日間和夜間曝氣對河流增氧效果的比較

馬媛，廖忠鷺，鐘銘晨，商栩,2，王學東,2*

(1.溫州醫科大學 公共衛生與管理學院，浙江 溫州 325035；2.浙南水科學研究院，浙江 溫州 325035)

隨著人口的持續增長和經濟的快速發展，水資源的過度開發和污染物的無序排放越來越嚴峻，造成的河流水質惡化、自凈能力下降、水生生態系統退化等問題已經成為世界各國共同面臨的難題。水污染也是當前我國較為突出的環境問題，超過80%的城市河流污染較為嚴重，特別是伴隨缺氧而來的水體黑臭、生境退化等問題尤為突出。溶解氧(DO)作為水環境的重要組成部分，是維持水生生態系統健康的關鍵因子，是衡量水體自凈能力的一個重要指標[1]。水中的溶解氧主要來自空氣溶入和水生植物光合作用。水中的溶解氧除了供給水中各類生物的呼吸作用外，另一個主要的消耗途徑是在微生物的參與下氧化分解水中的還原性物質[2]。受污染水體因大量外源有機質的進入而使得生化需氧量顯著增加，水中溶解氧消耗的速度大大超過了水體的天然復氧速度，往往呈現出低溶解氧的狀態。此時水體的自凈能力弱，最終會造成水體黑臭、水生生物大量死亡等危害[3]。因此，要改善水質、恢復水生態，首要任務就是提高水體中溶解氧的含量。河流曝氣技術作為一種最為常見的污染治理手段，能夠快速提高水體溶解氧含量，且投資少、見效快，被廣泛使用[4-6]。通過人工向水體中充入空氣，使水中的溶解氧得到補充，恢復水中好氧微生物的活力，增強水體凈化有機污染物的能力，進而促進水環境質量的全面改善[7-9]。但目前對河流曝氣技術的相關研究主要集中在如何提高曝氣效率上，對曝氣與水體的自然復氧過程的耦合效果研究較少。

地表水體的溶解氧及葉綠素等水質指標在太陽輻射晝夜變化的驅動下表現出相應的節律，即在白天有光照情況下水生植物光合作用產氧量超過水體的呼吸代謝耗氧量而使得溶解氧含量增高，在夜晚無光照情況下則僅有呼吸代謝不斷耗氧而使溶解氧含量下降[10]。在有機污染較重的水體中，這種晝夜變化就可能使得水體在夜間的缺氧狀況比日間更加嚴重[11]。在目前運用曝氣技術治理污染水體的過程中，出于方便管理等原因，較多采用日間曝氣模式，而在水體自然復氧能力下降的夜間卻常常停止曝氣。我們猜測，傳統的曝氣節律模式可能使得在自然復氧能力較強的日間進行的曝氣存在某種程度浪費，而在迫切需要補充溶解氧的夜間卻沒有得到人工增氧。為了驗證這一假設，本研究以典型平原河網有機污染較為嚴重的河流為研究對象，通過設置不同的日、夜間曝氣模式，連續監測河流表、底層溶解氧含量等指標的變化，以了解日、夜間曝氣對河流復氧效果的差異，為今后設計更為合理、高效、經濟的曝氣方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究河流概況

本研究在位于溫州市甌海區仙巖街道魚潭前村的漁潭前河進行。該河發源于大羅山，自東向西匯入溫瑞塘河主河道。漁潭前河寬10～20 m，水深1～2 m，總長度約500 m。該河流作為溫瑞塘河河網的一部分，呈現出典型的城鄉結合部復合污染特征。河流兩側有鄉鎮工廠20余座，工業、生活污水截污納管還不夠徹底，且水體流動性不佳，導致河流水質較差。河岸附近有較明顯臭味，近岸較淺處可見底泥呈黑色，表現出典型的缺氧特性。

1.2 曝氣復氧裝置與監測點設置

依托漁潭前河進行的生態修復工程，在河流中布設噴泉曝氣機和微孔曝氣機2種曝氣裝置，并設置了2種曝氣模式，分別為日間曝氣(6:00—18:00曝氣，18:00—次日6:00停止曝氣)和夜間曝氣(18:00—次日6:00曝氣，6:00—18:00停止曝氣)，以無曝氣(自然狀態)作為對照。水質監測點設于漁潭前河上游，監測點水深約為1 m。

1.3 現場監測

為了考察不同曝氣模式在水溫較高(夏季)和較低(冬季)時對水體復氧效果的差異，于2019年夏、冬季的連續晴天期間每日在4個采樣時間點對河流的表層、底層水質進行現場監測，各采樣時間點間隔6 h，分別為6:00、12:00、18:00、24:00。先開展連續72 h無曝氣狀態下的水質監測，然后是72 h夜間曝氣模式下的水質監測，最后是72 h日間曝氣模式下的水質監測。使用YSI-EXO-2型多參數水質監測儀測定溫度、溶解氧、pH等水質指標。無曝氣與曝氣模式下的監測方法相同。同時，記錄實驗當日氣象、光照強度等環境指標。

2 結果與分析

2.1 夏季

在氣溫、水溫較高的夏季，漁潭前河表、底層水溫在不同曝氣模式下表現出相似的時空變化規律，均呈明顯的晝間上升、夜間下降的變化趨勢。通常于每日傍晚18:00達到最高值，再于次日清晨6:00達到最低值，且表層水體水溫略高于底層水體(圖1中a和b)。在無曝氣或夜間曝氣的條件下，表、底層水體pH值波動較明顯，而日間曝氣時水體pH值變化幅度較小。在夜間曝氣的條件下，表、底層水體pH值出現極值的時間均晚于無曝氣條件下(圖1中c和d)。

陰影部分表示夜間時段，圖2～4同。

夏季實驗中無曝氣模式下，表層水體溶解氧含量呈現晝間上升、夜間下降的趨勢，為1.22～9.21 mg·L-1，水體在夜間已處于低氧狀態(圖2中a)。日間曝氣模式下的溶解氧日變化特征和無曝氣模式下十分相似，在日間表現出一定的復氧效果，為1.09～8.76 mg·L-1，但對比無曝氣模式下并沒有顯著差異。而在夜間停止曝氣后，水體溶解氧濃度持續下降，最小值出現在每日清晨6:00。夜間曝氣條件下水體溶解氧含量為4.67～10.12 mg·L-1。該模式下日間水體溶解氧含量與無曝氣和日間曝氣模式差別不大，但夜間水體溶解氧含量顯著高于后2種模式，水體全天始終處于對水生生物友好的有氧狀態。夜間曝氣模式下水體溶解氧日變化較為平穩，而無曝氣和日間曝氣模式下水體溶解氧含量每日變化幅度則較大。

底層水體溶解氧含量在不同曝氣模式下表現出和表層水體類似的日變化規律，但最大值明顯低于表層(圖2中b)。在無曝氣模式下，底層水體溶解氧含量為0～3.33 mg·L-1。在日間曝氣模式下，底層水體溶解氧為0～4.12 mg·L-1。這2種模式下底層水體在清晨均呈現完全缺氧的狀態。在夜間曝氣模式下，底層水體先于每天0:00達到最低值，而后在曝氣的作用下不斷上升，于次日6:00達到較高值，為1.56～3.23 mg·L-1。當夜間曝氣結束后，溶解氧含量又略有下降。相比無曝氣和日間曝氣，夜間曝氣模式下每個監測周期清晨底層水體并不會出現完全缺氧的狀態，但底層水體晝間溶解氧能夠達到的最高值低于無曝氣和晝間曝氣。

圖2 夏季不同曝氣模式下水體表層和底層溶解氧日變化特征

2.2 冬季

在氣溫、水溫較低的冬季，漁潭前河表、底層水溫在不同曝氣模式下的日變化趨勢較為相似，也呈現為日間上升、夜間下降。但在實驗期間，無曝氣水體水溫有所下降，日間和夜間曝氣水體水溫則上升。相比夏季，冬季表、底層水溫的差異并不明顯(圖3中a和b)。3種曝氣模式下水體pH值日變化趨勢差異較明顯，但同一模式下表、底層水體pH值日變化趨勢較為相似(圖3中c和d)。

圖3 冬季不同曝氣模式下水體溫度和pH的日變化特征

在無曝氣模式的自然復氧條件下，冬季表層水體溶解氧的變化趨勢和夏季相似，呈現日間上升、夜間下降，為1.75～6.35 mg·L-1。雖然冬季水體溶解氧最高值低于夏季，但最低值則比夏季高。在日間曝氣模式下，表層水體溶解氧含量變化幅度仍較大，為2.1～6.4 mg·L-1。雖然夜間停止曝氣后表層水體溶解氧濃度也有所下降，但與夏季不同，此時仍保持在3～4 mg·L-1的有氧狀況。在夜間曝氣模式下，水體溶解氧含量大部分時間處于4 mg·L-1以上，且此模式下溶解氧含量的晝夜變化較小(圖4中a)。

圖4 冬季不同曝氣模式下水體表層和底層溶解氧日變化特征

底層水體溶解氧濃度在無曝氣模式下保持在1.28～2.23 mg·L-1的較低水平，且波動幅度較小，沒有表現出明顯的晝夜變化。在日間曝氣模式下，底層水體溶解氧含量有了較為明顯的提升，為3.3～7.1 mg·L-1。呈現出與表層水體相似的日間上升、夜間下降趨勢，且出現了底層水體溶解氧含量高于表層水體的現象。與夏季不同，夜間底層水體溶解氧濃度也能維持在4～5 mg·L-1的有氧狀態。而在夜間曝氣模式下，底層水體溶解氧濃度與表層水體相似，晝夜變化幅度較小，到實驗的第3 d溶解氧的日平均值達到5.2 mg·L-1。

3 討論

在河流、湖庫等地表水體的修復中，曝氣是應用最為廣泛、效果最為顯著的治理技術[12]。但目前對人工曝氣復氧與水體的自然復氧之間的關系了解得還不深入，兩者疊加是形成增益還是存在拮抗的效果并不明確。特別是在地表水的水-氣交換復氧、水中各類植物的光合作用增氧以及全體生物的呼吸作用耗氧等過程的共同作用下，自然狀態下水體表、底層溶解氧含量均存在明顯的晝夜變化[13-15]。這就為人工曝氣的精細化應用提出了新的問題，即在日間光合作用較強、自然增氧顯著的情況下，人工增氧對水體溶解氧含量提升的貢獻度有多大？而在夜間沒有光合作用增氧、水體以耗氧過程為主的情況下，人工增氧又會如何改善水體的環境[9]。

為解答這些問題，通過對日間、夜間曝氣的復氧效果的比較，發現在日間曝氣的條件下，夏季表、底層水體溶解氧濃度盡管得到一定的補充，但經過一夜的消耗后，次日清晨水體溶解氧含量剩余較少。表明夏季高溫環境下日間曝氣所補給的氧氣可能仍然不能滿足河流水體夜間代謝對氧的需求。而通過夜間曝氣對水體溶解氧的影響研究顯示，夜間曝氣可以有效提高夏季夜間表、底層水體的溶解氧水平。結合夏季日間較為活躍的光合作用增氧，能夠使水體在1個晝夜周期內始終保持較為充足的氧環境，這對河流生態系統的維持和恢復具有重大意義[11,13]。

而在冬季的自然條件下，由于水溫較低，水生生物代謝強度明顯下降，耗氧量較少。同時，冬季晝夜較大的溫差變化也使夜間表、底層水體交換加強，因此，表、底層水體溶解氧在經過夜間消耗之后均仍有一定量富余。在此基礎上，日間曝氣充氧在白天進一步增加了水體表、底層的溶解氧含量，最終使水體在夜間仍然維持較高的溶解氧水平。而夜晚周期結束后相對充足的余氧量又為后一天開始的增-耗溶解氧循環提供了較高的起點，從而持續滿足該河流水生生態系統全天的溶解氧需求。冬季夜間曝氣同樣對表、底層水體產生了較好的復氧效果。因此，可以認為在冬季期間，日間曝氣和夜間曝氣模式的增氧效果都能夠滿足提高水體溶解氧水平、改善水生態的要求[16]。

此外,本研究還發現曝氣對水體的復氧效果存在一定的滯后性。當曝氣開啟后，水體擾動首先對表層水體產生較大影響，隨后造成表、底層水體的混合，此時往往隨著底層低含氧水體混入而出現表層水體溶解氧下降的現象。而擾動造成表層厭氧底泥中較輕的物質進入水體，會使得水體透明度急劇下降，并進一步增加水體耗氧量。而有時當曝氣結束一段時間后還會出現表層溶解氧低于底層的現象，這也為深入研究曝氣復氧的立體效果提出了新的課題。

在以往對于曝氣技術如何應用的研究中，多關注曝氣裝置開啟后對于水體溶解氧水平的即時改善情況，而較少考察在長期曝氣應用中與水體自然復氧過程的耦合效果[3,17]。特別是當考慮到長期曝氣所消耗的大量電能，如果能夠將人工曝氣和自然復氧能力(節律)相結合，將可能在提高曝氣增氧效果的同時降低能耗。本研究結果表明，同樣強度、頻次下的曝氣增氧效果在不同的晝夜階段和不同的季節都有著顯著的差異，這是和自然狀態下水體復氧的過程密切相關的[18]。通過對表、底層溶氧量日變化的跟蹤監測，揭示了在夏季高溫條件下的夜間曝氣對于水體保持較健康的氧環境的重要性。將日間和夜間曝氣合理搭配，不僅能夠更加有效的達到增氧的目的，同時也能夠節約曝氣中的能源和用電開支。后續還需要結合新型傳感器技術、大數據分析技術等，針對曝氣節律的最優設置、曝氣裝置的最佳布局展開深入研究，以更好地發揮曝氣這一技術在水生態修復中的作用[19]。

4 小結

無曝氣模式下河流溶解氧含量呈現出顯著的晝夜變化。夏季高溫時期日間自然復氧較強，但夜間耗氧顯著，導致清晨水體呈缺氧狀態；冬季低溫時期雖然日間自然復氧較弱，但夜間溶解氧消耗水平也顯著下降，水體反而缺氧不嚴重。

相比無曝氣狀態，日間曝氣對表層水體溶解氧含量的提升不明顯，但能一定程度改善底層水體的氧環境；夜間曝氣則能在夜間自然復氧較弱時間段向水體供氧，結合日間的自然復氧，使水體全天保持較高的溶解氧水平。

在自然復氧節律基礎上合理搭配日、夜間曝氣，將能以更低的能耗獲得更加高效的增氧效果，從而提升河流水質，保障水生生態系統健康。