日間和夜間曝氣對(duì)河流增氧效果的比較

馬媛，廖忠鷺，鐘銘晨，商栩,2，王學(xué)東,2*

(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.浙南水科學(xué)研究院，浙江 溫州 325035)

隨著人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和污染物的無(wú)序排放越來(lái)越嚴(yán)峻，造成的河流水質(zhì)惡化、自凈能力下降、水生生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題已經(jīng)成為世界各國(guó)共同面臨的難題。水污染也是當(dāng)前我國(guó)較為突出的環(huán)境問(wèn)題，超過(guò)80%的城市河流污染較為嚴(yán)重，特別是伴隨缺氧而來(lái)的水體黑臭、生境退化等問(wèn)題尤為突出。溶解氧(DO)作為水環(huán)境的重要組成部分，是維持水生生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵因子，是衡量水體自凈能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。水中的溶解氧主要來(lái)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(gè)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(zhì)[2]。受污染水體因大量外源有機(jī)質(zhì)的進(jìn)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(guò)了水體的天然復(fù)氧速度，往往呈現(xiàn)出低溶解氧的狀態(tài)。此時(shí)水體的自凈能力弱，最終會(huì)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(zhì)、恢復(fù)水生態(tài)，首要任務(wù)就是提高水體中溶解氧的含量。河流曝氣技術(shù)作為一種最為常見(jiàn)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(jiàn)效快，被廣泛使用[4-6]。通過(guò)人工向水體中充入空氣，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充，恢復(fù)水中好氧微生物的活力，增強(qiáng)水體凈化有機(jī)污染物的能力，進(jìn)而促進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量的全面改善[7-9]。但目前對(duì)河流曝氣技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在如何提高曝氣效率上，對(duì)曝氣與水體的自然復(fù)氧過(guò)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(zhì)指標(biāo)在太陽(yáng)輻射晝夜變化的驅(qū)動(dòng)下表現(xiàn)出相應(yīng)的節(jié)律，即在白天有光照情況下水生植物光合作用產(chǎn)氧量超過(guò)水體的呼吸代謝耗氧量而使得溶解氧含量增高，在夜晚無(wú)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(jī)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(yán)重[11]。在目前運(yùn)用曝氣技術(shù)治理污染水體的過(guò)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(fù)氧能力下降的夜間卻常常停止曝氣。我們猜測(cè)，傳統(tǒng)的曝氣節(jié)律模式可能使得在自然復(fù)氧能力較強(qiáng)的日間進(jìn)行的曝氣存在某種程度浪費(fèi)，而在迫切需要補(bǔ)充溶解氧的夜間卻沒(méi)有得到人工增氧。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，本研究以典型平原河網(wǎng)有機(jī)污染較為嚴(yán)重的河流為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置不同的日、夜間曝氣模式，連續(xù)監(jiān)測(cè)河流表、底層溶解氧含量等指標(biāo)的變化，以了解日、夜間曝氣對(duì)河流復(fù)氧效果的差異，為今后設(shè)計(jì)更為合理、高效、經(jīng)濟(jì)的曝氣方案提供依據(jù)。

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(qū)仙巖街道魚(yú)潭前村的漁潭前河進(jìn)行。該河發(fā)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(zhǎng)度約500 m。該河流作為溫瑞塘河河網(wǎng)的一部分，呈現(xiàn)出典型的城鄉(xiāng)結(jié)合部復(fù)合污染特征。河流兩側(cè)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)工廠20余座，工業(yè)、生活污水截污納管還不夠徹底，且水體流動(dòng)性不佳，導(dǎo)致河流水質(zhì)較差。河岸附近有較明顯臭味，近岸較淺處可見(jiàn)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(cè)點(diǎn)設(shè)置

依托漁潭前河進(jìn)行的生態(tài)修復(fù)工程，在河流中布設(shè)噴泉曝氣機(jī)和微孔曝氣機(jī)2種曝氣裝置，并設(shè)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(wú)曝氣(自然狀態(tài))作為對(duì)照。水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)于漁潭前河上游，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深約為1 m。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了考察不同曝氣模式在水溫較高(夏季)和較低(冬季)時(shí)對(duì)水體復(fù)氧效果的差異，于2019年夏、冬季的連續(xù)晴天期間每日在4個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)河流的表層、底層水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，各采樣時(shí)間點(diǎn)間隔6 h，分別為6:00、12:00、18:00、24:00。先開(kāi)展連續(xù)72 h無(wú)曝氣狀態(tài)下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，然后是72 h夜間曝氣模式下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，最后是72 h日間曝氣模式下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。使用YSI-EXO-2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定溫度、溶解氧、pH等水質(zhì)指標(biāo)。無(wú)曝氣與曝氣模式下的監(jiān)測(cè)方法相同。同時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)當(dāng)日氣象、光照強(qiáng)度等環(huán)境指標(biāo)。

2 結(jié)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(xiàn)出相似的時(shí)空變化規(guī)律，均呈明顯的晝間上升、夜間下降的變化趨勢(shì)。通常于每日傍晚18:00達(dá)到最高值，再于次日清晨6:00達(dá)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(wú)曝氣或夜間曝氣的條件下，表、底層水體pH值波動(dòng)較明顯，而日間曝氣時(shí)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(xiàn)極值的時(shí)間均晚于無(wú)曝氣條件下(圖1中c和d)。

陰影部分表示夜間時(shí)段，圖2～4同。

夏季實(shí)驗(yàn)中無(wú)曝氣模式下，表層水體溶解氧含量呈現(xiàn)晝間上升、夜間下降的趨勢(shì)，為1.22～9.21 mg·L-1，水體在夜間已處于低氧狀態(tài)(圖2中a)。日間曝氣模式下的溶解氧日變化特征和無(wú)曝氣模式下十分相似，在日間表現(xiàn)出一定的復(fù)氧效果，為1.09～8.76 mg·L-1，但對(duì)比無(wú)曝氣模式下并沒(méi)有顯著差異。而在夜間停止曝氣后，水體溶解氧濃度持續(xù)下降，最小值出現(xiàn)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(wú)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(duì)水生生物友好的有氧狀態(tài)。夜間曝氣模式下水體溶解氧日變化較為平穩(wěn)，而無(wú)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(xiàn)出和表層水體類似的日變化規(guī)律，但最大值明顯低于表層(圖2中b)。在無(wú)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(xiàn)完全缺氧的狀態(tài)。在夜間曝氣模式下，底層水體先于每天0:00達(dá)到最低值，而后在曝氣的作用下不斷上升，于次日6:00達(dá)到較高值，為1.56～3.23 mg·L-1。當(dāng)夜間曝氣結(jié)束后，溶解氧含量又略有下降。相比無(wú)曝氣和日間曝氣，夜間曝氣模式下每個(gè)監(jiān)測(cè)周期清晨底層水體并不會(huì)出現(xiàn)完全缺氧的狀態(tài)，但底層水體晝間溶解氧能夠達(dá)到的最高值低于無(wú)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(shì)較為相似，也呈現(xiàn)為日間上升、夜間下降。但在實(shí)驗(yàn)期間，無(wú)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(shì)差異較明顯，但同一模式下表、底層水體pH值日變化趨勢(shì)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(wú)曝氣模式的自然復(fù)氧條件下，冬季表層水體溶解氧的變化趨勢(shì)和夏季相似，呈現(xiàn)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(shí)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(shí)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(wú)曝氣模式下保持在1.28～2.23 mg·L-1的較低水平，且波動(dòng)幅度較小，沒(méi)有表現(xiàn)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(xiàn)出與表層水體相似的日間上升、夜間下降趨勢(shì)，且出現(xiàn)了底層水體溶解氧含量高于表層水體的現(xiàn)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(tài)。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(shí)驗(yàn)的第3 d溶解氧的日平均值達(dá)到5.2 mg·L-1。

3 討論

在河流、湖庫(kù)等地表水體的修復(fù)中，曝氣是應(yīng)用最為廣泛、效果最為顯著的治理技術(shù)[12]。但目前對(duì)人工曝氣復(fù)氧與水體的自然復(fù)氧之間的關(guān)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(fù)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(guò)程的共同作用下，自然狀態(tài)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(xì)化應(yīng)用提出了新的問(wèn)題，即在日間光合作用較強(qiáng)、自然增氧顯著的情況下，人工增氧對(duì)水體溶解氧含量提升的貢獻(xiàn)度有多大？而在夜間沒(méi)有光合作用增氧、水體以耗氧過(guò)程為主的情況下，人工增氧又會(huì)如何改善水體的環(huán)境[9]。

為解答這些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)日間、夜間曝氣的復(fù)氧效果的比較，發(fā)現(xiàn)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(bǔ)充，但經(jīng)過(guò)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(huán)境下日間曝氣所補(bǔ)給的氧氣可能仍然不能滿足河流水體夜間代謝對(duì)氧的需求。而通過(guò)夜間曝氣對(duì)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(jié)合夏季日間較為活躍的光合作用增氧，能夠使水體在1個(gè)晝夜周期內(nèi)始終保持較為充足的氧環(huán)境，這對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的維持和恢復(fù)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(qiáng)度明顯下降，耗氧量較少。同時(shí)，冬季晝夜較大的溫差變化也使夜間表、底層水體交換加強(qiáng)，因此，表、底層水體溶解氧在經(jīng)過(guò)夜間消耗之后均仍有一定量富余。在此基礎(chǔ)上，日間曝氣充氧在白天進(jìn)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(jié)束后相對(duì)充足的余氧量又為后一天開(kāi)始的增-耗溶解氧循環(huán)提供了較高的起點(diǎn)，從而持續(xù)滿足該河流水生生態(tài)系統(tǒng)全天的溶解氧需求。冬季夜間曝氣同樣對(duì)表、底層水體產(chǎn)生了較好的復(fù)氧效果。因此，可以認(rèn)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(tài)的要求[16]。

此外,本研究還發(fā)現(xiàn)曝氣對(duì)水體的復(fù)氧效果存在一定的滯后性。當(dāng)曝氣開(kāi)啟后，水體擾動(dòng)首先對(duì)表層水體產(chǎn)生較大影響，隨后造成表、底層水體的混合，此時(shí)往往隨著底層低含氧水體混入而出現(xiàn)表層水體溶解氧下降的現(xiàn)象。而擾動(dòng)造成表層厭氧底泥中較輕的物質(zhì)進(jìn)入水體，會(huì)使得水體透明度急劇下降，并進(jìn)一步增加水體耗氧量。而有時(shí)當(dāng)曝氣結(jié)束一段時(shí)間后還會(huì)出現(xiàn)表層溶解氧低于底層的現(xiàn)象，這也為深入研究曝氣復(fù)氧的立體效果提出了新的課題。

在以往對(duì)于曝氣技術(shù)如何應(yīng)用的研究中，多關(guān)注曝氣裝置開(kāi)啟后對(duì)于水體溶解氧水平的即時(shí)改善情況，而較少考察在長(zhǎng)期曝氣應(yīng)用中與水體自然復(fù)氧過(guò)程的耦合效果[3,17]。特別是當(dāng)考慮到長(zhǎng)期曝氣所消耗的大量電能，如果能夠?qū)⑷斯て貧夂妥匀粡?fù)氧能力(節(jié)律)相結(jié)合，將可能在提高曝氣增氧效果的同時(shí)降低能耗。本研究結(jié)果表明，同樣強(qiáng)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(jié)都有著顯著的差異，這是和自然狀態(tài)下水體復(fù)氧的過(guò)程密切相關(guān)的[18]。通過(guò)對(duì)表、底層溶氧量日變化的跟蹤監(jiān)測(cè)，揭示了在夏季高溫條件下的夜間曝氣對(duì)于水體保持較健康的氧環(huán)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(dá)到增氧的目的，同時(shí)也能夠節(jié)約曝氣中的能源和用電開(kāi)支。后續(xù)還需要結(jié)合新型傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，針對(duì)曝氣節(jié)律的最優(yōu)設(shè)置、曝氣裝置的最佳布局展開(kāi)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[19]。

4 小結(jié)

無(wú)曝氣模式下河流溶解氧含量呈現(xiàn)出顯著的晝夜變化。夏季高溫時(shí)期日間自然復(fù)氧較強(qiáng)，但夜間耗氧顯著，導(dǎo)致清晨水體呈缺氧狀態(tài)；冬季低溫時(shí)期雖然日間自然復(fù)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(yán)重。

相比無(wú)曝氣狀態(tài)，日間曝氣對(duì)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(huán)境；夜間曝氣則能在夜間自然復(fù)氧較弱時(shí)間段向水體供氧，結(jié)合日間的自然復(fù)氧，使水體全天保持較高的溶解氧水平。

在自然復(fù)氧節(jié)律基礎(chǔ)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(zhì)，保障水生生態(tài)系統(tǒng)健康。