浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术

刘海洪 李先宁 宋海亮

(东南大学能源环境学院，南京 210096)



浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术

刘海洪 李先宁 宋海亮

(东南大学能源环境学院，南京 210096)

试验研究了复氧技术防控浅水湖泊黑臭水体发生的机理和复氧设备.研究发现，当太湖水在藻浓度1.0×108～5.0 ×108cells/L，水温约28 ℃时，静止过程中水中的CODMn、二甲基三硫醚浓度持续升高，6 d后发生明显的类湖泛的水体黑臭现象，表明采用人工复氧维持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可防控藻源性局部黑臭水体发生.研发出3种升流循环复氧装置，结果显示，Ⅲ型装置充氧及能量利用率性能最佳.中试试验显示，Ⅲ型中试溶解氧升高及扩散趋势与fluent模型相符，80 h时溶解氧平均值为3.65 mg/ L，溶解氧平均上升速率为0.045 4 mg/(L·h)；升流循环复氧机在模拟黑臭水体应急处置时, 48 h时影响半径可达到50 m.初步证明升流循环复氧装置可作为应急充氧设备, 用于类似太湖的浅水湖泊黑臭水体的治理领域.

复氧装置；浅水湖泊；黑水团；富营养化；太湖

富营养化湖泊局部黑臭水体现象又常称“黑水团”、“湖泛”[1],暴发时大量藻类、藻类残体与富含污染物的底泥,在厌氧条件下快速发酵分解,产生恶臭物质[2],在风向、温度等气象条件及水流、水深等水文条件的综合作用下,在局部区域形成呈团状并不断流动扩散的黑臭水体[3].

“黑水团”现象频繁发生于太湖、巢湖等富营养化浅水湖泊.严重威胁湖泊生态和饮用水安全.尽快恢复湖泊正常的溶解氧水平,是生态系统得以重建的基础.目前主要依赖自然恢复,自然复氧速率难以在短期内实现该目标时,人工复氧是重要的应急处理手段.目前应用于国内外湖库增氧技术中固定式人工曝气装置均存在各自局限.其中同温层曝气[4-5]、空气管充氧曝气[6]等存在循环范围小的局限;曝气扬水筒氧利用率低且仅可用深度大于6 m的湖泊[7-8],表面曝气机在湖面安装困难且安装缆绳将阻挡航道[9];射流曝气器吸气量小,服务面积小,氧利用率较低[10],难以实现大型化.

本文通过室内模拟试验研究复氧技术控制浅水湖泊湖泛的机理及控制参数,并设计适用于浅水湖泊复氧的新型升流循环复氧装置(UFCR),结合室内/室外试验和计算流体动力学模型研究表明,UFCR装置适合于浅水湖泊湖泛发生时的应急控制.

1 试验

1.1 室内静态模拟试验

室内静态模拟试验装置由0.25 m(直径)×1.5 m(高)透明有机玻璃材料制成,分水层和泥层,水层高为1.35 m,泥层高为0.15 m,外侧开有5个监测取水样口.试验过程中使用的试验材料(蓝藻、湖水、底泥等)均采自太湖藻源性局部黑臭水体易发、高发区.

将多组试验装置并排放置于室内,鉴于太湖藻源性局部黑臭水体常发生在夏季气温较高时期,平均水温约28℃,藻密度为1.0×108～5.0×108cells/L,因此控制室内温度为(30±2)℃,并对模拟试验水柱作蔽光处理,阻止蓝藻的光合作用,促进蓝藻消亡.各组初始藻浓度、湖水、底泥均相同,区别仅在于曝气强度的不同.人工复氧装置采用电磁式空气泵和砂芯曝气头曝气.

1) 早期阶段组(Ⅰ组) 当水体逐渐因藻腐败溶解氧浓度降低至2.0 mg/L时,通过控制人工复氧气量,使水体溶解氧稳定在2.0 mg/L.

2) 渐进阶段组(Ⅱ组) 当水体逐渐因藻腐败溶解氧浓度降低至1.0 mg/L时,通过控制人工复氧气量,使水体溶解氧稳定在1.0 mg/L.

3) 发生阶段组(Ⅲ组) 当水体逐渐因藻腐败而溶解氧浓度低至0时(ORP为-100 mV),通过控制人工复氧气量,使水体溶解氧稳定在1.0 mg/L.

4) 深度发展阶段组(Ⅳ组) 当水体逐渐因藻腐败而溶解氧浓度降低0时(ORP为-350 mV),通过控制人工复氧气量,使水体溶解氧稳定在1.0 mg/L.

5) 对照组(Ⅴ组) 不做曝气处理.

1.2 升流循环复氧装置研发及优化试验

研发出3种型式的复氧器,其气弹提升结构相同,但曝气区设计各有特点.均具有一气两用、曝气提水的双重效能,Ⅲ型是对前2种型式结构的进一步优化,详细情况见文献[11].

1.3 Ⅲ型装置fluent模型

为预测Ⅲ型装置水力特征及充氧传播性能,采用fluent软件平台,建立二维非稳态模型,研究浅水型升流循环接触复氧装置对局部黑臭水体复氧效果的实际效果.模拟采用了气液双流体模型、标准二维K-ε湍流模型、分离式(segregated)求解器隐式法(implicit)线性化离散格式,求解动量方程、湍流方程、输运方程、能量方程,模拟速度场、溶解氧分布.

在二维非稳态模型中设置二维水池为宽100 m、水深1.8 m,曝气装置位于水池正中.

1) 进口参数.进口面为曝气装置顶端面,宽度300 mm,水流速度1 m/s.装置的空气充气量为11 m3/h,扣除空气所占体积流量,修正后的出口面流速为0.957 m/s.进口面水温为293 K,氧气组分质量浓度为6 mg/L,其余为水.

2) 出口参数.定义曝气装置底部侧面为自由出流.

3) 水体表面、池底及侧面定义为Wall边界.

4) 扩散系数.在293 K温度下,氧气在水中的分子扩散系数为2.1×10-9m2/s[12].

5) 耗氧反应速率.定义耗氧反应为零级反应,反应速率常数k=-0.2 mg/(L·h)=-3.086 4×10-12mol/(m3·s),根据阿伦乌尼斯公式,对于零级反应,活化能参数为0,指前因子A=-k=3.086 4×10-12.

1.4 中试

中试现场为太湖边某捞藻站第3号捞藻池(100 m×50 m×1.8 m),中试装置为Ⅲ型多面空心球型装置,中心筒直径φ300 mm,设计曝气量为20 m3/h,采用沉藻水配制的模拟太湖黑臭水体进行充氧研究.试验装置及试验现场如图1所示.各组试验模拟黑臭水体采用等量腐化沉藻水和太湖湖水配置.

试验装置置于试验水池中间,由装置底部钢制坠块半固定于池底,采用气泵作为气源,气体流量为20 m3/h.于场地中设置栈桥,并将栈桥修至池中心.取样点从池中心沿栈桥每15 m设一个点,共设4个点,定义为1号测点～4号测点,分别距池中心半径0,15,30,45 m,每个测点设4个溶解氧取样位置,分别距水面深度为0.2,0.7,1.2,1.7 m;在1号测点～4号测点水面下，采用采样瓶采集1.0 m处水样.试验期间气温在12～20℃;水温在15～20℃.

(a) 试验装置

(b) 点位布置图(单位：m)

2 测定方法

静态试验中检测的致臭物质为二甲基三硫醚(DMTS),其检测分析采用吹扫捕集-气相质谱联用法.

表1 测定项目及其测定方法

3 试验结果及分析

3.1 静态试验结果

试验初期,悬浮在水中的蓝藻迅速聚集到水体表面,厚度为1.0 cm,颜色为鲜绿色,呈稠密油漆状.随着时间推移,堆积蓝藻消亡,表层蓝藻开始泛黄,并不断加剧,伴随有恶臭气体产生,藻层呈腐烂状,蓝藻开始不能完整覆盖整个水面,最终全部消亡沉入水底.试验过程中有大小不一的气泡,从水体底部上浮至水面.在静态试验进行至第6 d时,对照组试验水柱水体有明显泛黑迹象并随时间延长，水体发黑加剧;其他Ⅰ组～Ⅳ组模拟水柱从试验开始至试验结束都没有出现发黑迹象,说明适时地人工复氧有效阻止水体发黑变臭的发生.

试验结果如图2所示.试验结果显示:

1) 太湖水在藻浓度为1.0×108～5.0×108cells/L,水温约28℃时,静止过程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫密度持续升高, 6 d后发生明显的类湖泛的水体黑臭现象.

2) 采用人工复氧维持1.0 mg/L以上的溶解氧水平,可阻止水体发黑发臭,并将已发生黑臭的水体恢复正常外观.

(a) DO

(b) CODMn

(c) DMTS曲线图

3) 人工复氧将已厌氧还原的铁锰再次氧化为高价态,高价态的铁锰不再形成黑色的硫化物,从而抑制了水体发黑;同时氧气氧化硫化物,包括硫化氢、硫醇、硫醚等发臭物质,进而抑制了水体黑臭的出现.

4) 人工复氧维持水体溶解氧1.0 mg/L可抑制水中二甲基三硫醚的产生,复氧还可将已经产生的二甲基三硫醚降解.

5) 采用人工复氧维持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可预防藻源性局部黑臭水体的发生.

6) 对于已发生藻源性局部黑臭的水体可采用人工复氧,控制溶解氧浓度为1.0 mg/L，即可有效促进水中黑臭物质的去除,恢复水体功能.

3.2 模型结果

从图3的模型模拟结果显示,升流复氧装置的流场分布是以升流复氧装置的出水口为起点,在水面呈伞状扩散,在远离出水口表层下行,并回流至复氧装置的下方入水口,流速场以装置轴线对称，呈上、下层环流,并形成稳态.

但由于氧扩散过程中会发生化学反应,氧随之消耗,氧浓度下降,开始时有氧区仅在复氧装置出水口附近,但随着充氧时间的延长,有氧圈逐步扩大,有氧圈内的氧浓度也逐步提高,最终氧扩散达到稳定状态,试验进行72 h后距装置出水口半径10 m处的溶解氧与出水口的溶解氧浓度相同，为6 mg/L,半径从10 m至最大50 m时溶解氧浓度逐步下降,在半径50 m处溶解氧为2.75 mg/L,至半径71 m处,溶解氧浓度下降至1.0 mg/L,溶解氧影响半径为83 m.根据溶解氧提升至1.0 mg/L应急处置黑臭水体的复氧要求,中试复氧装置的理论影响半径为71 m.

图3 72 h复氧装置周边氧气浓度稳态分布图

3.3 中试试验结果

3.3.1 试验中水体溶解氧变化规律

试验中水体溶解氧变化如图4所示.由图可知,升流循环复氧机水体充氧有如下特征:

(a) 不同深度平均溶氧曲线

(b) 不同点位平均溶氧曲线

1) 溶解氧升高趋势从中心点向四周扩散,与模型相同.由图4(b)可见，表层到水下的溶解氧1号测点高于其他测点的溶解氧,与模型揭示的溶氧分布相同,呈现高低扇形梯度分布,显示出溶解氧由中心向四周的扩散趋势,其原因是由于升流循环复氧机的充氧是通过设备中心点微孔曝气产生的贫氧空气,推动充氧水由设备中心向四周扩散,从而带动溶解氧由中心向四周的梯度分布.

2) 近池底溶解氧升高困难.由图4(b)可见,除1号测点水下1.7 m处溶解氧升高小于0.12 m/L外,其余测点均无明显增加的趋势,说明该水深的升流循环复氧机的溶氧提升难以达到该水深.其原因主要是因为1.7 m水深接近底层,受水底高污染物浓度的影响,耗氧速率较高;同时近池底水体湍流扩散受到抑制,由上层水体传递来的溶解氧速度变慢,且被迅速消耗,难以体现水体溶解氧的升高.

3) 溶解氧扩散范围与模型基本相符.试验进行80 h时溶解氧平均值为3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率为0.045 4 mg/(L·h);溶氧升高幅度与fluent模型模拟基本相符.

由图4可见,试验进行40 h时水体各处平均溶解氧浓度为1.03 mg/L,但各点溶解氧均未升至大于1.0 mg/L,试验进行48 h时,4号测点溶解氧平均值升至1.15 mg/L,说明升流循环复氧器在模拟黑臭水体应急处置48 h时影响半径可以达到50 m.

3.3.2 试验中化学耗氧量及氨氮变化规律

(a) CODCr

(b) NH+4各测点变化图

4 结论

1) 太湖水在藻浓度1.0×108～5.0×108cells/L,水温约28 ℃时,静止过程中水中CODCr、Fe、Mn、二甲基三硫浓度持续升高, 6 d后发生明显的类湖泛的水体黑臭现象.

2) 采用人工复氧维持水中1.0 mg/L溶解氧的方法可预防藻源性局部黑臭水体发生.

3) 研发出3种升流循环复氧器,中试试验显示Ⅲ型中试设备溶解氧升高及扩散趋势与fluent模型相符,试验进行80 h时溶解氧平均值为3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率为0.045 4 mg/(L·h);在模拟黑臭水体应急处置时48 h，影响半径可以达到50 m.

4) 升流循环复氧器提供的氧，其中84.09%被细菌用于降解CODCr、氨氮等耗氧物质,15.91%用于提升水中溶解氧浓度.初步证明本文研制的升流循环复氧器可作为应急充氧设备，用于类似太湖的浅水湖泊黑臭水体的治理.

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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. 作者简介: 刘海洪(1974—)，男，博士生，讲师；李先宁(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，lxn@seu.edu.cn.

国家水专项太湖项目资助项目(2009ZX07101-011).

刘海洪,李先宁,宋海亮.浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):526-530.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.020

X703.1

A

1001-0505(2015)03-0526-05