王以堯，高 紅，徐祖信

(1.成都市環(huán)境保護科學研究院，成都 610000； 2. 成都市環(huán)境工程評審中心, 成都 610000；3.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

·水環(huán)境·

水域富營養(yǎng)化修復(fù)新方法
——將太陽能高效轉(zhuǎn)化為水動力

王以堯1，2，高 紅2，徐祖信3

(1.成都市環(huán)境保護科學研究院，成都 610000； 2. 成都市環(huán)境工程評審中心, 成都 610000；3.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

針對于自然水域富營養(yǎng)化加劇的現(xiàn)象，富營養(yǎng)化水域修復(fù)的基本原理入手，分析了自由移動的太陽能曝氣具有的較好的水體交換功能、水動力條件、溶解氧傳輸功能，以及低碳環(huán)保的好處。理論分析、相應(yīng)功能應(yīng)用實例和設(shè)備應(yīng)用實踐證明，該方法能夠有效緩解、修復(fù)自然水域富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

富營養(yǎng)化; 修復(fù); 曝氣; 太陽能; 移動性能

1 自然水域富營養(yǎng)化現(xiàn)象加劇

人類社會快速發(fā)展帶來的自然水域富營養(yǎng)化過程，目前已變成世界水域生態(tài)治理的嚴重問題。美國淡水水域，每年因富營養(yǎng)化問題造成水域使用功能退化和房地產(chǎn)影響致使經(jīng)濟損失約22億美元[1]。對英國面積小于1hm2的14 000個湖泊調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，到2015年約有51%的湖泊必須采取一定的措施來滿足“水框架協(xié)議”中的健康狀態(tài)標準[2]。在中國，有很多的淡水湖泊面臨不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象[3], 同時還涉及那些為世界提供了60%養(yǎng)殖水產(chǎn)品的眾多養(yǎng)殖池塘，面積約2×104hm2[4]。目前，許多國家和地區(qū)都采取了不同措施來應(yīng)對富營養(yǎng)化現(xiàn)象，如歐洲的“水框架協(xié)議”、中國在2015年出臺的“水污染防治行動計劃”。

2 富營養(yǎng)化修復(fù)常規(guī)措施及存在的問題

富營養(yǎng)化修復(fù)應(yīng)對措施主要包括污染物減排、原位修復(fù)和異位修復(fù)三種方式。從治理角度講，底泥疏浚、外源水體的調(diào)入是常見措施[5]。然而，目前越來越多的科學家認為底泥疏浚措施應(yīng)該謹慎實施，因為大量底泥的轉(zhuǎn)移、泥水界面的擾動會帶來難以估量的生態(tài)風險，同時工程費用也非常昂貴[6]。另外，調(diào)水往往需要較大工程措施(平原河網(wǎng)還需要較高的動力消耗)，很多失敗的案例表明大量換水只能贏得短暫較好水質(zhì)，不能解決根本性問題[7]。

人工曝氣曾被認為是價格便宜、效果明顯的富營養(yǎng)化修復(fù)方式[8]。目前比較常見的曝氣設(shè)備有噴水式、葉輪式、水車式和微孔式，它們都是固定安裝在某一個具體點位，其動力基本聚集在安裝點而不能較好的傳輸分散，因此在具體水域需要配置多個安裝點，運行能耗相對較高。曝氣船也有很多應(yīng)用，但其一次性投入價格相對較高，并且需要人為控制進行日常運行。

近年來，太陽能與曝氣設(shè)備結(jié)合已有一些應(yīng)用。王文林在2008年[9]報道了在張家港市重污染河道使用太陽能曝氣設(shè)備(SolarBee)的泵系統(tǒng)產(chǎn)生縱向的高速流來攪動水體以提高設(shè)備上下游30m的溶解氧以及改善水質(zhì)。凌方圓在2011年[10]研究了以太陽能電池板為主體材料、下方裝直流曝氣泵和紫外抑藻模塊的太陽能曝氣機，實現(xiàn)曝氣和抑藻兩種功能，從而抑制水體富營養(yǎng)化。焦子云在2014年[11]研究了太陽能發(fā)電帶動螺旋槳抽水、過濾的湖泊凈化裝置增強水體自凈能力。上述報道的太陽能曝氣設(shè)備共同點是只能在固定點使用，作用范圍較小。

在過去10年里，對移動式曝氣設(shè)備國內(nèi)外有很多嘗試[12～15]，吳宗凡在2014年[16]報道了由光伏供電裝置和水面行走裝置搭載涌浪機在水面沿鋼絲繩移動，并利用涌浪機的波浪進行增氧和實現(xiàn)水層交換。但是它們普遍存在移動性能較差(如需要相應(yīng)的軌道幫助)、作用范圍較小、能量高等缺點，從而致使較差的應(yīng)用實踐。所以有必要研究能夠在大水域中具有較高作用性能和使用清潔能源作為富營養(yǎng)化修復(fù)設(shè)備的新方法。

3 自由移動太陽能曝氣的優(yōu)勢

將太陽能、自由移動性能與曝氣系統(tǒng)結(jié)合起來形成自由移動太陽能曝氣設(shè)備，它由曝氣系統(tǒng)、檔流裝置、方向控制系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)和浮體組成。其中曝氣系統(tǒng)由風量大、能耗低的漩渦風機進行鼓風，然后連接曝氣筒體，筒體內(nèi)的曝氣系統(tǒng)形成負壓，促使水體從筒體底部流進，從筒體頂部流出。檔流裝置能夠遮擋住從筒體頂部流出的部分水流，水流單一方向的流動會形成反推力促使整個設(shè)備進行移動。由方向控制系統(tǒng)控制設(shè)備移動方向，具體智能控制系統(tǒng)進行方向轉(zhuǎn)換程序的設(shè)定。太陽能供電系統(tǒng)由光伏組件、逆變器和蓄電池等構(gòu)成，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為風機動能，浮體使整個裝置漂浮于水面。設(shè)備結(jié)構(gòu)非常簡單，便于安裝和維護。

3.1 移動性能具有更好的水體交換功能和水動力條件

覆蓋面積大是自然水域(湖、水庫、河流或池塘)富營養(yǎng)化修復(fù)重要難點之一，所以傳統(tǒng)曝氣設(shè)備難以表達出顯著的效果。一般來講，固定工作點的曝氣設(shè)備因水動力傳輸衰減較快而服務(wù)面積較小(通常小于0.05hm2)[17],太陽能移動曝氣設(shè)備在智能轉(zhuǎn)向機構(gòu)幫助下實現(xiàn)水域自由航行，到達水域任意區(qū)域達到水體不斷更新交換目的。同時，采用氣提方式能將大量水體從底層缺氧/厭氧水層提升到水面進行曝氣覆氧和光化學處理，去除水體異味和緩解藍藻爆發(fā)危機[18]。設(shè)備橫向移動實現(xiàn)水體水平交換，縱向提水實現(xiàn)水體上下交換，這種立體交換混合方式能有效達到“流水不腐”功效。移動性能帶來的較大服務(wù)面積，只需要在自然水域投放較少數(shù)量設(shè)備就能滿足使用需求，從而在不同水域以及不同使用要求情況下，設(shè)置不同運動軌跡程序就能滿足富營養(yǎng)化修復(fù)需求。同時，自由移動功能也減少了固定設(shè)備可能造成的航行阻礙等安全隱患。

3.2 移動曝氣具有更好的溶解氧傳輸效率

太陽能移動曝氣設(shè)備通過曝氣形成的定向水流反推力實現(xiàn)慢速持續(xù)移動具有較好更好的溶解氧傳質(zhì)效率，因為移動特點避免了溶解氧在靜態(tài)水體傳質(zhì)衰減嚴重的缺點，比如懸掛鏈移動曝氣設(shè)備在“百樂可”污水處理工藝上因較好的溶解氧傳質(zhì)效率獲得廣泛的應(yīng)用實踐[19]。實際上，移動曝氣船因其優(yōu)異的溶解氧傳輸性能深受用戶鐘愛，在富營養(yǎng)化的湖泊和河流具有很多應(yīng)用案例，比如法國塞拉河[20]，臺灣的“先鋒壹號”[21]。田永靜也通過實驗發(fā)現(xiàn)，曝氣塘采用固定式曝氣系統(tǒng)時實現(xiàn)完全混合曝氣充氧約需動力為15.6～52kW，而使用移動曝氣只需用2.25kW就能達到同樣效果[16]。

3.3 使用太陽能更具靈活性且更環(huán)保

科學家們都試圖尋找辦法來減少碳排放[22]，而太陽能的直接利用是有效途徑之一[23]，太陽能光伏發(fā)電能源償還時間為1～4.1年，而壽命長達30年[24]。自然水域光照都較為充分，所以小功率太陽能移動曝氣設(shè)備是分布式太陽能利用的最好方式之一，僅中國受污染湖泊和水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘水域使用1年就能節(jié)約36.8 TWh電能(7 234khm2中75%水域受到污染，按2∶104面積進行光伏板配置；2 000khm2水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘按4∶104面積進行光伏板配置)。同時，沒有電纜線束縛的設(shè)備移動更為靈活，不需要額外工程建造和電力傳輸過程潛在的危險性。所以，太陽能曝氣設(shè)備的應(yīng)用是利用清潔能源水域富營養(yǎng)化修復(fù)的最佳管理措施(BMPs)之一。在東莞松木山水庫水源區(qū)域，也建立了16公頃以太陽能為能源的水質(zhì)修復(fù)保障設(shè)施，用以降低葉綠素a的濃度和優(yōu)化水體藻類群落結(jié)構(gòu)[25]。

4 展 望

將太陽能高效轉(zhuǎn)化為水動力來修復(fù)富營養(yǎng)化水體的方法高效實用，該方法轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品(太陽能移動曝氣設(shè)備)在湖泊水庫以及水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘已有多個成功應(yīng)用案例，實踐證明它能有效緩解底泥黑臭、水體黑臭和藍藻爆發(fā)等現(xiàn)象，解決水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘殘餌糞便累積帶來的養(yǎng)殖隱患，強化營養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化，下圖為設(shè)備在上海某湖泊使用現(xiàn)場情景。

圖 自由移動的太陽能曝氣機使用場景Fig. Usage scenarios of solar-powered and mobile aeration device

但是，太陽能移動曝氣設(shè)備必須依賴足夠強度的太陽光照，在光照不足的地區(qū)(如四川)和天氣(陰雨天)情況下設(shè)備運行能力就會變得相對較弱，所以設(shè)備需要考慮加載自動返回岸邊進行電能補給。同時，設(shè)備配置的太陽能電池板面積較大、蓄電池充電時間較長、效率轉(zhuǎn)換較低，這些都依賴相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)進步來進一步解決。盡管太陽能移動曝氣設(shè)備還存在一些缺點，但設(shè)備先進理念、優(yōu)異功效、以及操作的智能化、管理要求的簡單化、運行的零能耗和低風險使其在富營養(yǎng)化水域修復(fù)行業(yè)中具有明顯的優(yōu)勢，預(yù)測會得到很快的應(yīng)用推廣。

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New Restoration Method for Eutrophic Water——Efficiently Transfer Solar-energy into Hydrodynamic Force

WANG Yi-yao1,2, GAO Hong2, XU Zu-xin3

(1.ChengduAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610000,China;2.ChengduEnvironmentEngineeringAppraisalCenter,Chengdu610000，China;3.CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092，China)

As surface water eutrophication is accelerated nowadays, according to the basic theory of eutrophication restoration, solar aeration device which can move freely has better water exchange function, hydrodynamic conditions and oxygen transfer rate, and it is low-carbon and environmentally-friendly. It is proved that this device can remit and restore eutrophication from theoretical and practical scope.

Eutrophication; restoration; aeration; solar-energy; mobility

2016-09-21

王以堯(1981-)，男，四川巴中人，2015年畢業(yè)于同濟大學環(huán)境科學專業(yè)，博士，高級工程師，研究方向為水域富營養(yǎng)化修復(fù)與調(diào)控。

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1001-3644(2017)01-0068-04