關(guān)于確定河湖充氧工程合理性的若干分析

劉 亮 李康宇 羅 希 李逸之

（1中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 湖北武漢 430000 2武漢生物工程學(xué)院 湖北武漢 430000）

引言

當(dāng)前，自然水體的污染問題較嚴(yán)重，而自然水體生態(tài)修復(fù)與新時代國家的生態(tài)文明建設(shè)密不可分[1,2]。黨的十九大以來，全國范圍內(nèi)掀起了新時期建設(shè)生態(tài)中國的浪潮，其中河湖的水污染治理、生態(tài)修復(fù)儼然成為主要任務(wù)之一。

河湖水質(zhì)凈化的工程措施往往通過引清稀釋、曝氣充氧、生態(tài)法以及其他新技術(shù)，引清稀釋[3]是指通過引清調(diào)水降低污染物質(zhì)在水體中的相對濃度，但此種方法只不過是轉(zhuǎn)移了污染物質(zhì)，且調(diào)水通道的建設(shè)，水系的連通多不具備工程經(jīng)濟(jì)性；生態(tài)法是利用生態(tài)學(xué)理念治理的根本統(tǒng)稱，簡單地說就是通過微生物、生物等的吸附轉(zhuǎn)化達(dá)到凈化水質(zhì)的目的；曝氣充氧技術(shù)，即人工向水體充入一定量的氧氣，提高水體的溶解氧含量，有效改善水體的黑臭狀況[4]。

在本文中，詳細(xì)介紹了關(guān)于對河道湖泊充氧的理論依據(jù)及其適用性，分析了充氧工程的計(jì)算要點(diǎn)，并對河湖充氧工程合理性的確定進(jìn)行了探討。文中也提出了對充氧曝氣措施實(shí)施的具體建議，為河湖水環(huán)境的治理提供一定的借鑒。

1 河湖充氧工程理論依據(jù)及其適用性探討

1.1 實(shí)施河湖充氧工程的理論依據(jù)

水體中的溶解氧水平是衡量河湖受污染程度的重要指標(biāo)，溶解氧含量的高低變化過程反映了污染物在河湖中的自凈過程，河湖水體受納的污染物質(zhì)越多，水體中溶解氧的消耗越快，復(fù)氧速率遠(yuǎn)低于耗氧速率，水體中溶解氧不足而成缺氧或厭氧狀態(tài)，從而導(dǎo)致厭氧微生物大量繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[5]?；诖耍绻谶m當(dāng)?shù)奈恢脤?shí)施人工充氧工程，就可以避免出現(xiàn)缺氧或厭氧的水體段，提高水體自凈能力。

1.2 河湖充氧效率的影響因素

在曝氣充氧的過程中，氣體分子從氣相轉(zhuǎn)移到液相，氧氣的傳遞原理普遍使用Lewis和Whitan在1923年提出的雙膜理論。一般情況下認(rèn)為，氧轉(zhuǎn)移的理論模型為：

式中：

dc/dt——氧轉(zhuǎn)移速率，kgO2/(m3·h)；

KLa——氧分子總傳質(zhì)系數(shù)，h-1；

cs——與界面氧分壓所對應(yīng)的飽和溶解氧值，kgO2/m3；

c——液體中溶解氧濃度，kgO2/m3；

t——時間，h；

c1，c2——t1，t2時氣體在液體中的濃度，kgO2/m3；

由此可見，影響氧轉(zhuǎn)移速率的主要參數(shù)為液體中溶解氧不飽和值，為了提高充氧的速率，可從提高KLa和提高cs值兩個方面著手，例如加強(qiáng)紊流強(qiáng)度、提高氣相氧分壓等措施。

1.3 河湖缺氧的程度確定

充氧工程實(shí)施的適用性首先從水體物理性指標(biāo)上進(jìn)行評價，如色度，SD上進(jìn)行初步判斷；其次對水質(zhì)進(jìn)行取樣檢測，依據(jù)水體DO指標(biāo)，判斷水體缺氧程度，一般認(rèn)為DO含量在低于2mg/L時，水體處于缺氧狀態(tài)，DO維持在6mg/L左右，則水體溶氧水平良好。另外，研究表明當(dāng)水中DO含量在5～7mg/L時，魚蝦可以正常生長，當(dāng)DO含量低于2mg/L時，一般魚類將停止活動[6]。

2 河湖充氧工程合理性的確認(rèn)

2.1 充氧曝氣的位置的合理性確認(rèn)

對河湖實(shí)施充氧工程，首先要確認(rèn)擬充氧曝氣區(qū)域的合理性，即不能盲目的選擇曝氣機(jī)布設(shè)位置，需要綜合考慮。

充氧曝氣區(qū)域的確定首先要調(diào)查河湖所面臨的污染源，了解污染源分布特征，根據(jù)受污染程度確定。曝氣區(qū)域的確定還要根據(jù)區(qū)域本來的自然條件所確定，如水深、水流動情況等。水體的功能也要充分考慮，例如布設(shè)曝氣機(jī)是否影響航運(yùn)，充氧曝氣區(qū)域是否具有景觀娛樂功能等，此外，對于一些偏僻的河湖來說，還要考慮曝氣設(shè)施的防盜問題。

2.2 充氧工程的計(jì)算要點(diǎn)解析

確定充氧曝氣的位置區(qū)域后，還需要清楚實(shí)施充氧工程需要布設(shè)曝氣機(jī)的數(shù)量，曝氣機(jī)布設(shè)的過多則影響到工程經(jīng)濟(jì)性，造成工程資源的浪費(fèi)，曝氣機(jī)布設(shè)的過少，則無法有效加快大氣復(fù)氧的速率，對河湖水質(zhì)的提升無濟(jì)于事，也是一種工程資源的浪費(fèi)。

2.2.1 需氧量的計(jì)算

需氧量主要取決水體流態(tài)、目前的水質(zhì)狀況和所要達(dá)到的水質(zhì)目標(biāo)、有無明顯支流或泄洪通道。不同的水體類型要因地制宜，需采取不同的計(jì)算方法。

（1）組合式推流模型

對于流動性水體的需氧量計(jì)算，多采用組合式推流模型[7]。該模型是將水體近似地看作成多個河段的串聯(lián)組合，綜合考慮了物質(zhì)耗氧和大氣復(fù)氧、水生植物的光合作用等因素而建立起來的。

（2）箱式模型

對小型水體，由于水深淺、水面較小，且外源性污染負(fù)荷有限，因此可以采用基于一級反應(yīng)的箱式模型[8]。該模型只需考慮有機(jī)物分解耗氧與大氣復(fù)氧，計(jì)算公式為：

式中O——水體的需氧量，g

V——水體的體積，m3

L0——水體初始的BOD5濃度，mg/L

t——充氧時間，d

K1——BOD5生化反應(yīng)速率常數(shù)，d-1

K2——水體的復(fù)氧速率常數(shù)，d-1

cm——維護(hù)水體好氧微生物生命活動的最低溶解氧濃度，一般可取2mg/L

充氧時間t根據(jù)下式確定：

式中L——水體改善后的BOD5濃度，mg/L

在計(jì)算需氧量時，如果需考慮無機(jī)物質(zhì)、底泥的耗氧作用，相應(yīng)的乘以一定系數(shù)。

（3）耗氧特性曲線法

在缺乏可靠的污染源資料的情況下，可利用試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)水體的耗氧特性曲線，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和各階段耗氧量對總需氧量和各階段的需氧量進(jìn)行估算。

2.2.2 充氧量的計(jì)算

河湖的需氧量并不等于人工曝氣設(shè)備的充氧量。計(jì)算河湖水體單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到水體的溶解氧量為:

式中R——單位時間轉(zhuǎn)移到實(shí)際水體中的溶解氧量，在此處即為需氧量；

KLa(20)——水溫為20℃時的氧總傳質(zhì)系數(shù)，h-1；

cs(20)——水溫為20℃時的飽和溶解氧濃度，mg/L；

c——水體中溶解氧量，mg/L；

V——水體的容積，m3

ρ——壓力修正系數(shù)；

T——水溫，℃；

A、B——系數(shù)；

A、B值可通過污水、清水的充氧試驗(yàn)進(jìn)行確定。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，R值可取計(jì)算需氧量值的1.2～2倍。

2.3 充氧曝氣形式的合理性確認(rèn)

河湖充氧工程曝氣的形式主要可分為機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣、水工建筑物復(fù)氧等，機(jī)械曝氣是指機(jī)械輪軸的快速轉(zhuǎn)動，使大量水體以液幕、液滴的形式拋向空中，與大氣進(jìn)行氧的接觸轉(zhuǎn)移，如倒傘型曝氣機(jī)。鼓風(fēng)曝氣是指通過鼓風(fēng)機(jī)向水體中供應(yīng)一定的風(fēng)量，氣泡所攜帶的氧氣在上升的過程中與水體充分接觸轉(zhuǎn)移的形式。射流曝氣機(jī)在河湖充氧工程上的應(yīng)用常常以景觀噴泉的形式。水工建筑物復(fù)氧通過過水建筑物的形狀來提高復(fù)氧能力，利用水流經(jīng)過建筑物時的翻騰實(shí)現(xiàn)復(fù)氧，如跌水堰、汀步等[9]。

表1 各類充氧曝氣技術(shù)形式的特點(diǎn)

充氧曝氣形式的合理性確認(rèn)有以下3種原則：

（1）河湖水質(zhì)缺氧程度，確定充氧能力大小的充氧設(shè)施。

（2）依據(jù)河湖水體的功能判斷曝氣設(shè)施選擇合適性。

（3）兼顧充氧工程經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

3 充氧曝氣措施實(shí)施的相關(guān)建議

（1）積極探索使用新能源的曝氣充氧技術(shù)，利用太陽能、風(fēng)能等新能源能有效解決鄉(xiāng)村等偏遠(yuǎn)河湖的水體缺氧問題。

（2）充氧工程要與其他水污染防治技術(shù)，水生態(tài)修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來，強(qiáng)化水體的污染治理，有效改善河湖的生態(tài)環(huán)境。

結(jié)語

河湖充氧工程的實(shí)施不能夠簡單粗暴，要在充分了解河湖污染源特征、水體功能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析水體的缺氧程度，選擇合理的曝氣充氧的區(qū)域，合理的曝氣形式和曝氣設(shè)施數(shù)量，同時結(jié)合其他污染控制技術(shù)，才能起到事半功倍的效果。充氧工程不能一蹴而就，設(shè)施的運(yùn)行也離不開持續(xù)的水管理。只有綜合考慮這些因素，兼顧工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，才能將生態(tài)的健康的河湖自然，還給美麗中國。