晝間曝氣對河流的復(fù)氧效果淺析

鐘銘晨，吳繼業(yè)，王翠翠,3，商栩,3，趙靜巖，葛利云,3*

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2.溫州市龍灣區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 溫州 325000； 3.浙南水科學(xué)研究院，浙江 溫州 325035)

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口激增，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水大量排放，一些地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量不斷退化。其中，溶解氧缺失所帶來的水體黑臭、生境退化等問題尤為突出。溶解氧作為水環(huán)境的重要組成部分，是維系水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子，是衡量水體自凈能力的一項重要指標(biāo)[1]。水中的溶解氧通常來源于大氣中的氧氣和水生植物光合作用所釋放出的氧，除了被水中微生物的呼吸作用消耗外，也可通過水中還原性物質(zhì)的氧化分解消耗[2]。受污染水體往往表現(xiàn)為低溶解氧的狀態(tài)，由于其自我修復(fù)能力弱，最終會造成水生生物大量死亡、水體黑臭等[3]。因此，要改善水質(zhì)、恢復(fù)水生態(tài)，首要任務(wù)就是要提高水體中的溶解氧含量。河流曝氣技術(shù)作為一種常見的河流污染治理手段，投資少、見效快，近年來得到了廣泛應(yīng)用[4-6]，并發(fā)展出機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣、推流曝氣等技術(shù)[7]。曝氣裝置通過將氣體與水體相混合，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充，為好氧微生物創(chuàng)造了良好的活動環(huán)境。而且，曝氣還可以減少水體底泥帶來的污染，防止水體底部厭氧環(huán)境下黑臭、毒害物質(zhì)的形成。此外，曝氣過程中通過對水體的攪動，也可以將水中的雜質(zhì)用氣泡包裹起來，從而為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)。

目前，出于方便管理等原因考慮，采用較多的是晝間曝氣的模式。然而，水環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化[8]。太陽輻射的晝夜變化能夠引起水體中光合作用的變化，進(jìn)而導(dǎo)致溶解氧呈現(xiàn)出典型的晝夜變化。在這些曝氣設(shè)備僅晝間啟用的模式下，其對河流水體的復(fù)氧效果如何，是否能滿足晝、夜間水體對溶解氧的真實需求，相關(guān)的研究還比較少。同時，處于“能源時代”的我們，有關(guān)能源形勢的熱點問題也不得不讓我們關(guān)注到河流曝氣技術(shù)的能耗與效益平衡問題。為此，本研究以秋、冬兩季為背景，通過設(shè)置最常用的河流晝間曝氣模式，連續(xù)多日監(jiān)測河流表、底層溶解氧含量等指標(biāo)的變化規(guī)律，旨在探究晝間曝氣對河流的復(fù)氧效果，并進(jìn)行評價，為今后選擇合理、有效、經(jīng)濟(jì)的曝氣方案提供依據(jù)[9-10]。

1 材料與方法

1.1 研究河流概況

本研究所選擇的用于開展生態(tài)治理的河流位于溫州市甌海區(qū)仙巖街道魚潭前村，河流平均寬度約10 m，平均水深約1.8 m，總長度約500 m，總體流向為自東向西，并匯入溫瑞塘河主河流。河流兩岸有鄉(xiāng)鎮(zhèn)工廠20余座，村民生活污水排放問題未得到徹底解決，河流水質(zhì)狀況較差，具備典型的城鎮(zhèn)污染河道特征。靠近河流處有較明顯的臭味，近岸較淺處可見底泥呈黑色，表現(xiàn)出典型的缺氧特性。

1.2 曝氣復(fù)氧裝置與監(jiān)測點設(shè)置

在河流中建立噴泉曝氣機(jī)和微孔曝氣機(jī)2種曝氣復(fù)氧裝置，并設(shè)置曝氣時間為8：00—9：00、10：00—11：00、12：00—13：00、14：00—15：00、16：00—17：00。選取河流上游中心為監(jiān)測點，監(jiān)測點水深約1 m。

1.3 樣品分析

使用YSI EXO-2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀于2019年秋、冬季選擇3個連續(xù)晴天對采樣點表層、底層進(jìn)行現(xiàn)場原位測定，每日設(shè)置4個采樣時間，每個采樣時間之間相隔6 h，分別為6:00、12:00、18:00、0:00，獲取溫度(Temp)、溶解氧含量(DO)、pH、濁度(NTU)等參數(shù)。自然狀態(tài)與曝氣條件下采樣方法相同。此外，記錄監(jiān)測當(dāng)日氣象、日光照強(qiáng)度等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然狀態(tài)下水體溶解氧變化特點

連續(xù)監(jiān)測結(jié)果(圖1)顯示，秋、冬季自然條件下水體溫度和溶解氧含量的日變化呈現(xiàn)出一定的差異。在秋季，表、底層水體溶解氧量含量變化趨勢表現(xiàn)相似，在晝間持續(xù)上升，其中表層上升幅度較大，在18:00達(dá)到最高值。但經(jīng)過夜間水體代謝消耗，至第二日6：00時表、底層均接近無氧。在冬季，表、底層水體溶解氧含量日變化表現(xiàn)為不同模式：表層水體溶解氧含量呈現(xiàn)與秋季相似的日變化模式，晝間持續(xù)上升，至18:00達(dá)到最高值，次日6：00達(dá)到最低值，而底層水體溶解氧含量變化不明顯。

圖1 自然條件下水體溫度和溶解氧含量變化

2.2 曝氣對河流復(fù)氧效果的影響

曝氣對河流復(fù)氧的效果可以直觀或間接地反映在水體DO變化上。分別比較秋、冬季水溫和表、底層DO的變化(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)，曝氣條件下，秋季水體表、底層DO的日變化模式相似，但晝間表層水體DO高于底層1～2 mg·L-1，至次日6：00表、底層DO均趨近于0。在冬季曝氣條件下，水體表、底層DO變化模式更加相似，且時常出現(xiàn)底層略高于表層的現(xiàn)象。

對比自然和曝氣條件下河流水體DO的日變化特征(圖3)，在秋季晝間，曝氣對河流表層水體顯示出了一定的復(fù)氧效果。與自然條件下相比，午后的水體DO得到了0.9～2.2 mg·L-1的提升。但與自然條件下相似，河流表層水體在次日6：00表現(xiàn)為缺氧。底層水體表現(xiàn)出與表層同樣的規(guī)律，即曝氣使水體DO在晝間得到了一定的上升，但在夜間仍被水體代謝消耗殆盡。

圖2 晝間曝氣模式下水體溫度和溶解氧含量變化

圖3 晝間曝氣模式對水體溶解氧含量的影響

在冬季，當(dāng)河流開啟晝間曝氣后，表層DO提高較明顯，特別是夜間DO較自然條件下得到明顯提升。曝氣對水體底層DO的日變化規(guī)律也產(chǎn)生明顯影響，曝氣后，其變化趨勢與表層變化趨勢相近，且次日6：00水體DO較自然條件下有較大提升。

3 小結(jié)與討論

河流曝氣技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國不同污染程度河流的水體修復(fù)中，如果沒有對其使用方案進(jìn)行合理的設(shè)置，不僅難以達(dá)到水體修復(fù)的預(yù)期效果，同時其長期用電也會帶來一定的能源和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。因此，對河流晝間曝氣效果開展研究，了解水體不同水層在曝氣后的復(fù)氧狀態(tài)，可以為今后根據(jù)不同河流的實際情況制定更加優(yōu)化的曝氣方案、建立更加科學(xué)的河流環(huán)境修復(fù)技術(shù)體系提供依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示，在水-氣交換復(fù)氧、水中各類植物的光合作用，以及全體生物呼吸作用的共同作用下，自然狀態(tài)下水體表、底層溶解氧均呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化[11-13]。晝間隨著太陽輻射的增強(qiáng)，水生生物光合作用逐漸增強(qiáng)，水-氣交換復(fù)氧與水生植物產(chǎn)氧的速率大于水體中各類有機(jī)體呼吸作用消耗氧氣的速率，從而使水體中的DO提高，通常在午后(由于本研究選擇的時間點有限，故表現(xiàn)為18:00)達(dá)到最高值[14]。夜間，因為水生植物光合作用停止，而水體中的代謝耗氧過程仍在繼續(xù)，因此，水體DO逐步下降，并在次日上午8:00左右(由于本研究選擇的時間點有限，故表現(xiàn)為6:00)達(dá)到最低值。之后，隨著新的晝間周期的來臨光強(qiáng)增強(qiáng)而促使水體DO再次上升。

比較秋、冬季自然條件下的監(jiān)測結(jié)果，秋季水體晝間光合作用累積的氧氣在夜間幾乎被代謝消耗殆盡，尤其是在底層。這主要是因為底層較表層缺少氣體交換，并且底層水體接受陽光輻射困難，藻類數(shù)量少，本身在白天的補(bǔ)氧能力就弱，所能達(dá)到的峰值低；而夜間由于秋季水溫適宜，水體中有機(jī)物生命活動旺盛，無機(jī)污染物氧化反應(yīng)保持在較高水平，致使水體中的氧氣被大量消耗[15]。然而，在冬季水體DO表現(xiàn)不同。冬季水體DO受較低溫度的影響，水生生物光合作用產(chǎn)氧量降低，但耗氧能力也同樣減弱。同時，冬季DO變化還會受到自水體表層到底層溫度梯度的影響[10]。冬季空氣溫度較低，夜間表層水體水溫驟降，含氧量較高的表層水逐漸下沉，水體垂直交換加強(qiáng)，表、底層水體混合效果好，從而自上而下地對底層進(jìn)行補(bǔ)氧[8,16]。這一點從夜間水溫趨于一致上也可以看出來。因此，經(jīng)過一夜較弱的代謝消耗，水體表、底層均有相對秋季要高的DO，甚至底層的DO經(jīng)過一夜后反而得到了少量的提升。

在曝氣條件下，秋季表、底層DO相比自然狀態(tài)下都得到了一定的提升，但次日清晨水體DO同樣幾乎表現(xiàn)為零剩余，表明晝間曝氣所補(bǔ)給的氧氣仍然不能滿足河流水體夜間對氧的需求。因此，需要進(jìn)一步研究夜間曝氣模式是否能夠有效增加夜間補(bǔ)氧，從而滿足水體全天的溶解氧需求。在冬季，因為水溫較低，水體代謝強(qiáng)度明顯下降，耗氧較少。在此基礎(chǔ)上，晝間曝氣充氧進(jìn)一步增加了水體表、底層的DO。同時，結(jié)合表、底層水體DO變化，可以推測，由于曝氣造成底層水體DO上升，表、底水體DO差異變小，因而夜間表、底層水體交換中表層因補(bǔ)充底層氧氣所損失的氧量也變少，最終使水體仍保有較高的DO。相對充足的余氧量又為后一天開始的增-耗溶解氧循環(huán)提供了較高的起點，從而能夠持續(xù)滿足該河流水生生態(tài)系統(tǒng)全天的溶解氧需求。因此，在冬季期間，傳統(tǒng)的晝間曝氣模式的增氧效果已能夠滿足提高水體溶解氧水平、改善水生態(tài)的要求。本研究還發(fā)現(xiàn)，曝氣對水體的復(fù)氧效果存在一定的滯后性。當(dāng)曝氣運行時，水體擾動對表層水體產(chǎn)生較大影響，當(dāng)曝氣結(jié)束一段時間后，底層水體的溶氧量才得到提升，因而時常出現(xiàn)表層DO低于底層的情況，這可為曝氣復(fù)氧效果的動態(tài)研究提供幫助。

在目前關(guān)于曝氣技術(shù)的眾多研究中，關(guān)注的大多是曝氣裝置開啟時對于水體DO的即時改善情況。本研究結(jié)果表明，同樣強(qiáng)度、節(jié)律下的曝氣增氧效果在不同的晝夜階段和不同的季節(jié)都有著明顯差異，并與自然狀態(tài)下水體復(fù)氧的過程密切相關(guān)。通過對表、底層DO日變化的監(jiān)測，可以更加準(zhǔn)確地理解科學(xué)曝氣的意義，從而不僅能夠更加有效地增氧，而且也有助于節(jié)約曝氣中的能源和用電開支。后續(xù)，還需要針對曝氣節(jié)律的最優(yōu)設(shè)置、曝氣裝置的最佳布局等展開深入研究，以更好地發(fā)揮曝氣這一技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)中的作用。

總的來看，本研究表明，在自然條件下，所選河流秋季晝間的天然復(fù)氧量低于夜間耗氧量，表、底層水體夜間需氧均不能得到滿足；冬季表、底層水體晝間凈產(chǎn)氧量可滿足夜間耗氧量，未出現(xiàn)極度缺氧狀態(tài)。秋季晝間曝氣復(fù)氧效果不足，夜間表、底層水體仍呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，建議改變曝氣節(jié)律，或設(shè)置夜間曝氣以改善夜間水體氧環(huán)境[4]；冬季晝間曝氣為水體溶氧帶來部分補(bǔ)充，表、底層水體均可滿足日耗氧需求，可進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用。