城市污染河道水体人工复氧技术盘(共4页)

精选优质文档-倾情为你奉上城市污染河道水体人工复氧技术盘点原创 2015-12-09 曹欠欠，于鲁冀等 环境工程城市河道城市河道介于天然河道和人工渠道之间，两岸和河底用混凝土衬砌，两岸植物以及水中生物机较少，河道普遍较浅，河流顺直，水量小，流速慢。而城市河道中的溶解氧含量是重要的水质指标之一，当水中溶解氧浓度较低时，水中有机污染物得不到充分的降解而通过厌氧菌的分解引起腐败现象，产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体，使水体变质发臭；此外，除厌氧微生物外，溶解氧是所有水生生物生存的必要条件，一般当水中溶解氧含量在5-7mg/L之间时，鱼虾可以正常生长繁殖，而当溶解氧含量低于2mg/L时，一般鱼类停止进食，当溶解氧含量低于1.3mg/L时，虾将窒息死亡。因此，如何提高水体中溶解氧的含量就成为城市河道治理的关键所在，本文就目前城市河道水体复氧技术的原理、方法及特点进行归纳总结，指出了研究中存在的问题，并对今后的研究方向进行了展望。1人工曝气复氧技术河道人工曝气复氧的净化机理是：采用人工的方法向水体中充入空气或纯氧，提高水体中溶解氧的浓度，抑制厌氧菌和藻类的繁殖，去除水体黑臭现象，同时增加好氧菌的繁殖速度，增强水体的自净能力。人工曝气增氧的效果主要取决于氧气的溶解度和溶解速率，溶解度一般处于稳定状况，溶解速率受氧亏、水-气的接触面积和方式及水的运动状况3个因素的影响。人工曝气复氧技术的效果与水温、水深、流速、曝气机充气量、曝气方式、曝气机安装位置、水力停留时间、外来污染水质等有直接关系。目前国内外采用的人工曝气技术主要有四种：鼓风机-微孔布气管曝气系统；叶轮吸气推流式曝气系统；水下射流曝气系统；纯氧增氧系统。1.1微孔曝气微孔曝气1915年最早出现在英国，具有分布均匀、通气量大、充气能力大、微孔不堵塞、使用寿命长、氧利用率高、动力效率高等优点20。我国在借鉴国外技术的基础上，自主研发的几种微孔曝气器充氧效率达15%-25%，比大中气泡型曝气器节能50%21。刘春等研究结果表明微孔曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间，氧总体积传质系数明显高于传统气泡曝气22。盛义平等指出衡量鼓风曝气装置性能的2个指标是氧利用率和动力效率，恰当地选取曝气器的浸没水深和所产生气泡直径的组合，既可使氧利用率高，又可使动力消耗少23。李尔建立了微孔曝气最优气泡群理论模型，试验结果显示曝气池内存在着有效能耗总利用率最高的高效曝气气泡分布段，通过控制曝气系统工况，可实现“低气量、高效能”的优化运行12。1.2 叶轮吸气推流式曝气系统叶轮吸气推流式曝气系统有复叶推流式曝气器与轴向流液下曝气器两种形式，在湖泊和河道的曝气充氧中有着广泛的应用。1998年韩国水萦江（suyong）和1990年北京清河分别使用叶轮吸气式曝气充氧装置，结果表明叶轮吸气推流式曝气方式能有效的改善区域内水体水质，增加溶氧水平，水体透明度和臭味明显改善，COD显著降低 。1.3 水下射流曝气水下射流曝气是通过水泵将水吸入，在水体高速流动条件下经出水管道水射器将空气吸入，气水混合液经水力混合切割后进入水体，形成湍流，从而达到复氧的目的。Baylar等人列举了文丘里管、圆形喉管等水射流类型，提出水射流的复氧效率与水流的喷射形状、气泡的侵入深度等因素有关。Kerr等人指出对于平原缺氧性河流，需要利用水泵提升水位，因此水射流复氧需要较高的经济成本27。1.4 纯氧曝气纯氧曝气法早在19世纪60年代由西方国家在传统活性污泥法的基础上发展起来，其机理与空气曝气基本相同，其不同点在于纯氧是向水中充入纯氧，复氧效率高于空气曝气；纯氧曝气包括纯氧-微孔管曝气系统和纯氧-混流增氧系统两种形式。上世纪80年代纯氧设备分别在德国Enscher河和泰晤士河上得到应用，实验数据表明，纯氧增氧设备使河流缺氧段溶解氧含量升高了6.8%。由此可知，各类人工曝气被广泛的应用于世界各地的河道中并取得了良好的效果。但不同类型曝气方式在复氧效果和经济成本方面也有一定的差别，微孔曝气及纯氧曝气的复氧效果优于其他类型，王臻指出在同一供氧量下鼓风曝气较射流曝气年运行成本低2.14倍，工程投资高1.16倍；鼓风曝气较叶轮吸气推流式年运行成本1.31倍，工程投资低1.06倍。此外，人工曝气复氧可以达到消除黑臭减轻污染的目的，在一定程度上起到立竿见影的效果，但是河道人工曝气复氧技术不能彻底切断污染源，且存在高能耗及运行管理不便等问题，难以保证其持续运行，纯氧曝气因其高昂的制氧费用也未得到大规模的推广应用。2水力跌水复氧技术跌水复氧的基本途径有两条：一是在重力势能的作用下，水体或水流表面由高处向低处自由下落的过程中充分的与大气接触，部分大气中的氧溶入水流中，形成溶解氧；二是在水滴或水流以一定的速度进入受水区液面时，对水体产生扰动，从而产生部分气泡，在其上升到水面过程中，气泡界面与水体进行充分接触，将部分氧溶入到水中。根据不同的河流特点，目前河道复氧技术采用的水力复氧方法主要有两种：（1）不同形式水工建筑物跌水；（2）多级跌水曝气。2.1 水工泄水建筑物跌水复氧研究进展单浩音对几种复氧方法进行经济性比较，结果表明：对现有城市橡胶坝断面进行适当改进后，河流复氧指数大幅度提高，同时节省经济开支33。王锦旗、罗英明等研究指出不同溢流面橡胶坝复氧效果的强弱取决于溢流面上水流的紊动强度、气液接触面积、跌水流量及气泡与水体的接触反应时间，流量较小时溢流坝的复氧效果较好，阶梯面的复氧效果较好，粗糙面次之，光滑面的复氧效果最差34-36。Baylar和Bagatur研究指出45三角形堰的复氧效率优于其他形状的堰体37。刘晓波、廖文根指出各种因素对跌水曝气复氧效果的影响由大到小依次为跌水高度、跌水流量、跌水区水深和水温32,28。李发站等推导出水温为22-24微污染水源水跌水曝气充氧模型，指出跌水后DO浓度是饱和DO浓度、初始DO浓度、初始流速、跌水高度h等的函数，与其它因素无关39。2.2 多级跌水曝气复氧研究进展Baylar系统的总结了高压流水头系统和自由表面流系统两类跌水复氧的过程和特点，对比其气水流量比和复氧效率，得出多级跌水曝气是一种高效的水体复氧方式40。李永华等人研究表明多级护坡跌水平均净增溶解氧4.25mg/l，与其他曝气方法比较，其具有因地制宜、投资省、维护管理方便等特点41。由以上分析可知，当前水力复氧主要依靠水工建筑物跌水复氧，跌水复氧效果与跌水流量、溢流面形状、跌水高度、跌水区水深、温度等因素有关，跌水复氧效果良好，其优点在于因地制宜、投资省、无动力消耗、维护管理方便；但对于严重污染的河道，跌水复氧量不足以去除水中所有的污染物质；且水工泄水建筑物有时也会引起超饱和复氧问题，对鱼类生长构成威胁，导致鱼类气泡病。此外，水体跌水复氧模型已经进行了比较广泛研究，但实验模型的种类较多，在结构还不统一，可靠性不高，不能很好的支撑水体复氧技术研究的发展。3水体复氧新技术目前已经得到推广应用的新型复氧技术主要是无泡供氧和太阳能供氧技术。无泡供氧技术早在20世纪60年代就已经引起研究人员的关注，近年来利用中空纤维膜进行无泡供氧的技术已经逐步成熟，该技术不但可以降低能耗，而且可以大大提高曝气效率。Peter等研究结果表明无泡供氧技术用于地表水的曝气供氧是可行的，具有传氧效率高、无泡沫形成、设备体积小、能耗低等优点，但膜的造价较高和膜污染问题是阻碍其大规模应用的主要障碍45。王文林等人研究太阳能曝气治理技术对水质的改善效果，实验数据表明底层水体DO浓度提高了5-8倍，水体的透明度得到明显改善，水体中的COD、TN、氨氮、TP浓度显著降低。但研究发现，尽管SolarBee短期内能有效改善水体水质，但其脱氮效率较低，主要水质指标除DO外仍处于劣V类水平，且很难进一步得到改善46。综上所述，人工复氧新技术在复氧效果和节省能耗方面呈现出一定的优势，但是人工复氧新技术投资较高，同时也有可能引发新的问题，离大规模的推广应用新技术还有一定的差距。各类复氧技术的经济成本及复氧效果比较如表1所示：表1 各类复氧技术技术特点表复氧方式复氧效果投资成本运行成本鼓风曝气较好较低低叶轮吸气推流式曝气较好较高高水下射流曝气较好较高较高纯氧曝气好较高较高泄水建筑物跌水一般低低多级跌水一般低低太阳能较好高低无泡供氧技术好高高（本文由郑州大学于鲁冀教授等人撰写，刊登在环境工程2015年第期，在编辑过程中做了适当调整，请点击阅读原文获得全文）专心-专注-专业