噴泉水景的復(fù)氧與控藻能力研究

海繼平,楊成建

(1.西安美術(shù)學(xué)院 建筑環(huán)境藝術(shù)系，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

目前，景觀水體(如湖泊、人工湖、護(hù)城河)已成為城市風(fēng)景建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，為了滿足人們的親水需求，噴泉已成為人們最喜愛(ài)的水景設(shè)施之一，噴泉水景動(dòng)感優(yōu)美，氣質(zhì)磅礴，已被大量的應(yīng)用于城市景觀水體，有的已成標(biāo)志性景點(diǎn)[1].噴泉水景具擾動(dòng)強(qiáng)度大、壓力大、水交換量大、曝氣量高等特點(diǎn)，在改善水體水質(zhì)方面也具有廣闊開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景，如破壞水體分層，揚(yáng)水曝氣及破碎藻細(xì)胞等[2]，鐘建紅等[3]認(rèn)為噴泉曝氣改善河湖水質(zhì)具有一定的可行性，陳飛星等[4]也發(fā)現(xiàn)噴泉對(duì)湖泊的增氧效果較為明顯.但是，在噴泉的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，往往以追求景觀效果為主，忽視了其改善水體水質(zhì)的功能，更遺憾的是，有關(guān)噴泉改善水體水質(zhì)的研究，大部分停留在理論與定性分析，噴泉復(fù)氧能力到底有多大？擾動(dòng)強(qiáng)度有多高？對(duì)藻類生長(zhǎng)是抑制？還是促進(jìn)？去除率到底有多高？”等問(wèn)題，均亟待進(jìn)一步挖掘.為此，本文以常規(guī)的曝氣復(fù)氧為類比對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)分析了噴泉水景的復(fù)氧能力，同時(shí)，研究了噴泉對(duì)銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)(為我國(guó)淡水湖泊中常見(jiàn)的水華藍(lán)藻)的抑制能力，以期為合理設(shè)計(jì)噴泉水景實(shí)現(xiàn)其景觀效果與改善水體水質(zhì)的“雙贏”目標(biāo)提供理論參考與數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 噴泉復(fù)氧實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

曝氣復(fù)氧與噴泉復(fù)氧的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，(a)為曝氣復(fù)氧，(b)為噴泉復(fù)氧.曝氣復(fù)氧實(shí)驗(yàn)時(shí)，曝氣流量設(shè)500 L/h、750 L/h、1 000 L/h、1 250 L/h、1 500 L/h 5個(gè)梯度，曝氣反應(yīng)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(cè)量水溫，并記錄.噴泉復(fù)氧實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴水壓力設(shè)25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa 5個(gè)梯度，有機(jī)玻璃容器中的水體積為10 L，每5 min讀取一次數(shù)據(jù)，測(cè)量水溫，并記錄.

圖1 復(fù)氧實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Reoxygenation experiment apparatus sketch

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)氧前，用無(wú)水亞硫酸鈉和催化劑氯化鈷對(duì)蒸餾水進(jìn)行脫氧，將溶解氧含量降低至接近零；通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)，可將水中溶解氧含量降低至零.溶解氧測(cè)定儀在測(cè)前需輸入所處環(huán)境的大氣壓，可測(cè)出所測(cè)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(shí)的飽和度.由于實(shí)驗(yàn)水樣體積較小，加上紊動(dòng)劇烈，因此，可以認(rèn)為測(cè)定時(shí)水樣是完全混和的，并從反應(yīng)器中部1/2深度處取樣.研究表明，氧傳質(zhì)能力可以用氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa和復(fù)氧能力OC進(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)的水溫，℃；KLa(T)為水溫為T時(shí)測(cè)得的總傳遞系數(shù)，S-1；KLa(20)為水溫為20 ℃時(shí)的總傳遞系數(shù)，S-1.復(fù)氧能力OC是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試條件下，單位時(shí)間向溶解氧濃度為零的水中傳遞的氧量，其公式為

OC=(CS(標(biāo))-C0)V

(4)

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

動(dòng)力效率的計(jì)算公式為

(5)

式中，E為動(dòng)力效率，kgO2/kW·h，N為復(fù)氧所消耗的功率，kW.

1.2 噴泉控藻實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

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

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前將圖1(a)中的有機(jī)玻璃容器、噴頭、潛水泵，經(jīng)高壓滅菌鍋高溫滅菌15 min后，備用(溫度80 ℃，相對(duì)蒸汽壓力0.085 MPa).實(shí)驗(yàn)在自制的人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行，并控制一定的光照和溫度條件，光源為日光燈冷光源.實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用紫外燈對(duì)人工氣候箱進(jìn)行殺菌，將銅綠微囊藻細(xì)胞懸液10 L，移入圖1(b)的噴泉復(fù)氧反應(yīng)容器中.啟動(dòng)潛水泵，噴頭噴水，將管內(nèi)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(cè)定水樣中活體藻細(xì)胞濃度與葉綠素a含量，并設(shè)置對(duì)照組.活體藻細(xì)胞濃度采用顯微鏡與血球計(jì)數(shù)板測(cè)定，葉綠素a含量采用乙醇萃取-分光光度法測(cè)定[7].

1.2.3 控藻效果評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)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(xì)胞濃度視為靜止不動(dòng)的，而實(shí)驗(yàn)時(shí)藻細(xì)胞往往處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)過(guò)程中，藻細(xì)胞增量是相當(dāng)大的，計(jì)算噴泉控藻效果時(shí)應(yīng)該考慮這部分的值.因此，本文采用控藻率η(%)來(lái)表征噴泉控藻效果，在對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組初始藻密度一樣，培養(yǎng)條件相同的前提下，按照式(6)計(jì)算η，控藻率與去除率的主要區(qū)別在于將藻密度初始值用同時(shí)刻對(duì)照組的藻密度代替了其自身的初始值.

(6)

式中:CNn為對(duì)照組第n次測(cè)定時(shí)的藻密度，cells/mL；TNn為實(shí)驗(yàn)組第n次測(cè)定時(shí)的藻密度，cells/mL.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴泉的復(fù)氧能力

就水體凈化的機(jī)理來(lái)講，無(wú)論是常規(guī)的生物處理技術(shù)，如活性污泥、好氧生物接觸、揚(yáng)水曝氣等，還是生態(tài)處理技術(shù)，如氧化塘、人工濕地等，溶解氧都是整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中最重要的控制條件之一，而溶解氧的控制往往通過(guò)人工曝氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣等[9].因此，本文以常用的鼓風(fēng)曝氣為對(duì)比，研究噴泉的復(fù)氧能力.在實(shí)驗(yàn)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(fù)氧時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)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(fù)氧時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2(b)；由圖2可知，復(fù)氧過(guò)程中溶解氧含量先急劇增加，接近飽和溶解氧90 %時(shí)，再緩慢增加，直至平衡，曝氣復(fù)氧和噴泉復(fù)氧分別在5 min和15 min左右時(shí)達(dá)到緩慢增加段，因此，就復(fù)氧速度而言，曝氣復(fù)氧約為噴泉復(fù)氧的3.8倍；同時(shí)，曝氣復(fù)氧和噴泉復(fù)氧的復(fù)氧速度分別與曝氣量和噴泉壓力成正比；曝氣復(fù)氧時(shí)，當(dāng)通氣流量為1 500 L/h時(shí)，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(shí)，則需9 min才可以達(dá)到接近飽和；同樣，噴泉復(fù)氧時(shí)，當(dāng)噴泉壓力為45 kPa時(shí)，在8 min便可將水中溶解氧的飽和度達(dá)為90 %的水平，而噴泉壓力為25 kPa時(shí)，則需35 min以后才可以達(dá)到接近飽和.表1為兩種復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)氧的氧傳質(zhì)能力約為噴泉復(fù)氧的3.2倍.

圖2 兩種復(fù)氧方式下溶解氧飽和度與復(fù)氧時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relationship between dissolved oxygen saturation and time under two differ reoxygenation modes

曝氣復(fù)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(fù)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(fù)氧過(guò)程包括2個(gè)部分：一是水柱在噴入空中、落回水體過(guò)程中的復(fù)氧，以及發(fā)散水滴在空氣中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的復(fù)氧，胡立舜等[10]認(rèn)為當(dāng)噴泉壓力越大，水柱噴射越高，發(fā)散水滴越多，水滴粒徑越小，水滴在空中運(yùn)行的速度也越慢，水滴與空氣接觸復(fù)氧的時(shí)間也越長(zhǎng)，同時(shí)，單位水體與空氣接觸的比表面積也增加，也會(huì)使得氧傳質(zhì)系數(shù)KLa值增大；二是噴泉引起的水體紊動(dòng)復(fù)氧，首先，水柱回落水體時(shí)會(huì)引起水體紊動(dòng)，促進(jìn)大氣復(fù)氧，這類似表面曝氣，其次，水泵抽吸作用對(duì)水體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起大氣復(fù)氧，同時(shí)，水泵循環(huán)提水也有效的破壞了水體分層，強(qiáng)化混合作用，提高氧傳質(zhì)能力.通過(guò)前述的比較可知，曝氣復(fù)氧的氧傳質(zhì)能力要大于噴泉復(fù)氧，這可以用氧傳質(zhì)的菲克(Fick)定律加以解釋[5]，該定律認(rèn)為，氧的傳質(zhì)速率主要決定于氣液界面積A和氧濃度梯度dC/dX.根據(jù)方立軍等[11]對(duì)內(nèi)螺紋霧化噴泉噴頭液滴顆粒數(shù)、水滴粒徑等的研究及Fayolle等[12]采用水下照相機(jī)對(duì)微孔曝氣盤氣泡個(gè)數(shù)、氣泡等效直徑等的統(tǒng)計(jì)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(shí)(這些參數(shù)與本研究接近)，曝氣復(fù)氧的界面面積明顯大于噴泉復(fù)氧，約為噴泉復(fù)氧的2.21～7.17倍.同時(shí)，曝氣復(fù)氧時(shí)，氣泡中的壓力大于大氣壓，也就是說(shuō)相對(duì)于噴泉復(fù)氧時(shí)的大氣中氧濃度C而言，曝氣復(fù)氧時(shí)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(rèn)為水體的紊動(dòng)能減少液膜的厚度dX，增強(qiáng)氧傳質(zhì).在進(jìn)行曝氣復(fù)氧時(shí)水體中的氣泡存在變徑、上升、碰撞、凝并及破碎等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這引起的氣液界面擾動(dòng)必然大于水滴單純?cè)诳罩羞\(yùn)動(dòng)所引起的氣液界面擾動(dòng)，從而表現(xiàn)出更大的氧傳質(zhì)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(zhǎng)的藻密度和葉綠素a含量變化見(jiàn)圖3和圖4.噴泉處理后，實(shí)驗(yàn)組微囊藻生長(zhǎng)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(kāi)始逐漸增加，在60 h時(shí)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(xiàn)減少的趨勢(shì)，45 h后達(dá)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(duì)水體微囊藻的生長(zhǎng)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(xiàn)先增加，后減少的趨勢(shì)，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(zhǎng)后達(dá)到平衡，最大控制率在80%左右.這再次說(shuō)明噴泉的控藻能力與噴泉壓力成正比，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)的微囊藻處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，具有較強(qiáng)的自我恢復(fù)能力[6]，在噴泉壓力低時(shí)，藻細(xì)胞生長(zhǎng)在短時(shí)間內(nèi)受到抑制，但很快能恢復(fù)生長(zhǎng)；而噴泉壓力較高低時(shí)，噴泉能持續(xù)抑制藻類生長(zhǎng)，且無(wú)法恢復(fù)；就是實(shí)際噴泉工程而言，管內(nèi)壓力一般在400 kPa以上，擾動(dòng)強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)條件，因此，噴泉水景完全能有效控制景觀水體藻類繁殖，達(dá)到防治景觀水體藍(lán)藻水華的目的.

圖3 在不同噴泉壓力作用下微囊藻生長(zhǎng)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(duì)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(duì)微囊藻的控藻作用，主要是基于噴泉的擾動(dòng)作用及噴泉管內(nèi)的壓力破藻作用[2].噴泉揚(yáng)起的水柱下落后對(duì)周圍體產(chǎn)生的強(qiáng)大擾動(dòng)作用，噴泉壓力越大擾動(dòng)強(qiáng)度越高.微囊藻一般生活在相對(duì)靜止的表層水體(水深約10 cm左右)，噴泉形成的強(qiáng)大表面擾動(dòng)勢(shì)必會(huì)影響到藻類的生長(zhǎng).Hondzo等[14]認(rèn)為一定程度的紊動(dòng)會(huì)造成綠藻葉綠體和尾脊的缺失，導(dǎo)致細(xì)胞破壞和生長(zhǎng)抑制；張冰等[6]發(fā)現(xiàn)，水體擾動(dòng)強(qiáng)度大于400 r/min時(shí)，會(huì)對(duì)微囊藻構(gòu)成機(jī)械損傷.此外，微囊藻主要由藻細(xì)胞氣囊( gas vesicle)提供浮力，使之能長(zhǎng)時(shí)間停留于水體表層光照區(qū)，獲得生長(zhǎng)繁殖的機(jī)會(huì)，微囊藻氣囊能承受0.4～0.7 MPa 的外部壓力，當(dāng)壓力超過(guò)這一壓力時(shí)，氣囊將不可逆轉(zhuǎn)地破裂，從而使藍(lán)藻失去浮力而下沉[15].在本研究中，噴泉壓力大于0.04 MPa時(shí)，微囊藻細(xì)胞出現(xiàn)了大量下沉現(xiàn)象，這可能是噴泉管道內(nèi)壓力與高強(qiáng)度擾動(dòng)共同作用的結(jié)果.目前，去除藍(lán)藻的技術(shù)比較多，如化學(xué)除藻、超聲波除藻等，雖然這些技術(shù)的除藻效率比較高，但這些技術(shù)均會(huì)不同程度的引起藻細(xì)胞破裂，藻細(xì)胞內(nèi)的藻毒素和藻液會(huì)泄漏到水中；而噴泉的擾動(dòng)作用和壓力作用，只會(huì)引起微囊藻藻細(xì)胞聚集形態(tài)損傷及內(nèi)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(yíng)養(yǎng)條件下，藍(lán)藻細(xì)胞具有一定的自我修復(fù)能力，有的甚至能恢復(fù)到破損前的水平；在本研究中，噴泉作用后微囊藻藻細(xì)胞的自我修復(fù)情況還有待進(jìn)一步研究，但是在實(shí)際工程中，噴泉往往安裝在一定水深的景觀水體中，藍(lán)藻細(xì)胞受損后會(huì)沉到水底，光照水平會(huì)嚴(yán)重受限，很難實(shí)現(xiàn)自我修復(fù).

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(fù)氧修復(fù)、抑制水華及破壞水體分層、改善底泥環(huán)境等方面有著不可忽視的作用.盡管如此，有關(guān)噴泉在景觀水體修復(fù)方面的研究，還需進(jìn)一步跟進(jìn)，如噴頭選型、水泵及管道安裝與復(fù)氧的關(guān)系，噴泉作用下水體底泥環(huán)境的變化及藻類沉降與上浮規(guī)律，噴泉作用后藍(lán)藻氣囊及活性變化規(guī)律，噴泉作用下藻類與對(duì)光照和溫度的響應(yīng)，以及噴泉在改變河道流態(tài)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(guān)系，等等.

3 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下，噴泉壓力為25 ～45 kPa時(shí)，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(fù)氧的KLa(20)和OC平均值分別為0.327 1 / min和0.028 1/ min；曝氣復(fù)氧的氧傳質(zhì)能力約為噴泉復(fù)氧的3.2倍，這是由于曝氣復(fù)氧的氣液接觸面積大于噴噴復(fù)氧，同時(shí)，曝氣復(fù)氧的氣液界面的紊動(dòng)性要大于噴泉復(fù)氧.

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

(3)實(shí)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(fù)氧修復(fù)、抑制水華及破壞水體分層、改善底泥環(huán)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(jī)理、復(fù)氧規(guī)律、噴泉工程設(shè)計(jì)優(yōu)化等的進(jìn)一步研究，噴泉將在景觀水體質(zhì)穩(wěn)定及河湖富營(yíng)養(yǎng)化控制方面發(fā)揮更大的作用.