组合推流反应器模型用于黑臭水体需氧量计算

汪向阳 ，奚姗姗 ，金 鑫 ，王 猛 ，黄 瑞 ，杨 阳

（1.安徽省通源环境节能股份有限公司，安徽合肥230001；2.芜湖城市建设集团有限公司，安徽芜湖240202）

近年来，随着我国城镇化的快速发展以及基础设施的相对滞后，部分生活污水及地表径流未经处理排入河道，河流纳污量超过了其自净能力，导致水体出现黑臭现象，严重影响了周边的人居环境。消除水体黑臭、改善城市河道水环境已成为我国亟待解决的问题。水体中溶解氧不足是导致水体黑臭的原因之一，曝气增氧不仅能增加水体扰动，提高溶解氧含量[1]，抑制藻类生长，还能降低水体中的有机物、氨氮（NH3-N）、Fe2+、总磷（TP）等污染物[2-3]，促进河道底泥分解[4]，在工程中得到广泛应用。目前水体曝气增氧技术主要有人工曝气增氧、大气复氧和沉水植物光合作用传输氧气三种途径[5]，其中大气复氧速率慢，很难满足消除水体黑臭的需要；沉水植物光合作用能提供稳定的氧气，但在治理初期水体污染物含量高，水体透明度低，水生植物光合作用受到限制，氧气传输效率低；相比之下，人工曝气增氧快速、高效、简便，是工程实践中的主要增氧方式。

人工曝气增氧的设备主要有鼓风曝气和机械曝气两类[6]，其中微孔爆气、纯氧曝气和叶轮吸气推流式曝气在黑臭水体中应用较多，实践中需根据水体流动情况、设计水质和预期水质计算污染水体需氧量，从而选择合适的曝气设备。目前水体需氧量计算模型主要有箱式模型、好氧特性曲线和组合推流反应器模型[7]，其中箱式模型适用于静止水体，好氧特性曲线法适用于污染源资料不足的情况，计算精确度较大；组合推流反应器模型适用于各种水体，计算精度高。本文建立了组合推流反应器模型，利用该模型对某黑臭河道进行需氧量计算和设备选型，对曝气增氧前后的水质变化情况进行了分析，以期为曝气增氧技术修复黑臭水体的工程设计提供参考与借鉴。

1 组合推流反应器模型

1.1 计算原理与假设

组合推流反应器模型的理论基础是管道反应器（平推流反应器）作用原理，将河道分解为若干个平推流反应器，这些反应器串联即形成组合推流反应器[8]，其计算原理如图1所示。

图1 组合推流反应器计算原理示意图

为简化计算，需做如下假设：

（1）入河污染物均从反应器首端集中进入。

（2）入河污染源的水质、水量为定值。

（3）入河污染源与反应器进水瞬时即可混合均匀。

组合推流反应器模型是每段反应器中各项耗氧量和复氧量的代数和，是一种近似的计算方法，将河道分成尽量多的河段（即n足够大）可提高计算精准度。

1.2 模型建立

根据平推流反应器计算原理，可计算出组合推流反应器模型中任意一个反应器的需氧量，结果如下所示。

其中：Qn—第n个反应器的流量，m3/d；Qn-1—第 n-1个反应器的流量，m3/d；Qp-n—第p-n个污染源的流量，m3/d；Un—第 n 个反应器的平均流速，m/s；Sn—第 n 个反应器的过水断面面积，m2；tn—第n个反应器的水力停留时间，d；Ln—第n个反应器的长度，m；Co-n—第n个反应器出口还原物质的浓度，mg/L；Ko—无机还原物质的耗氧速率mg/（L·d）；C*0-n—第n个反应器进口还原物质的浓度，mg/L；kc—生化反应速率常数，d-1；C1-n—第 n 个反应器出口BOD5的浓度，mg/L；kN—硝化反应速率常数，d-1；C2-n—第 n 个反应器出口氨氮的浓度，mg/L；C0-n—第n个反应器水体的溶解氧浓度，mg/L；C3-n—大气复氧量，mg/L；Cs-n—第n个反应器在计算水温下的溶解氧浓度，mg/L；Sn—第 n 个反应器底面积，m2；αn—第 n 个反应器的底泥耗氧强度，g/（m2·d）；Cp-N-n—第 n 个污染源的氨氮浓度，mg/L；C2-(n-1）—第n-1个反应器出口的氨氮浓度，mg/L ；KLa—复氧系数，d-1；Os-n—第 n 个反应器的底泥耗氧量，kg/d；Oa-n—第n个反应器的藻类复氧量，kg/d；βn—第 n 个反应器的藻类复氧强度，kg/（hm2·d）；On—第 n个反应器的需氧量，mg/L；C0-(n-1）—第 n-1个反应器出口的溶解氧浓度，mg/L。

将计算出的各反应器需氧量求代数和即可得到项目区河道的总需氧量。

2 模型应用

将上述模型在本公司承接的一条黑臭河道中应用，以此作为增氧设备选型的依据。

2.1 项目河道概况

计算用河道在芜湖市镜湖区某小区内，计算范围段长度为340 m，水面面积10 552 m2，沿岸有三个排污口，以三个排污口为反应器入口将项目区分成三个部分，即三个推流反应器，水面面积分别为4 770 m2、4 406 m2和1 346 m2，排污口分布及三个反应器分区见图2。图中粗黑线条为计算区域分界线，三个检测点分别设在I-II区交界处、II-III区交界处和末端。项目区水体黑臭，项目周边未能实现完全截污，沿岸三个排污口均有少量污水流出，项目治理目标是消除黑臭。鉴于前期河道污染物含量较高，构建生态系统难以实施，所以先利用曝气增氧提高水体的溶解氧，降解部分有机物，待透明度提高后再进行生态系统构建。

图2 计算范围及曝气设备布置图

计算该区域水体需氧量所需的模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数

2.2 计算结果

2.2.1 曝气复氧前水质

复氧曝气前项目区三个断面水质见表2。

表2 复氧曝气前项目区水体部分指标平均值

从表2可知，项目区水体整体呈轻度黑臭现象，水体透明度太低，在生态系统构建前需提高水体透明度，增加水体溶解氧。为控制高温时节蓝藻暴发，设计中考虑将DO指标控制在4 mg/L以上。

2.2.2 需氧量计算及设备选型

根据模型及上述参数分区计算，三个区域达到消除黑臭指标所需的增氧量分别为1.48 kg O2/h、1.57 kg O2/h、1.63 kgO2/h。兼顾到景观效果，在I区和II区各设置一台涌泉曝气机（单台增氧能力2.0～2.2 kg O2/h，装机功率0.75 kW），III区设置一台推流曝气机（单台增氧能力2.1～2.3 kgO2/h，装机功率1.5 kW），设备布置位置如图2所示。

2.2.3 曝气复氧后水质分析

根据前述设备选型，并对项目区黑臭水体进行曝气复氧，考虑到前期水质较差，采用不间歇曝气，30天后取样检测，并将COD、BOD5、NH3-N和DO四项数据与模型计算结果进行对比，结果见表3。

表3 复氧曝气后项目区水体部分指标平均值

由表3分析可知，利用建立的模型计算需氧量并依次进行设备选型，曝气复氧后水质得到明显改善。COD、BOD5降幅较大，表明曝气复氧能促进水体中有机物的降解，这点与实验室的研究结果类似[9]；NH3-N有一定降幅，说明曝气增加水体流动、循环、交换，有利于氮的转化[10]，但NH3-N降幅较小。如需要进一步提升水质，单纯依靠曝气增氧难以实现，需配合其他工程方能实现；经过复氧工程，水体溶解氧均大于2 mg/L，能有效抑制水体黑臭[11]；氮源在曝气复氧过程中被分解成NH3，与水接触生成OH-，同时，硝化作用消耗了水体碱度，导致pH略有下降。

从表3还可发现，利用模型计算出的水质与实测水质误差均在10%以内，若不考虑径流对水体的稀释，该模型具有较高的精度。

3 结论

建立组合推流反应器模型，并将其用于黑臭水体曝气复氧工程需氧量计算和设备选型，在实现消除黑臭的前提下，对水质进行了预测。结果表明，若不考虑地表径流对水体的稀释作用，组合推流反应器模型能较好地预测黑臭水体需氧量和水质变化趋势。