劉海洪 李先寧 宋海亮

(東南大學(xué)能源環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

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淺水湖泊防控黑臭水體復(fù)氧技術(shù)

劉海洪 李先寧 宋海亮

(東南大學(xué)能源環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

試驗(yàn)研究了復(fù)氧技術(shù)防控淺水湖泊黑臭水體發(fā)生的機(jī)理和復(fù)氧設(shè)備.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太湖水在藻濃度1.0×108～5.0 ×108cells/L，水溫約28 ℃時(shí)，靜止過程中水中的CODMn、二甲基三硫醚濃度持續(xù)升高，6 d后發(fā)生明顯的類湖泛的水體黑臭現(xiàn)象，表明采用人工復(fù)氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可防控藻源性局部黑臭水體發(fā)生.研發(fā)出3種升流循環(huán)復(fù)氧裝置，結(jié)果顯示，Ⅲ型裝置充氧及能量利用率性能最佳.中試試驗(yàn)顯示，Ⅲ型中試溶解氧升高及擴(kuò)散趨勢與fluent模型相符，80 h時(shí)溶解氧平均值為3.65 mg/ L，溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h)；升流循環(huán)復(fù)氧機(jī)在模擬黑臭水體應(yīng)急處置時(shí), 48 h時(shí)影響半徑可達(dá)到50 m.初步證明升流循環(huán)復(fù)氧裝置可作為應(yīng)急充氧設(shè)備, 用于類似太湖的淺水湖泊黑臭水體的治理領(lǐng)域.

復(fù)氧裝置；淺水湖泊；黑水團(tuán)；富營養(yǎng)化；太湖

富營養(yǎng)化湖泊局部黑臭水體現(xiàn)象又常稱“黑水團(tuán)”、“湖泛”[1],暴發(fā)時(shí)大量藻類、藻類殘?bào)w與富含污染物的底泥,在厭氧條件下快速發(fā)酵分解,產(chǎn)生惡臭物質(zhì)[2],在風(fēng)向、溫度等氣象條件及水流、水深等水文條件的綜合作用下,在局部區(qū)域形成呈團(tuán)狀并不斷流動(dòng)擴(kuò)散的黑臭水體[3].

“黑水團(tuán)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生于太湖、巢湖等富營養(yǎng)化淺水湖泊.嚴(yán)重威脅湖泊生態(tài)和飲用水安全.盡快恢復(fù)湖泊正常的溶解氧水平,是生態(tài)系統(tǒng)得以重建的基礎(chǔ).目前主要依賴自然恢復(fù),自然復(fù)氧速率難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)時(shí),人工復(fù)氧是重要的應(yīng)急處理手段.目前應(yīng)用于國內(nèi)外湖庫增氧技術(shù)中固定式人工曝氣裝置均存在各自局限.其中同溫層曝氣[4-5]、空氣管充氧曝氣[6]等存在循環(huán)范圍小的局限;曝氣揚(yáng)水筒氧利用率低且僅可用深度大于6 m的湖泊[7-8],表面曝氣機(jī)在湖面安裝困難且安裝纜繩將阻擋航道[9];射流曝氣器吸氣量小,服務(wù)面積小,氧利用率較低[10],難以實(shí)現(xiàn)大型化.

本文通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究復(fù)氧技術(shù)控制淺水湖泊湖泛的機(jī)理及控制參數(shù),并設(shè)計(jì)適用于淺水湖泊復(fù)氧的新型升流循環(huán)復(fù)氧裝置(UFCR),結(jié)合室內(nèi)/室外試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型研究表明,UFCR裝置適合于淺水湖泊湖泛發(fā)生時(shí)的應(yīng)急控制.

1 試驗(yàn)

1.1 室內(nèi)靜態(tài)模擬試驗(yàn)

室內(nèi)靜態(tài)模擬試驗(yàn)裝置由0.25 m(直徑)×1.5 m(高)透明有機(jī)玻璃材料制成,分水層和泥層,水層高為1.35 m,泥層高為0.15 m,外側(cè)開有5個(gè)監(jiān)測取水樣口.試驗(yàn)過程中使用的試驗(yàn)材料(藍(lán)藻、湖水、底泥等)均采自太湖藻源性局部黑臭水體易發(fā)、高發(fā)區(qū).

將多組試驗(yàn)裝置并排放置于室內(nèi),鑒于太湖藻源性局部黑臭水體常發(fā)生在夏季氣溫較高時(shí)期,平均水溫約28℃,藻密度為1.0×108～5.0×108cells/L,因此控制室內(nèi)溫度為(30±2)℃,并對(duì)模擬試驗(yàn)水柱作蔽光處理,阻止藍(lán)藻的光合作用,促進(jìn)藍(lán)藻消亡.各組初始藻濃度、湖水、底泥均相同,區(qū)別僅在于曝氣強(qiáng)度的不同.人工復(fù)氧裝置采用電磁式空氣泵和砂芯曝氣頭曝氣.

1) 早期階段組(Ⅰ組) 當(dāng)水體逐漸因藻腐敗溶解氧濃度降低至2.0 mg/L時(shí),通過控制人工復(fù)氧氣量,使水體溶解氧穩(wěn)定在2.0 mg/L.

2) 漸進(jìn)階段組(Ⅱ組) 當(dāng)水體逐漸因藻腐敗溶解氧濃度降低至1.0 mg/L時(shí),通過控制人工復(fù)氧氣量,使水體溶解氧穩(wěn)定在1.0 mg/L.

3) 發(fā)生階段組(Ⅲ組) 當(dāng)水體逐漸因藻腐敗而溶解氧濃度低至0時(shí)(ORP為-100 mV),通過控制人工復(fù)氧氣量,使水體溶解氧穩(wěn)定在1.0 mg/L.

4) 深度發(fā)展階段組(Ⅳ組) 當(dāng)水體逐漸因藻腐敗而溶解氧濃度降低0時(shí)(ORP為-350 mV),通過控制人工復(fù)氧氣量,使水體溶解氧穩(wěn)定在1.0 mg/L.

5) 對(duì)照組(Ⅴ組) 不做曝氣處理.

1.2 升流循環(huán)復(fù)氧裝置研發(fā)及優(yōu)化試驗(yàn)

研發(fā)出3種型式的復(fù)氧器,其氣彈提升結(jié)構(gòu)相同,但曝氣區(qū)設(shè)計(jì)各有特點(diǎn).均具有一氣兩用、曝氣提水的雙重效能,Ⅲ型是對(duì)前2種型式結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化,詳細(xì)情況見文獻(xiàn)[11].

1.3 Ⅲ型裝置fluent模型

為預(yù)測Ⅲ型裝置水力特征及充氧傳播性能,采用fluent軟件平臺(tái),建立二維非穩(wěn)態(tài)模型,研究淺水型升流循環(huán)接觸復(fù)氧裝置對(duì)局部黑臭水體復(fù)氧效果的實(shí)際效果.模擬采用了氣液雙流體模型、標(biāo)準(zhǔn)二維K-ε湍流模型、分離式(segregated)求解器隱式法(implicit)線性化離散格式,求解動(dòng)量方程、湍流方程、輸運(yùn)方程、能量方程,模擬速度場、溶解氧分布.

在二維非穩(wěn)態(tài)模型中設(shè)置二維水池為寬100 m、水深1.8 m,曝氣裝置位于水池正中.

1) 進(jìn)口參數(shù).進(jìn)口面為曝氣裝置頂端面,寬度300 mm,水流速度1 m/s.裝置的空氣充氣量為11 m3/h,扣除空氣所占體積流量,修正后的出口面流速為0.957 m/s.進(jìn)口面水溫為293 K,氧氣組分質(zhì)量濃度為6 mg/L,其余為水.

2) 出口參數(shù).定義曝氣裝置底部側(cè)面為自由出流.

3) 水體表面、池底及側(cè)面定義為Wall邊界.

4) 擴(kuò)散系數(shù).在293 K溫度下,氧氣在水中的分子擴(kuò)散系數(shù)為2.1×10-9m2/s[12].

5) 耗氧反應(yīng)速率.定義耗氧反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)k=-0.2 mg/(L·h)=-3.086 4×10-12mol/(m3·s),根據(jù)阿倫烏尼斯公式,對(duì)于零級(jí)反應(yīng),活化能參數(shù)為0,指前因子A=-k=3.086 4×10-12.

1.4 中試

中試現(xiàn)場為太湖邊某撈藻站第3號(hào)撈藻池(100 m×50 m×1.8 m),中試裝置為Ⅲ型多面空心球型裝置,中心筒直徑φ300 mm,設(shè)計(jì)曝氣量為20 m3/h,采用沉藻水配制的模擬太湖黑臭水體進(jìn)行充氧研究.試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示.各組試驗(yàn)?zāi)M黑臭水體采用等量腐化沉藻水和太湖湖水配置.

試驗(yàn)裝置置于試驗(yàn)水池中間,由裝置底部鋼制墜塊半固定于池底,采用氣泵作為氣源,氣體流量為20 m3/h.于場地中設(shè)置棧橋,并將棧橋修至池中心.取樣點(diǎn)從池中心沿棧橋每15 m設(shè)一個(gè)點(diǎn),共設(shè)4個(gè)點(diǎn),定義為1號(hào)測點(diǎn)～4號(hào)測點(diǎn),分別距池中心半徑0,15,30,45 m,每個(gè)測點(diǎn)設(shè)4個(gè)溶解氧取樣位置,分別距水面深度為0.2,0.7,1.2,1.7 m;在1號(hào)測點(diǎn)～4號(hào)測點(diǎn)水面下，采用采樣瓶采集1.0 m處水樣.試驗(yàn)期間氣溫在12～20℃;水溫在15～20℃.

(a) 試驗(yàn)裝置

(b) 點(diǎn)位布置圖(單位：m)

2 測定方法

靜態(tài)試驗(yàn)中檢測的致臭物質(zhì)為二甲基三硫醚(DMTS),其檢測分析采用吹掃捕集-氣相質(zhì)譜聯(lián)用法.

表1 測定項(xiàng)目及其測定方法

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)初期,懸浮在水中的藍(lán)藻迅速聚集到水體表面,厚度為1.0 cm,顏色為鮮綠色,呈稠密油漆狀.隨著時(shí)間推移,堆積藍(lán)藻消亡,表層藍(lán)藻開始泛黃,并不斷加劇,伴隨有惡臭氣體產(chǎn)生,藻層呈腐爛狀,藍(lán)藻開始不能完整覆蓋整個(gè)水面,最終全部消亡沉入水底.試驗(yàn)過程中有大小不一的氣泡,從水體底部上浮至水面.在靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行至第6 d時(shí),對(duì)照組試驗(yàn)水柱水體有明顯泛黑跡象并隨時(shí)間延長，水體發(fā)黑加劇;其他Ⅰ組～Ⅳ組模擬水柱從試驗(yàn)開始至試驗(yàn)結(jié)束都沒有出現(xiàn)發(fā)黑跡象,說明適時(shí)地人工復(fù)氧有效阻止水體發(fā)黑變臭的發(fā)生.

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.試驗(yàn)結(jié)果顯示:

1) 太湖水在藻濃度為1.0×108～5.0×108cells/L,水溫約28℃時(shí),靜止過程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫密度持續(xù)升高, 6 d后發(fā)生明顯的類湖泛的水體黑臭現(xiàn)象.

2) 采用人工復(fù)氧維持1.0 mg/L以上的溶解氧水平,可阻止水體發(fā)黑發(fā)臭,并將已發(fā)生黑臭的水體恢復(fù)正常外觀.

(a) DO

(b) CODMn

(c) DMTS曲線圖

3) 人工復(fù)氧將已厭氧還原的鐵錳再次氧化為高價(jià)態(tài),高價(jià)態(tài)的鐵錳不再形成黑色的硫化物,從而抑制了水體發(fā)黑;同時(shí)氧氣氧化硫化物,包括硫化氫、硫醇、硫醚等發(fā)臭物質(zhì),進(jìn)而抑制了水體黑臭的出現(xiàn).

4) 人工復(fù)氧維持水體溶解氧1.0 mg/L可抑制水中二甲基三硫醚的產(chǎn)生,復(fù)氧還可將已經(jīng)產(chǎn)生的二甲基三硫醚降解.

5) 采用人工復(fù)氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可預(yù)防藻源性局部黑臭水體的發(fā)生.

6) 對(duì)于已發(fā)生藻源性局部黑臭的水體可采用人工復(fù)氧,控制溶解氧濃度為1.0 mg/L，即可有效促進(jìn)水中黑臭物質(zhì)的去除,恢復(fù)水體功能.

3.2 模型結(jié)果

從圖3的模型模擬結(jié)果顯示,升流復(fù)氧裝置的流場分布是以升流復(fù)氧裝置的出水口為起點(diǎn),在水面呈傘狀擴(kuò)散,在遠(yuǎn)離出水口表層下行,并回流至復(fù)氧裝置的下方入水口,流速場以裝置軸線對(duì)稱，呈上、下層環(huán)流,并形成穩(wěn)態(tài).

但由于氧擴(kuò)散過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),氧隨之消耗,氧濃度下降,開始時(shí)有氧區(qū)僅在復(fù)氧裝置出水口附近,但隨著充氧時(shí)間的延長,有氧圈逐步擴(kuò)大,有氧圈內(nèi)的氧濃度也逐步提高,最終氧擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),試驗(yàn)進(jìn)行72 h后距裝置出水口半徑10 m處的溶解氧與出水口的溶解氧濃度相同，為6 mg/L,半徑從10 m至最大50 m時(shí)溶解氧濃度逐步下降,在半徑50 m處溶解氧為2.75 mg/L,至半徑71 m處,溶解氧濃度下降至1.0 mg/L,溶解氧影響半徑為83 m.根據(jù)溶解氧提升至1.0 mg/L應(yīng)急處置黑臭水體的復(fù)氧要求,中試復(fù)氧裝置的理論影響半徑為71 m.

圖3 72 h復(fù)氧裝置周邊氧氣濃度穩(wěn)態(tài)分布圖

3.3 中試試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 試驗(yàn)中水體溶解氧變化規(guī)律

試驗(yàn)中水體溶解氧變化如圖4所示.由圖可知,升流循環(huán)復(fù)氧機(jī)水體充氧有如下特征:

(a) 不同深度平均溶氧曲線

(b) 不同點(diǎn)位平均溶氧曲線

1) 溶解氧升高趨勢從中心點(diǎn)向四周擴(kuò)散,與模型相同.由圖4(b)可見，表層到水下的溶解氧1號(hào)測點(diǎn)高于其他測點(diǎn)的溶解氧,與模型揭示的溶氧分布相同,呈現(xiàn)高低扇形梯度分布,顯示出溶解氧由中心向四周的擴(kuò)散趨勢,其原因是由于升流循環(huán)復(fù)氧機(jī)的充氧是通過設(shè)備中心點(diǎn)微孔曝氣產(chǎn)生的貧氧空氣,推動(dòng)充氧水由設(shè)備中心向四周擴(kuò)散,從而帶動(dòng)溶解氧由中心向四周的梯度分布.

2) 近池底溶解氧升高困難.由圖4(b)可見,除1號(hào)測點(diǎn)水下1.7 m處溶解氧升高小于0.12 m/L外,其余測點(diǎn)均無明顯增加的趨勢,說明該水深的升流循環(huán)復(fù)氧機(jī)的溶氧提升難以達(dá)到該水深.其原因主要是因?yàn)?.7 m水深接近底層,受水底高污染物濃度的影響,耗氧速率較高;同時(shí)近池底水體湍流擴(kuò)散受到抑制,由上層水體傳遞來的溶解氧速度變慢,且被迅速消耗,難以體現(xiàn)水體溶解氧的升高.

3) 溶解氧擴(kuò)散范圍與模型基本相符.試驗(yàn)進(jìn)行80 h時(shí)溶解氧平均值為3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h);溶氧升高幅度與fluent模型模擬基本相符.

由圖4可見,試驗(yàn)進(jìn)行40 h時(shí)水體各處平均溶解氧濃度為1.03 mg/L,但各點(diǎn)溶解氧均未升至大于1.0 mg/L,試驗(yàn)進(jìn)行48 h時(shí),4號(hào)測點(diǎn)溶解氧平均值升至1.15 mg/L,說明升流循環(huán)復(fù)氧器在模擬黑臭水體應(yīng)急處置48 h時(shí)影響半徑可以達(dá)到50 m.

3.3.2 試驗(yàn)中化學(xué)耗氧量及氨氮變化規(guī)律

(a) CODCr

(b) NH+4各測點(diǎn)變化圖

4 結(jié)論

1) 太湖水在藻濃度1.0×108～5.0×108cells/L,水溫約28 ℃時(shí),靜止過程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫濃度持續(xù)升高, 6 d后發(fā)生明顯的類湖泛的水體黑臭現(xiàn)象.

2) 采用人工復(fù)氧維持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可預(yù)防藻源性局部黑臭水體發(fā)生.

3) 研發(fā)出3種升流循環(huán)復(fù)氧器,中試試驗(yàn)顯示Ⅲ型中試設(shè)備溶解氧升高及擴(kuò)散趨勢與fluent模型相符,試驗(yàn)進(jìn)行80 h時(shí)溶解氧平均值為3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率為0.045 4 mg/(L·h);在模擬黑臭水體應(yīng)急處置時(shí)48 h，影響半徑可以達(dá)到50 m.

4) 升流循環(huán)復(fù)氧器提供的氧，其中84.09%被細(xì)菌用于降解CODCr、氨氮等耗氧物質(zhì),15.91%用于提升水中溶解氧濃度.初步證明本文研制的升流循環(huán)復(fù)氧器可作為應(yīng)急充氧設(shè)備，用于類似太湖的淺水湖泊黑臭水體的治理.

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Re-oxygenation technology for prevention and control of black water in shallow lakes

Liu Haihong Li Xianning Song Hailiang

(School of Energy Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The mechanism of re-oxygenation technology to control black water aggregation (BWA) in a shallow lake was explored. Static experiments show that under a temperature of 28 ℃ and the blue algae density of 1.0×108to 5.0 ×108cells/L, the concentration of CODMn, dimethyl trisulfide( DMTS )in Taihu Lake continually rises,and finally becomes black and putrid after 6 d. It shows that artificial aeration to maintain dissolved oxygen (DO) content exceeding 1.0 mg/L in water can prevent and control the occurrence of black and putrid water.Three types of up-flowing cycle re-oxygenation (UFCR) devices for shallow lake oxygenation are developed, and type Ⅲ is optimal. The simulated black water pilot test shows that the diffusion trend of the DO for the type Ⅲ device is consistent with the corresponding fluent software model. After 80 h ,the concentration of DO is 3.65 mg/L ,and the average rising rate is 0.045 4 mg/(L·h). The influence radius of type Ⅲ device can reach 50 m after 48 h when the UFCR is used to treat black and putrid water. This device can be used to prevent and control the emergence of black and putrid water in shallow lakes.

re-oxygenation device; shallow lakes; black water group; eutrophication; Taihu Lake

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.020

2014-09-10. 作者簡介: 劉海洪(1974—)，男，博士生，講師；李先寧(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lxn@seu.edu.cn.

國家水專項(xiàng)太湖項(xiàng)目資助項(xiàng)目(2009ZX07101-011).

劉海洪,李先寧,宋海亮.淺水湖泊防控黑臭水體復(fù)氧技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):526-530.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.020

X703.1

A

1001-0505(2015)03-0526-05