河流曝气技术简介

水文第卷第期年月概述水资源短缺和水体污染问题已成为世界性问题因此世界各国对水污染防治和水资源的保护都非常重视随着世界经济的快速发展城市化进程的加快及工业的兴起流域人口增长工厂农业生活废水不加处理直接排入河流而导致的流域水体污染问题日趋严重并呈现出以好氧有机物为主要污染物以水体黑臭为主要特征的污染现象寻找行之有效的河流污染防治技术及措施成为环保研究领域的一个重要课题河道曝气法是充分利用天然河道和河道已有建筑就地处理污水的一种方法该法综合了曝气氧化塘和氧化沟的原理结合推流和完全混合的特点有利于克服短流和提高缓冲能力同时也有利于氧的传递液体混合和污泥絮凝是一种有效的污水处理方法根据国外河道曝气的工程实践河道曝气一般应用在以下两种情况第一种是在污水截流管道和污水处理厂建成之前为解决河道水体的有机污染问题而进行人工充氧如德国莱茵河支流河的情况第二种是在已经过治理的河道中设立人工曝气装置作为对付突发性河道污染的应急措施突发性河道污染是指连续降雨时城市雨污混合排水系统溢流或企业因发生突发性事故排放废水造成的污染另外在夏季因水温较高有机物降解速率和耗氧速率加快也可能造成水体的溶解氧降低以上两种情况发生后进行河道曝气复氧是恢复河道的生态环境和自净能力的有效措施河道曝气原理河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标受污染水体溶解氧浓度变化的过程反映了河流的自净过程当水体中存在溶解氧含量下降浓度低于饱和值水面大气中的氧就溶解到河水中补充消耗掉的氧如果有机物含量太多溶解氧消耗太快大气中的氧来不及供应水体的溶解氧将会逐渐下降乃至消耗殆尽从而影响水生态系统的平衡当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态有机物的分解就从有氧分解转为无氧分解水质就会恶化甚至出现黑臭现象此时水生态系统已遭到严重破坏无法自行恢复由此可见溶解氧在河水自净过程中起着非常重要的作用并且水体的自净能力直接与曝气能力有关河道曝气技术是根据河流受到污染后缺氧的特点人工向水体中充入空气或氧气加速水体复氧过程以提高水体的溶解氧水平恢复和增强水体中好氧微生物的活力使水体中的污染物质得以净化从而改善河流的水质河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用其中大气复氧是水体中溶解氧的主要来源大气复氧是指空气中氧溶于水的气液相传质过程这一过程也可称为天然曝气但是单靠天然曝气作用河水的自净过程非常缓慢故此需要采用人工曝气弥补天然曝气的不足如果向一条已遭受严重有机污染且处于黑臭状态的河道进行人工曝气充入的溶解氧可以迅速地氧化有机物厌氧降解时产生的致黑致臭物质有效地改善缓和水体的黑臭程度河道曝气形式国内外采用的人工曝气复氧技术主要有以下几种纯氧增氧系统纯氧!微孔布气设备曝气系统纯氧微孔布气设备曝气系统由氧源河微孔布气管组成无动力装置系统运行可靠无噪音德国公司的曝气系收稿日期!作者简介!谢海文男宁夏银川人工程师主要从事水环境工作河流曝气技术简介谢海文沈乐江苏省水文水资源勘测局甫京分局#江苏甫京$摘要!本文对国内外普遍使用的河道污染治理技术河道曝气技术进行了简要的介绍实践证明曝气复氧技术是一种快速高效简便易行的污染水体治理技术它既可以有效去除水体中的致黑致臭物质改善水质又可以提高水体中的溶解氧含量强化水体的自净功能促进水体生态系统的恢复在河流湖泊污染的综合治理中具有广阔的应用前景关键词!河道污染治理曝气应用中图分类号!文献标识码!文章编号!#第!卷水文统是一种较好的纯氧微孔布气设备曝气系统它采用一种特殊的大阻力橡胶微孔布气管其微气泡直径约为氧转移效率为每米水深以曝气垫的形式置于河床上这种曝气垫强度高在河流中安装方便且不易堵赛在水深较大的河流该系统的充氧效率可达左右德国在河的治理中采用了此类系统纯氧!混流增氧系统纯氧#混流增氧系统由氧源水泵混流器和喷射器组成该类系统的工作原理为河水经水泵抽吸加压后将氧气或液氧注入设置在增压管上的文氏管利用文氏管将气泡粉碎和溶解氧气水的富氧混合液经过特制的喷射器进入水体该类系统的充氧效率较高在水深时即可达到左右纯氧混流增氧系统的实现方式可采用移动式水上充氧平台如英国泰晤士河的充氧船上海苏州河的充氧船等也可采用将喷射器安置在河床边近岸处的固定式充氧站纯氧增氧技术的优势在于其充氧效率较高但由于这种方法需要从专门制氧工厂运来液态氧或利用专门制氧设备制氧导致成本较高妨碍其广泛使用鼓风机!微孔布气管曝气系统由鼓风机和微孔布气管组成的鼓风曝气系统被广泛用于城市生活污水和工业废水的好氧生化处理工艺中近年来氧转移效率较高的微孔布气管的使用使该供氧方法的充氧效率得到较大提高可达$水深鼓风机微孔布气管曝气系统的主要缺点是安置在河底的布气管对航运有一定的影响尤其在低潮位时布气管损坏后维修较困难潮汐河流水位变化较大选择鼓风机须满足高水位时的风压导致在低水位时动力效率较低此外为了降低鼓风机噪声的影响风机房一般设置在地下从而增加了投资费用因此鼓风机微孔布气管曝气系统一般用于郊区不通航河流如上海市徐汇区上澳塘河道即采用了这一曝气系统叶轮吸气推流式曝气器叶轮吸气推流式曝气器是河流湖泊人工充氧中较广泛使用的充氧设备之一该类设备一般由电动机传动轴进气通道与叶轮等部件组成其原理主要是利用旋桨在进气通道造成负压从而吸入空气并随水射入河水中该技术根据叶轮吸气推流式曝气器的叶轮形状位置数量单叶或复叶进气通道的位置可分为轴向流液下曝气器和复叶推流式曝气器美国曾将此技术应用于韩国的釜山港我国研究人员也先后于年在北京清河年在上海苏州河上进行了应用叶轮吸气推流式曝气器的优点是安装方便只需将装上浮筒的设备安置在水面上用缆绳加以固定即可安装工程量小并可根据需要随时调整位置和台数由于设备漂浮在水面受水位影响较小设备安装在河道内除了电控设备外基本不占地维修简便该曝气器的缺点是叶轮易被水中的飘浮物缠绕堵塞在水深较小的河流中使用时易将底泥搅起当桨叶深入水深较大处其从水面上大气中向下抽吸的能力将减弱故其向深水充氧的能力较差影响航运水下射流曝气设备水下射流曝气设备的工作原理是用潜水泵将水吸入经增压从泵体高速推出后利用装置在出水管道水射器将空气吸入气水混合液经水利混合切割后进入水体河道曝气技术的应用方式根据需曝气河道水质改善的要求如消除黑臭改善水质恢复生态等河道条件包括水深流速河道断面形状周边环境条件等河段功能要求如航运功能景观功能等污染源特征如长期污染负荷冲击污染负荷等的不同河道曝气复氧一般采用固定式充氧站和移动式充氧平台两种形式固定式充氧站固定式充氧站是在需要曝气增氧的河段上安装的固定的曝气装置可以采用不同的曝气形式当河水较深需要长期曝气复氧且曝气河段有航运功能要求或有景观功能要求时一般宜采用鼓风曝气或纯氧曝气的形式即在河岸上设置一个固定的鼓风机房或液氧站通过管道将空气或氧气引入设置在河道底部的曝气扩散系统达到增加水中溶解氧的目的这种曝气形式一般由机房内置鼓风机或纯氧设备空气或氧气扩散器和相关管道组成德国在河河河的治理中分别建立的曝气设施采用的就是纯氧曝气形式即采用液氧为氧源通过管道式布气扩散系统对河道进行人工充氧有效地满足了水体的需氧要求而当河道较浅没有航运功能要求或景观要求主要针对短时间的冲击污染负荷时一般采用机械曝气的形式即将机械曝气设备多为浮桶式结构直接固定安装在河道中对水体进行曝气以增加水体中的溶解氧移动式充氧平台移动式充氧平台是在需要曝气增氧的河段上设置的不影响河道航运功能并且可以自由移动的曝气增氧措施国外报道较多的是曝气船这种曝气形式的突出优点是可以根据曝气河道水质改善的程度机动灵活地调整曝气船的运行从而达到经济高效的目的德国在河英国在河口澳大利亚在河的治理中均采用了这种方式河道曝气技术的应用实例德国德国鲁尔#河的曝气治理为了补偿河水中溶解氧的消耗降低废水和暴雨溢流引起的污染人们在鲁尔河流域建造了一系列水库和贮水湖作为辅助废水处理系统其中鲍德奈尔湖是最大的一个由于鲍德奈尔湖有良好的自净作用所以它在自净过程中湖水的溶解氧!第期由下降到此外该湖藻类大量繁殖总细胞数万使湖中溶解氧下降到以下为此在鲁尔河采用了种人工充气装置浮动机械充气器压缩空气充气器和透平充气器向湖泊充氧另外沿鲁尔河共设有个连续记录的溶解氧监测站彼此相距约当河水中溶解氧显著下降时即发出警报然后根据情况需要向河中充氧运转经验证明向鲁尔河下游人工充氧是一个成功的方法可使其溶解氧含量保持在!德国河的曝气治理德国河由于航道拓宽建坝调节航运等原因水流速度降低导致水体的B然净化能力降低因此考虑人工复氧措施提高水体中的溶解氧含量联邦政府优先资助了多种曝气方式中的一种曝气船移动式充氧装置用于在紧急情况下对局部河段实施有目的复氧曝气船设计中采用液氧为氧源设计充氧能力为由渡轮改装船长宽改装后完全符合有关部门安全航运的要求在正式投入运行前进行了优化航行试验在试验中不间断测定水温值并与模型试验比较还分别测定了船速为时的增氧量!与供氧量的关系确定了最佳!值为该系统于年夏天正式启用白天或黑夜运行共运行每天运行时间为!不等总耗氧量为万的实际运行证明了其可行性有效防止了河水质变坏德国柏林运河的纯氧曝气设施为了改善水质提高运河溶解氧浓度要求曝气装置在最大供氧量时可使河水中溶解氧浓度升高在比较了多种曝气复氧方案后最终采用了纯氧曝气工艺曝气管总长度为曝气垫覆盖面积在水温水体溶解氧浓度为时纯氧曝气仍可使水体溶解氧浓度提高此时氧利用率为#该曝气系统除了监控充氧装置的运行状态外还设有溶解氧浓度的测量控制仪表可根据水体的实际溶解氧浓度调节供氧量如在炎热的夏季或在夜间不存在藻类光合作用供氧时可增大供氧量另外在德国河也使用了纯氧曝气系统这个系统已运行多年并且只在水体溶解氧浓度低于指定的临界值时才启动间歇运行由于曝气软管不会堵塞基本上不需维修且氧利用率高十分适合于间歇运行英国泰晤士河的曝气增氧设施曾经一度泰晤士河中水生物基本绝迹英国有关部门曾采取过一些措施改变这一状态但一直到十几年后泰晤士河下游才重新出现鱼群为改善泰晤士河水质而采取的项主要技术措施!规定各工厂的废水需B行处理符合一定水质标准后排入河中未经大伦敦管理委员会许可不得将废水直接排入河中许多工厂的废水排入下水道后转入大型污水处理厂用活性污泥法处理后再排入泰晤士河中#在泰晤士河中安装大型充气设备增加河中的溶解氧英国水污染研究实验室采用了一种大型充气设备把这个圆锥型的浮筒放在河面上用充气设备内的泵把河水通过喷嘴喷向空中充分富集氧后回落到水中从而大大提高河中的溶解氧使污水处理厂出水的生物耗氧量又降低了#措施得以落实之后在泰晤士河下游的局部地区又重新出现鱼群泰晤士河河口增氧设施在暴雨期间地表径流污水处理厂排水增加混合污水溢流等原因使泰晤士河河口污染负荷增加导致水体中溶解氧浓度迅速下降并时常引起鱼类的窒息死亡为防止这类情况发生泰晤士河水务局考虑向河道中进行人工增氧并最终确定使用一条机动曝气船该船采用制氧同时附装注氧设备在为期年的试用期里采用多种方法测定了系统的溶氧效率所有的试验数据均表明每天有!的纯氧溶于河水中当试用期完成后曝气船即被纳入伦敦环保单位的策略管理系统曝气船提供了一种机动有效快速地解决暴雨污水引起河流急剧缺氧的方法另外英国在特伦特河及其支流的污染治理中也在污染严重的河段增设浮动式机械增氧机以增加河中的溶解氧美国圣克鲁斯港曝气设施在世纪年代和年代初期圣克鲁斯港面临严重的水质污染问题在那个时期内该码头经历了次大范围的鱼类死亡事件这促进了对港湾水质的深入研究于是一项描述溶解氧和鱼类对氨的耐受量及致死量关系的预测技术开始发展起来研究还显示曝气增加的氧与反应而使减少曝气后浓度只是曝气前的!而且随着曝气的进行存在时间从曝气前的超过减少到不超过运河曝气措施为了改善进入切萨皮克海湾马里兰州的运河的水质相关部门在河口处安装了曝气设备曝气结果证明即使很小的曝气装置也能够使底层水温和溶解氧得到增加并能够增加河道生物量为了研究曝气的水力学影响在涨潮平潮落潮期间在深度为!的地方进行了现场测试计算混合率是曝气机造成的水流在离装置远处可以测量到并且对染料的目视观测显示水流运动可以持续到约远密西西比河曝气设施美国密西西比河码头附近的河道在年和年安装了曝气设备有效地