关于风能曝气机在富营养污染水体治理中的作用和机理之研讨

殷 友 庭
镇江市华城城镇建设新技术研究所

前言

　　当前，我国水环境污染仍然相当严重。大型湖泊（水库）和城市湖泊水质普遍较差，75%以上的湖泊富营养化加剧，解决氮、磷污染将是一项长期的艰巨任务。从投入巨额资金进行重点治理的一些湖泊的情况来看，富营养化湖泊的水质虽有一定的改善，但并未取得突破性进展。因此，目前摆在我们面前的任务是探索适合我国国情的投资少、运行费低、管理维护方便而又行之有效的措施和办法。笔者作为国家“九五”攻关课题“风能曝气机”主要参加者之一，参加了研制工作。
　　本文拟就风能曝气机在富营养水体治理中的作用和机理进行分析探讨，因时间仓促，有些问题未能深加思考，所谈观点非常粗浅，也可能有不妥之处，意图是和大家交流，并请指教。

一、富营养化水体的主要特征：

　　受营养元素污染的水体，如果是水流缓慢的半封闭水域或封闭水域，在适当的光照、温度条件下，天然水体的藻类将进行光合作用，合成本身的原生质。当营养元素的输入大于输出时，经过一定时间的积累，将导致水体的富营养化。富营养化水体主要特征是：初级生产量过度增殖，将破坏水体中生态系统原有的平衡，并引起浮游生物种类组成的变化，而发生蓝-绿藻水华，这时藻类在水中聚结成块，形成蓝绿色絮妆物或胶团状物质，覆盖了水体的表面，这种情况的出现，将使部分水体失去表面复氧作用。另外由于过量增长的浮游生物呼吸作用要消耗水体中的溶解氧，衰亡的藻类沉积于底层，在微生物分解其残渣的过程中（包括好氧分解、硝化反应等），也要消耗大量的溶解氧。因而造成富营养化水体的严重缺氧。国内外大量的资料报导了由于富营养水体严重缺氧而造成鱼虾大量死亡的事例。因此富营养化水体除了初级生产量的过度增殖以外，严重缺氧也是一个重要特征。

二、风能曝气机的研制及其构造、工作原理和性能参数简介

　　风能曝气机的研制是列入"九五"国家重点科技攻关项目的课题。镇江市华城城镇建设新技术研究所作为主要参加单位之一，参与了这项课题的研究实验工作。一九九六年委托天津大学对风能曝气机的模型进行了风洞实验，优选了最佳风轮翼型，以提高风能吸收利用率，并对低流速、大流量下最佳的螺旋桨角度和形状进行了研究，在此基础上进行了样机的设计和制造。一九九七年至一九九八年在镇江进行了现场试验，并在依托工程中加以应用，取得了良好效果，根据现场测定，其主要性能参数如下：启动风速为0.5m/s；二级风速时溶解氧的富集速率为1.2～1.34KgＯ2/h；服务面积为400～600m2。风能曝气机主要由叶轮、叶轮支架、浮基、导流筒和螺旋桨等几部分组成。当风轮收集、吸收了风能后，在风力的驱动下，沿着恒定的方向带动中轴旋转，并通过中轴带动其末端的螺旋桨同步旋转。在浮基的中央设有导流筒，螺旋桨设于导流筒内。当螺旋桨在中轴的带动下旋转时，其叶片将水体向下推动，于是导流筒上部的水体将向下流动进行补充，从而造成筒口水面下降，这就使得导流筒四周的表层富含溶解氧的水层向导流筒汇集，于是形成了一个以导流筒为中心的降水漏斗，通过降水漏斗的汇集和螺旋桨叶片的推动，把富含溶解氧的水体沿径向输送至水层深处，并同时把该处亏氧量较大的水层顶托至水体表面，形成了竖向环流，在环流的作用下，加快了界面的更换速度，加大了气液界面处的亏氧量，这就大大增强了氧从气相转向液相的转移速率。实践表明，风能曝气机对于提高水体深层溶解氧的浓度和水体溶解氧的总体水平具有显著的效果。其主要尺寸如下：风轮直径：0.90m；螺旋桨直径：0.70m；导流筒直径：0.72m；机身高度：3.32m；浮基宽度：4.00m。一九九九年通过了国家鉴定；二○○○年被列入"当前国家鼓励发展的环保产业设备"并获得国家专利。

三、应用风能曝气机治理富营养水体的作用和机理

　　湖泊具有广阔的水面，是一个可以充分利用风力资源的优良场所，因此可以用风力取代电力来驱动曝气装置。在湖泊中设置风能曝气机具有人工混合分层、增加氧的供应量和调节量，减少初级生产量等多种功能，可以在富营养污染的治理中发挥重要作用，分析如下：
3．1 减少初级生产量，修复失衡的生态系统营养结构
　　就现在研制的风能曝气机而言，在二级风的驱动下所产生的竖向环流，将在水体的表面水层和2.5米水深处的水层之间形成的全层循环，这对于淡水湖泊和深水湖泊的浅水湖区，可以取得如下效果：①在竖向环流的作用下，把生长于水体表层的藻类带入无光或弱光的水层中去，因环流的流动速度很小，藻类在无光区滞留时间较长，当藻类再次进入上层水体时因死亡、沉淀或休眠，而去除大部分或使其失去活力，只剩一部分藻类继续生长。②环流可使水层混合，有利于浮游动物的生存，这些浮游动物往往以藻类为食。因此增加了初级生产量的消耗。③通过竖向环流把氧带入湖底改变了湖底的缺氧、厌氧状态，抑制Ｎ、Ｐ等营养元素的释放，这有利于减少初级生产量的增长。
3．2 改变DO垂直分布，提高复氧速度，增加氧库库容
　　富营养水体中，白天藻类光合作用所产生的氧量，在其高峰期往往使水体中的DO达到过饱和状态。由于氧向水体深层的转移，主要依靠分子扩散，转移速率非常缓慢。因此DO浓度，沿水深呈倒梯形分布。而风能曝气机所形成的竖向环流将使水层混合，把富含DO的表层水输送到底层，这样一方面因加大了气水界面处的亏氧值，而提高了表面复氧的速率，另一方面均化了水体的DO浓度分布，既增加水体氧库的的库容，即增加了氧的调节量，同时可使以藻为食的浮游动物的供氧状态得到改善，有利于食物链营养结构的平衡。
3．3 为加环提供必要条件
　　湖泊中藻类的过量繁殖，意味着N、P的输入大于输出，超越了生态系统的自我调节能力。过剩的营养元素积蓄于生态系统中，使原有协调的结构与功能失调，物质循环及能量流动发生阻滞和障碍，即出现生态阻滞现象。处理这类污染，一方面应控制外源污染物的输入。另一方面采取措施调节水生生态系统的内部结构与功能，改善与加速生态系统中过剩物质的迁移、转化、循环和输出。根据国内外的经验，可以通过加环的办法来解决。即对水体中不同成分进行食物链式的横向耦合，变污染副作用为资源正效益。例如可以引入某些植食性原生动物和滤食性浮游动物以及某些以藻类、微型浮游动物为食的鱼类。鱼类可以捕获成为商品。这样可以使过剩的N、P外移，在隔绝外源N、P输入的情况下，可以恢复湖泊水生生态系统的平衡。但富营养水体因严重缺氧，而使加环难以进行。为了满足水体中原有的和引入的浮游生物呼吸需氧，向水体增氧将是一项必要措施。向水体进行人工增氧的办法可归结为两大类：一是由电力驱动的增氧装置；二是以风力驱动的风能增氧装置，由于在广阔的湖面上设置风能曝气机增氧具有节省基建费、运行费和管理维护等多方面的优点，应当说是一项加以鼓励采用的曝气增氧装置。

四、结　语

　　1、水体富营养的“防”与“治”是相辅相成、缺一不可的。所涉及的面相当广泛，本文着重于从富营养水体内部的治理方面，而且是仅就风能曝气机运用于治理方面做了一些分析和探讨，供大家参考。希望能对Ｎ、Ｐ的富营养污染治理有所贡献。
　　2、对于我国分布广大地区被污染河段黑臭现象的治理，在适当位置的河段上应用风能曝气机，基于上述分析可知，也能起到良好作用。
　　3、采用风能曝气机改造传统氧化塘，可以大大提高其净化能力，并可得到稳定的处理效果。因为在这种情况下，太阳能和风能这两种绿色能源，往往可以起到互为备用的作用。