的90 %，而通氣量為500 L/h時，則需9 min才可以達到接近飽和；同樣，噴泉復氧時，當噴泉壓力為45 kPa時，在8 min便可將水中溶解氧的飽和度達為90 %的水平，而噴泉壓力為25 kPa時，則需35 min以后才可以達到接近飽和.表1為兩種復氧方式的KLa、KLa(20)及OC，由表1可知，在曝氣量為500～1 500 L/h的情況下，曝氣復氧的KLa(20)和OC分別在0.736 6～1.427 1/min和0.065 9～0.127 7 kgO2/min之間，平均值分別為1.036 7 /min和0.093 0 /min；在噴泉壓力為25 ～45 kPa的情況下，噴泉復氧的KLa(20)和OC分別在0.173 1～0.554/min和0.014 8～0.047 3 kgO2/min之間，平均值分別為0.327 1 /min和0.028 1 /min；曝氣復氧的氧傳質能力約為噴泉復氧的3.2倍.

圖2 兩種復氧方式下溶解氧飽和度與復氧時間的關系Fig.2 The relationship between dissolved oxygen saturation and time under two differ reoxygenation modes

曝氣復氧Q/L·h-1T/oCCs/mg·L-1KLa(T)/min-1KLa(20)/min-1OC/kgO2·min-1E/kgO2·kWh-150018.29.410.705 80.736 60.065 93.9575018.09.450.851 10.892 60.080 44.82100 018.29.410.925 20.965 60.087 25.23125 018.49.371.118 21.161 50.103 86.23150 018.59.361.377 21.427 10.127 77.66噴泉復氧P/kPaT/oCCs/mg·L-1KLa(T)/min-1KLa(20)/min-1OC/kgO2·min-1E/kgO2·kWh-12517.59.550.163 10.173 10.014 817.763017.59.550.211 50.224 40.019 119.103517.59.550.283 90.301 20.025 720.564017.89.490.371 90.391 80.033 420.044523.48.510.590 60.544 80.047 321.83

噴泉的復氧過程包括2個部分：一是水柱在噴入空中、落回水體過程中的復氧，以及發散水滴在空氣中運動過程中的復氧，胡立舜等[10]認為當噴泉壓力越大，水柱噴射越高，發散水滴越多，水滴粒徑越小，水滴在空中運行的速度也越慢，水滴與空氣接觸復氧的時間也越長，同時，單位水體與空氣接觸的比表面積也增加，也會使得氧傳質系數KLa值增大；二是噴泉引起的水體紊動復氧，首先，水柱回落水體時會引起水體紊動，促進大氣復氧，這類似表面曝氣，其次，水泵抽吸作用對水體產生擾動，引起大氣復氧，同時，水泵循環提水也有效的破壞了水體分層，強化混合作用，提高氧傳質能力.通過前述的比較可知，曝氣復氧的氧傳質能力要大于噴泉復氧，這可以用氧傳質的菲克(Fick)定律加以解釋[5]，該定律認為，氧的傳質速率主要決定于氣液界面積A和氧濃度梯度dC/dX.根據方立軍等[11]對內螺紋霧化噴泉噴頭液滴顆粒數、水滴粒徑等的研究及Fayolle等[12]采用水下照相機對微孔曝氣盤氣泡個數、氣泡等效直徑等的統計分析，可以推算，在霧化噴頭壓力為45 kPa、流量為0.083 L/s，微孔曝氣盤曝氣量為1 500 L/h時(這些參數與本研究接近)，曝氣復氧的界面面積明顯大于噴泉復氧，約為噴泉復氧的2.21～7.17倍.同時，曝氣復氧時，氣泡中的壓力大于大氣壓，也就是說相對于噴泉復氧時的大氣中氧濃度C而言，曝氣復氧時氣泡中的氧濃度C要大，從而濃度梯度dC/dX也要大些；此外，李然等[13]認為水體的紊動能減少液膜的厚度dX，增強氧傳質.在進行曝氣復氧時水體中的氣泡存在變徑、上升、碰撞、凝并及破碎等復雜的運動，這引起的氣液界面擾動必然大于水滴單純在空中運動所引起的氣液界面擾動，從而表現出更大的氧傳質能力.

2.1 噴泉的控藻能力

在不同噴泉壓力作用下微囊藻生長的藻密度和葉綠素a含量變化見圖3和圖4.噴泉處理后，實驗組微囊藻生長的藻密度和葉綠素a含量逐漸減少；在25 kPa、30 kPa、35 kPa壓力下，噴泉處理35h后，藻密度和葉綠素含量又開始逐漸增加，在60 h時接近初始量；而在40 kPa、45 kPa壓力下，藻密度和葉綠素a含量一直呈現減少的趨勢，45 h后達到平衡，藻密度和葉綠素a含量分別約為5.0×105cells/mL和0.1 mg/L，且壓力越大藻密度和葉綠素a含量越低.由此可知，噴泉作用對水體微囊藻的生長起到很好的抑制作用，由圖5可知，在25 kPa、30 kPa和35 kPa壓力下，控藻率呈現先增加，后減少的趨勢，最大控藻率為32%、39%和47%，而在40 kPa和45 kPa壓力下，控藻率先增長后達到平衡，最大控制率在80%左右.這再次說明噴泉的控藻能力與噴泉壓力成正比，由于實驗時的微囊藻處于對數增長期，具有較強的自我恢復能力[6]，在噴泉壓力低時，藻細胞生長在短時間內受到抑制，但很快能恢復生長；而噴泉壓力較高低時，噴泉能持續抑制藻類生長，且無法恢復；就是實際噴泉工程而言，管內壓力一般在400 kPa以上，擾動強度也遠大于實驗條件，因此，噴泉水景完全能有效控制景觀水體藻類繁殖，達到防治景觀水體藍藻水華的目的.

圖3 在不同噴泉壓力作用下微囊藻生長藻密度變化Fig.3 Change of algal density of algal blooms ofMicrocystis sp. under effect of fountain with different pressures

圖4 在不同噴泉壓力作用下微囊藻葉綠素a含量變化Fig.4 Change of chlorophyll a of Microcystis sp. under effect of fountain with different pressures

圖5 不同噴泉壓力作用對微囊藻的控藻率Fig.5 Algae control rate of Microcystis sp. under effect of fountain with different pressures

噴泉對微囊藻的控藻作用，主要是基于噴泉的擾動作用及噴泉管內的壓力破藻作用[2].噴泉揚起的水柱下落后對周圍體產生的強大擾動作用，噴泉壓力越大擾動強度越高.微囊藻一般生活在相對靜止的表層水體(水深約10 cm左右)，噴泉形成的強大表面擾動勢必會影響到藻類的生長.Hondzo等[14]認為一定程度的紊動會造成綠藻葉綠體和尾脊的缺失，導致細胞破壞和生長抑制；張冰等[6]發現，水體擾動強度大于400 r/min時，會對微囊藻構成機械損傷.此外，微囊藻主要由藻細胞氣囊( gas vesicle)提供浮力，使之能長時間停留于水體表層光照區，獲得生長繁殖的機會，微囊藻氣囊能承受0.4～0.7 MPa 的外部壓力，當壓力超過這一壓力時，氣囊將不可逆轉地破裂，從而使藍藻失去浮力而下沉[15].在本研究中，噴泉壓力大于0.04 MPa時，微囊藻細胞出現了大量下沉現象，這可能是噴泉管道內壓力與高強度擾動共同作用的結果.目前，去除藍藻的技術比較多，如化學除藻、超聲波除藻等，雖然這些技術的除藻效率比較高，但這些技術均會不同程度的引起藻細胞破裂，藻細胞內的藻毒素和藻液會泄漏到水中；而噴泉的擾動作用和壓力作用，只會引起微囊藻藻細胞聚集形態損傷及內部氣囊的破裂，避免了藻毒素和藻液的外泄[16].此外，有研究表明，在超聲、壓力作用后[15,17]，在一定的光照和營養條件下，藍藻細胞具有一定的自我修復能力，有的甚至能恢復到破損前的水平；在本研究中，噴泉作用后微囊藻藻細胞的自我修復情況還有待進一步研究，但是在實際工程中，噴泉往往安裝在一定水深的景觀水體中，藍藻細胞受損后會沉到水底，光照水平會嚴重受限，很難實現自我修復.

綜上所述，噴泉不但具有很好的景觀效果，而且在景觀水體的復氧修復、抑制水華及破壞水體分層、改善底泥環境等方面有著不可忽視的作用.盡管如此，有關噴泉在景觀水體修復方面的研究，還需進一步跟進，如噴頭選型、水泵及管道安裝與復氧的關系，噴泉作用下水體底泥環境的變化及藻類沉降與上浮規律，噴泉作用后藍藻氣囊及活性變化規律，噴泉作用下藻類與對光照和溫度的響應，以及噴泉在改變河道流態和控制水流速度等方面的作用，噴泉作用與水幕、跌水、涌泉等其他水景的耦合關系，等等.

3 結論

(1)在實驗條件下，噴泉壓力為25 ～45 kPa時，作用15 min后，噴泉能將能將水體中溶解氧含量接近飽和溶解氧90 %，噴泉復氧的KLa(20)和OC平均值分別為0.327 1 / min和0.028 1/ min；曝氣復氧的氧傳質能力約為噴泉復氧的3.2倍，這是由于曝氣復氧的氣液接觸面積大于噴噴復氧，同時，曝氣復氧的氣液界面的紊動性要大于噴泉復氧.

(2)噴泉能抑制水體微囊藻的生長，壓力越大，抑制作用越強，在40 kPa、45 kPa壓力下，最大控制率達到了80 %以上，且能持續抑制藻類生長，無法恢復；噴泉的控藻作用主要是基于噴泉的強大擾動作用及噴泉管內的壓力破藻作用.

(3)實際噴泉工程不但具有很好的景觀效果，而且在景觀水體的復氧修復、抑制水華及破壞水體分層、改善底泥環境等方面具有重要作用，隨著噴泉工程在景觀水體的廣泛使用及噴泉控藻機理、復氧規律、噴泉工程設計優化等的進一步研究，噴泉將在景觀水體質穩定及河湖富營養化控制方面發揮更大的作用.