扬水曝气装置对李家河水库水质指标的影响

杨玮伦 高宇轩 王 昊

(1.西安水务(集团)李家河水库管理有限公司,陕西 西安 710082;2.西安理工大学计算机科学与工程学院,陕西 西安 710048)

1 研究背景

近年来,水库水逐渐取代地下水成为城市的主要供水水源。随着人民生活品质的不断提升,生活用水的水质标准亦日趋严格。从源头降低水源水库的污染负荷,保护和改善水源水质安全问题得到了业内极大的关注[1-4]。李家河水库是西安市的重要水源地之一,源起秦岭山脉,该水库(东经109°17′～109°36′,北纬33°51′～34°8′)位于陕西省西安市蓝田县境内,建成于2015年,属峡谷分层型水源水库,总库容5690万m3,平均水深56m,最大水深80m。李家河水库上游基本无工业企业,居民分布也比较分散,污染物主要来自暴雨冲刷。污染物通过河道、沟道等汇入水库,增大水库内水体污染负荷[5-6]。该水库是典型按温度区分的分层型水库,当水体分层形成后,下部水体温度、含氧量较低,水库底部会形成厌氧环境,导致库底淤泥中的氨氮、磷、铁、锰等不同程度地释放,造成水体水质恶化,主要表现在总氮超标,总磷含量较高。随着季节变换库区水质变差现象更为严重,水生态系统遭到破坏[7-8]。这些都将直接影响西安市水源水质的安全。

扬水曝气技术通过将压缩气体连续送入水体底部形成高速上升的大型气弹,实现底部水体循环充氧和水体垂向高效混合,达到抑制底泥中氨氮、总磷、铁锰、硫化物等污染物的释放,诱导水体恢复自我修复功能的目的。为有效改善李家河水库水质,切实保障饮用水安全,2018年李家河水库引入扬水曝气水质改善技术,以期达到延长水体混合期,改变原有水生态环境及水质状况的目的[9-10]。本文对2021年3月6日—7月6日期间李家河水库实际运行过程中引水管道前、引水塔水下35m处监测采样点连续监测得到的影响水质的九项重要指标(包括溶解氧、电导率、浊度、高锰酸钾指数、总有机碳含量、总氮、总磷、总铁和总锰等)进行分析,为水源水库的监管和治理提供实时有效的科学数据。该研究工作对于保护和改善水库水质、保证水库稳定运行、提高下游水厂的送水质量均具有重要的意义。

2 水质指标数据的采集及测试

2.1 水体采样点位置的选取

李家河水库在主库区呈S形安装分布了8台扬水曝气装置,见图1。扬水曝气系统是一种人工混合装置,包括空气压缩机、储气罐、供气管和扬水曝气器几个部分,它克服了热分层现象,并使水体上下混合充氧[7],扬水曝气系统开启运行,可以实现水体强制混合,系统关闭期间水体持续自然混合。本文研究中选取的水体水样取自李家河水库引水塔区域设置的水下35m处的水位监测点(图1中五角星符号处)。选此监测位置水样的主要原因是考虑该处水质与水库向渠道输送的水质(引水管道)相同,该处水质基本可以反映经过扬水曝气装置处理后水体的实际情况。

图1 李家河水库在主库区呈S形安装分布的8台扬水曝气装置及本文水样监测位置示意图

2.2 水体水样采集时间周期的选定

本文采用2021年3月6日—7月6日为时4个月的水样水质监测测试数据进行研究分析。实际运行中取7天为一个监测周期。监测时间大体分为三个时间段:第一阶段为2021年3月6日—4月12日,为水库自然分层期;第二阶段为2021年4月13日—5月5日,为扬水曝气装置开启运行但水库为非汛期阶段(汛期划分按西安市防汛指挥部要求);第三阶段为2021年5月6日—7月6日,为扬水曝气装置开启运行的汛期阶段。

2.3 水样水质的监测测试指标

在引水塔监测位置水下35m监测点处进行为期4个月的水体水样连续采集,监测采集频率为每周1次,利用5L的取水器采集指定位置处的水体水样。水样带回实验室后立即开展理化分析,电导率、溶解氧和浊度等指标使用哈希Hydrolab DS5多功能水质分析仪原位监测;高锰酸盐指数采用酸式滴定法测定;总氮和总磷采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法和过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定[8]。

3 水样水质监测测试数据结果及分析

图2～图10分别为2021年3月6日—7月6日李家河水库水样监测测试得到的高锰酸钾指数、电导率、总有机碳、溶解氧、总氮、总磷、总铁、总锰和浊度含量随时间的变化规律曲线。

图2 高锰酸钾指数随时间的变化规律

由图2～图10分析发现,三个时间段内九个指标的变化规律各有不同。在扬水曝气装置没有开启即自然混合分层期(2021年3月6日—4月12日),高锰酸钾指数、总有机碳、溶解氧、总氮、总磷、总铁以及水体的浊度都处于相对较低水平,电导率处于高位状态,而总锰含量的水平起伏比较大。西安防汛指挥部规定每年的5月5日为非汛期和汛期分界日。本研究中,扬水曝气装置开启运行后实际上经历了非汛期(2021年4月13日—5月5日)和(汛期2021年5月6日—7月6日)两个阶段。从图2～图10九个指标的变化曲线中,也可以发现汛期与非汛期扬水曝气装置对水质指标的影响是有区别的。

由图2和图3可以看出,非汛期和汛期高锰酸钾指数和电导率变化规律差别较大,高锰酸钾指数波动较大,但电导率从自然分层期向非汛期、汛期呈现逐渐下降的规律。

图3 电导率随时间的变化规律

图4和图5显示总有机碳和溶解氧呈现反向的变化规律。总有机碳含量由自然分层期向非汛期和汛期不断提高,而溶解氧则在自然分层期保持较低水平;在扬水曝气装置开启后,溶解氧达到了非常高的水平,非汛期向汛期过渡阶段,溶解氧的含量由最高的13.5mg/L降到9mg/L,溶解氧维持了较高的水平。

图4 总有机碳随时间的变化规律

图5 溶解氧随时间的变化规律

由图6和图7可以看出,总氮和总磷变化有相近之处,自然分层期维持较低水平,其后逐渐呈现由扬水曝气装置开启后非汛期的平稳阶段向汛期的大幅波动变化。汛期总氮水平最高达到4.7mg/L,总磷达到0.10mg/L。除此最高点外,汛期总氮和总磷水平分别维持在4.0mg/L和0.04mg/L以下。

图6 总氮随时间的变化规律

图7 总磷随时间的变化规律

图8和图9显示总铁和总锰含量出现了截然不同的变化规律。总铁含量从自然分层期到非汛期和汛期前期,一直稳定处于0.2mg/L以下的水平,但在汛期的6月下旬总铁含量飙升到1.45mg/L的高位水平;而总锰含量却由自然分层期的最高水平0.02mg/L左右,大幅降低到非汛期的0.0010mg/L水平,在汛期也只略微提升到0.0020mg/L以内的范围。

图8 总铁随时间的变化规律

图9 总锰随时间的变化规律

由图10可以看出,在自然分层期和汛期,水样的浊度非常低,基本控制在1左右。只有在非汛期4月下旬的两次测试中,水样浊度才明显增加到160NTU以及140NTU的极高水平。经分析是因为虽为非汛期,但当时下了雨,导致水库水体水质的浊度明显增加。

图10 浊度随时间的变化规律

4 结 论

本文对李家河水库引水塔监测点水下35m处采集的水体水样进行了分析测试,对反映水质的九个重要指标数据进行了系统处理,得到了九个指标值随水库运行时间(2021年3月6日—7月6日)的变化曲线。由实测曲线可以掌握在扬水曝气装置未开启的水体自然混合分层期、扬水曝气装置开启运行后非汛期和汛期三个阶段九个指标的变化规律。尽管由于水库的实际情况复杂,难以用基础理论准确解释和阐述各指标实际曲线的变化规律,但该研究结果为李家河水库提高监管和治理水平提供了真实有效的参考依据;对于保护和改善水库水体水质、保证水库正常稳定的生产运行、提升下游水厂水质质量均具有重要的作用。