关于确定河湖充氧工程合理性的若干分析

刘 亮 李康宇 罗 希 李逸之

（1中工武大设计研究有限公司 湖北武汉 430000 2武汉生物工程学院 湖北武汉 430000）

引言

当前，自然水体的污染问题较严重，而自然水体生态修复与新时代国家的生态文明建设密不可分[1,2]。党的十九大以来，全国范围内掀起了新时期建设生态中国的浪潮，其中河湖的水污染治理、生态修复俨然成为主要任务之一。

河湖水质净化的工程措施往往通过引清稀释、曝气充氧、生态法以及其他新技术，引清稀释[3]是指通过引清调水降低污染物质在水体中的相对浓度，但此种方法只不过是转移了污染物质，且调水通道的建设，水系的连通多不具备工程经济性；生态法是利用生态学理念治理的根本统称，简单地说就是通过微生物、生物等的吸附转化达到净化水质的目的；曝气充氧技术，即人工向水体充入一定量的氧气，提高水体的溶解氧含量，有效改善水体的黑臭状况[4]。

在本文中，详细介绍了关于对河道湖泊充氧的理论依据及其适用性，分析了充氧工程的计算要点，并对河湖充氧工程合理性的确定进行了探讨。文中也提出了对充氧曝气措施实施的具体建议，为河湖水环境的治理提供一定的借鉴。

1 河湖充氧工程理论依据及其适用性探讨

1.1 实施河湖充氧工程的理论依据

水体中的溶解氧水平是衡量河湖受污染程度的重要指标，溶解氧含量的高低变化过程反映了污染物在河湖中的自净过程，河湖水体受纳的污染物质越多，水体中溶解氧的消耗越快，复氧速率远低于耗氧速率，水体中溶解氧不足而成缺氧或厌氧状态，从而导致厌氧微生物大量繁殖，导致水质恶化[5]。基于此，如果在适当的位置实施人工充氧工程，就可以避免出现缺氧或厌氧的水体段，提高水体自净能力。

1.2 河湖充氧效率的影响因素

在曝气充氧的过程中，气体分子从气相转移到液相，氧气的传递原理普遍使用Lewis和Whitan在1923年提出的双膜理论。一般情况下认为，氧转移的理论模型为：

式中：

dc/dt——氧转移速率，kgO2/(m3·h)；

KLa——氧分子总传质系数，h-1；

cs——与界面氧分压所对应的饱和溶解氧值，kgO2/m3；

c——液体中溶解氧浓度，kgO2/m3；

t——时间，h；

c1，c2——t1，t2时气体在液体中的浓度，kgO2/m3；

由此可见，影响氧转移速率的主要参数为液体中溶解氧不饱和值，为了提高充氧的速率，可从提高KLa和提高cs值两个方面着手，例如加强紊流强度、提高气相氧分压等措施。

1.3 河湖缺氧的程度确定

充氧工程实施的适用性首先从水体物理性指标上进行评价，如色度，SD上进行初步判断；其次对水质进行取样检测，依据水体DO指标，判断水体缺氧程度，一般认为DO含量在低于2mg/L时，水体处于缺氧状态，DO维持在6mg/L左右，则水体溶氧水平良好。另外，研究表明当水中DO含量在5～7mg/L时，鱼虾可以正常生长，当DO含量低于2mg/L时，一般鱼类将停止活动[6]。

2 河湖充氧工程合理性的确认

2.1 充氧曝气的位置的合理性确认

对河湖实施充氧工程，首先要确认拟充氧曝气区域的合理性，即不能盲目的选择曝气机布设位置，需要综合考虑。

充氧曝气区域的确定首先要调查河湖所面临的污染源，了解污染源分布特征，根据受污染程度确定。曝气区域的确定还要根据区域本来的自然条件所确定，如水深、水流动情况等。水体的功能也要充分考虑，例如布设曝气机是否影响航运，充氧曝气区域是否具有景观娱乐功能等，此外，对于一些偏僻的河湖来说，还要考虑曝气设施的防盗问题。

2.2 充氧工程的计算要点解析

确定充氧曝气的位置区域后，还需要清楚实施充氧工程需要布设曝气机的数量，曝气机布设的过多则影响到工程经济性，造成工程资源的浪费，曝气机布设的过少，则无法有效加快大气复氧的速率，对河湖水质的提升无济于事，也是一种工程资源的浪费。

2.2.1 需氧量的计算

需氧量主要取决水体流态、目前的水质状况和所要达到的水质目标、有无明显支流或泄洪通道。不同的水体类型要因地制宜，需采取不同的计算方法。

（1）组合式推流模型

对于流动性水体的需氧量计算，多采用组合式推流模型[7]。该模型是将水体近似地看作成多个河段的串联组合，综合考虑了物质耗氧和大气复氧、水生植物的光合作用等因素而建立起来的。

（2）箱式模型

对小型水体，由于水深浅、水面较小，且外源性污染负荷有限，因此可以采用基于一级反应的箱式模型[8]。该模型只需考虑有机物分解耗氧与大气复氧，计算公式为：

式中O——水体的需氧量，g

V——水体的体积，m3

L0——水体初始的BOD5浓度，mg/L

t——充氧时间，d

K1——BOD5生化反应速率常数，d-1

K2——水体的复氧速率常数，d-1

cm——维护水体好氧微生物生命活动的最低溶解氧浓度，一般可取2mg/L

充氧时间t根据下式确定：

式中L——水体改善后的BOD5浓度，mg/L

在计算需氧量时，如果需考虑无机物质、底泥的耗氧作用，相应的乘以一定系数。

（3）耗氧特性曲线法

在缺乏可靠的污染源资料的情况下，可利用试验确定设计水体的耗氧特性曲线，根据设计目标和各阶段耗氧量对总需氧量和各阶段的需氧量进行估算。

2.2.2 充氧量的计算

河湖的需氧量并不等于人工曝气设备的充氧量。计算河湖水体单位时间内转移到水体的溶解氧量为:

式中R——单位时间转移到实际水体中的溶解氧量，在此处即为需氧量；

KLa(20)——水温为20℃时的氧总传质系数，h-1；

cs(20)——水温为20℃时的饱和溶解氧浓度，mg/L；

c——水体中溶解氧量，mg/L；

V——水体的容积，m3

ρ——压力修正系数；

T——水温，℃；

A、B——系数；

A、B值可通过污水、清水的充氧试验进行确定。根据以往的工程经验，R值可取计算需氧量值的1.2～2倍。

2.3 充氧曝气形式的合理性确认

河湖充氧工程曝气的形式主要可分为机械曝气、鼓风曝气、射流曝气、水工建筑物复氧等，机械曝气是指机械轮轴的快速转动，使大量水体以液幕、液滴的形式抛向空中，与大气进行氧的接触转移，如倒伞型曝气机。鼓风曝气是指通过鼓风机向水体中供应一定的风量，气泡所携带的氧气在上升的过程中与水体充分接触转移的形式。射流曝气机在河湖充氧工程上的应用常常以景观喷泉的形式。水工建筑物复氧通过过水建筑物的形状来提高复氧能力，利用水流经过建筑物时的翻腾实现复氧，如跌水堰、汀步等[9]。

表1 各类充氧曝气技术形式的特点

充氧曝气形式的合理性确认有以下3种原则：

（1）河湖水质缺氧程度，确定充氧能力大小的充氧设施。

（2）依据河湖水体的功能判断曝气设施选择合适性。

（3）兼顾充氧工程经济效益与社会效益。

3 充氧曝气措施实施的相关建议

（1）积极探索使用新能源的曝气充氧技术，利用太阳能、风能等新能源能有效解决乡村等偏远河湖的水体缺氧问题。

（2）充氧工程要与其他水污染防治技术，水生态修复技术结合起来，强化水体的污染治理，有效改善河湖的生态环境。

结语

河湖充氧工程的实施不能够简单粗暴，要在充分了解河湖污染源特征、水体功能的基础上，详细分析水体的缺氧程度，选择合理的曝气充氧的区域，合理的曝气形式和曝气设施数量，同时结合其他污染控制技术，才能起到事半功倍的效果。充氧工程不能一蹴而就，设施的运行也离不开持续的水管理。只有综合考虑这些因素，兼顾工程的经济效益和社会效益，才能将生态的健康的河湖自然，还给美丽中国。