殷 友 庭
鎮(zhèn)江市華城城鎮(zhèn)建設(shè)新技術(shù)研究所

前言

　　當(dāng)前，我國(guó)水環(huán)境污染仍然相當(dāng)嚴(yán)重。大型湖泊（水庫(kù)）和城市湖泊水質(zhì)普遍較差，75%以上的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇，解決氮、磷污染將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的艱巨任務(wù)。從投入巨額資金進(jìn)行重點(diǎn)治理的一些湖泊的情況來(lái)看，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的水質(zhì)雖有一定的改善，但并未取得突破性進(jìn)展。因此，目前擺在我們面前的任務(wù)是探索適合我國(guó)國(guó)情的投資少、運(yùn)行費(fèi)低、管理維護(hù)方便而又行之有效的措施和辦法。筆者作為國(guó)家“九五”攻關(guān)課題“風(fēng)能曝氣機(jī)”主要參加者之一，參加了研制工作。
　　本文擬就風(fēng)能曝氣機(jī)在富營(yíng)養(yǎng)水體治理中的作用和機(jī)理進(jìn)行分析探討，因時(shí)間倉(cāng)促，有些問(wèn)題未能深加思考，所談?dòng)^點(diǎn)非常粗淺，也可能有不妥之處，意圖是和大家交流，并請(qǐng)指教。

一、富營(yíng)養(yǎng)化水體的主要特征：

　　受營(yíng)養(yǎng)元素污染的水體，如果是水流緩慢的半封閉水域或封閉水域，在適當(dāng)?shù)墓庹?、溫度條件下，天然水體的藻類(lèi)將進(jìn)行光合作用，合成本身的原生質(zhì)。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)元素的輸入大于輸出時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積累，將導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化。富營(yíng)養(yǎng)化水體主要特征是：初級(jí)生產(chǎn)量過(guò)度增殖，將破壞水體中生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡，并引起浮游生物種類(lèi)組成的變化，而發(fā)生藍(lán)-綠藻水華，這時(shí)藻類(lèi)在水中聚結(jié)成塊，形成藍(lán)綠色絮妝物或膠團(tuán)狀物質(zhì)，覆蓋了水體的表面，這種情況的出現(xiàn)，將使部分水體失去表面復(fù)氧作用。另外由于過(guò)量增長(zhǎng)的浮游生物呼吸作用要消耗水體中的溶解氧，衰亡的藻類(lèi)沉積于底層，在微生物分解其殘?jiān)倪^(guò)程中（包括好氧分解、硝化反應(yīng)等），也要消耗大量的溶解氧。因而造成富營(yíng)養(yǎng)化水體的嚴(yán)重缺氧。國(guó)內(nèi)外大量的資料報(bào)導(dǎo)了由于富營(yíng)養(yǎng)水體嚴(yán)重缺氧而造成魚(yú)蝦大量死亡的事例。因此富營(yíng)養(yǎng)化水體除了初級(jí)生產(chǎn)量的過(guò)度增殖以外，嚴(yán)重缺氧也是一個(gè)重要特征。

二、風(fēng)能曝氣機(jī)的研制及其構(gòu)造、工作原理和性能參數(shù)簡(jiǎn)介

　　風(fēng)能曝氣機(jī)的研制是列入"九五"國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的課題。鎮(zhèn)江市華城城鎮(zhèn)建設(shè)新技術(shù)研究所作為主要參加單位之一，參與了這項(xiàng)課題的研究實(shí)驗(yàn)工作。一九九六年委托天津大學(xué)對(duì)風(fēng)能曝氣機(jī)的模型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選了最佳風(fēng)輪翼型，以提高風(fēng)能吸收利用率，并對(duì)低流速、大流量下最佳的螺旋槳角度和形狀進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。一九九七年至一九九八年在鎮(zhèn)江進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在依托工程中加以應(yīng)用，取得了良好效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其主要性能參數(shù)如下：?jiǎn)?dòng)風(fēng)速為0.5m/s；二級(jí)風(fēng)速時(shí)溶解氧的富集速率為1.2～1.34KgＯ2/h；服務(wù)面積為400～600m2。風(fēng)能曝氣機(jī)主要由葉輪、葉輪支架、浮基、導(dǎo)流筒和螺旋槳等幾部分組成。當(dāng)風(fēng)輪收集、吸收了風(fēng)能后，在風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下，沿著恒定的方向帶動(dòng)中軸旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)中軸帶動(dòng)其末端的螺旋槳同步旋轉(zhuǎn)。在浮基的中央設(shè)有導(dǎo)流筒，螺旋槳設(shè)于導(dǎo)流筒內(nèi)。當(dāng)螺旋槳在中軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，其葉片將水體向下推動(dòng)，于是導(dǎo)流筒上部的水體將向下流動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充，從而造成筒口水面下降，這就使得導(dǎo)流筒四周的表層富含溶解氧的水層向?qū)Я魍矃R集，于是形成了一個(gè)以導(dǎo)流筒為中心的降水漏斗，通過(guò)降水漏斗的匯集和螺旋槳葉片的推動(dòng)，把富含溶解氧的水體沿徑向輸送至水層深處，并同時(shí)把該處虧氧量較大的水層頂托至水體表面，形成了豎向環(huán)流，在環(huán)流的作用下，加快了界面的更換速度，加大了氣液界面處的虧氧量，這就大大增強(qiáng)了氧從氣相轉(zhuǎn)向液相的轉(zhuǎn)移速率。實(shí)踐表明，風(fēng)能曝氣機(jī)對(duì)于提高水體深層溶解氧的濃度和水體溶解氧的總體水平具有顯著的效果。其主要尺寸如下：風(fēng)輪直徑：0.90m；螺旋槳直徑：0.70m；導(dǎo)流筒直徑：0.72m；機(jī)身高度：3.32m；浮基寬度：4.00m。一九九九年通過(guò)了國(guó)家鑒定；二○○○年被列入"當(dāng)前國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備"并獲得國(guó)家專(zhuān)利。

三、應(yīng)用風(fēng)能曝氣機(jī)治理富營(yíng)養(yǎng)水體的作用和機(jī)理

　　湖泊具有廣闊的水面，是一個(gè)可以充分利用風(fēng)力資源的優(yōu)良場(chǎng)所，因此可以用風(fēng)力取代電力來(lái)驅(qū)動(dòng)曝氣裝置。在湖泊中設(shè)置風(fēng)能曝氣機(jī)具有人工混合分層、增加氧的供應(yīng)量和調(diào)節(jié)量，減少初級(jí)生產(chǎn)量等多種功能，可以在富營(yíng)養(yǎng)污染的治理中發(fā)揮重要作用，分析如下：
3．1 減少初級(jí)生產(chǎn)量，修復(fù)失衡的生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)
　　就現(xiàn)在研制的風(fēng)能曝氣機(jī)而言，在二級(jí)風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下所產(chǎn)生的豎向環(huán)流，將在水體的表面水層和2.5米水深處的水層之間形成的全層循環(huán)，這對(duì)于淡水湖泊和深水湖泊的淺水湖區(qū)，可以取得如下效果：①在豎向環(huán)流的作用下，把生長(zhǎng)于水體表層的藻類(lèi)帶入無(wú)光或弱光的水層中去，因環(huán)流的流動(dòng)速度很小，藻類(lèi)在無(wú)光區(qū)滯留時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)藻類(lèi)再次進(jìn)入上層水體時(shí)因死亡、沉淀或休眠，而去除大部分或使其失去活力，只剩一部分藻類(lèi)繼續(xù)生長(zhǎng)。②環(huán)流可使水層混合，有利于浮游動(dòng)物的生存，這些浮游動(dòng)物往往以藻類(lèi)為食。因此增加了初級(jí)生產(chǎn)量的消耗。③通過(guò)豎向環(huán)流把氧帶入湖底改變了湖底的缺氧、厭氧狀態(tài)，抑制Ｎ、Ｐ等營(yíng)養(yǎng)元素的釋放，這有利于減少初級(jí)生產(chǎn)量的增長(zhǎng)。
3．2 改變DO垂直分布，提高復(fù)氧速度，增加氧庫(kù)庫(kù)容
　　富營(yíng)養(yǎng)水體中，白天藻類(lèi)光合作用所產(chǎn)生的氧量，在其高峰期往往使水體中的DO達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。由于氧向水體深層的轉(zhuǎn)移，主要依靠分子擴(kuò)散，轉(zhuǎn)移速率非常緩慢。因此DO濃度，沿水深呈倒梯形分布。而風(fēng)能曝氣機(jī)所形成的豎向環(huán)流將使水層混合，把富含DO的表層水輸送到底層，這樣一方面因加大了氣水界面處的虧氧值，而提高了表面復(fù)氧的速率，另一方面均化了水體的DO濃度分布，既增加水體氧庫(kù)的的庫(kù)容，即增加了氧的調(diào)節(jié)量，同時(shí)可使以藻為食的浮游動(dòng)物的供氧狀態(tài)得到改善，有利于食物鏈營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的平衡。
3．3 為加環(huán)提供必要條件
　　湖泊中藻類(lèi)的過(guò)量繁殖，意味著N、P的輸入大于輸出，超越了生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力。過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)元素積蓄于生態(tài)系統(tǒng)中，使原有協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)與功能失調(diào)，物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)發(fā)生阻滯和障礙，即出現(xiàn)生態(tài)阻滯現(xiàn)象。處理這類(lèi)污染，一方面應(yīng)控制外源污染物的輸入。另一方面采取措施調(diào)節(jié)水生生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能，改善與加速生態(tài)系統(tǒng)中過(guò)剩物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)和輸出。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)加環(huán)的辦法來(lái)解決。即對(duì)水體中不同成分進(jìn)行食物鏈?zhǔn)降臋M向耦合，變污染副作用為資源正效益。例如可以引入某些植食性原生動(dòng)物和濾食性浮游動(dòng)物以及某些以藻類(lèi)、微型浮游動(dòng)物為食的魚(yú)類(lèi)。魚(yú)類(lèi)可以捕獲成為商品。這樣可以使過(guò)剩的N、P外移，在隔絕外源N、P輸入的情況下，可以恢復(fù)湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡。但富營(yíng)養(yǎng)水體因嚴(yán)重缺氧，而使加環(huán)難以進(jìn)行。為了滿(mǎn)足水體中原有的和引入的浮游生物呼吸需氧，向水體增氧將是一項(xiàng)必要措施。向水體進(jìn)行人工增氧的辦法可歸結(jié)為兩大類(lèi)：一是由電力驅(qū)動(dòng)的增氧裝置；二是以風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的風(fēng)能增氧裝置，由于在廣闊的湖面上設(shè)置風(fēng)能曝氣機(jī)增氧具有節(jié)省基建費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)和管理維護(hù)等多方面的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是一項(xiàng)加以鼓勵(lì)采用的曝氣增氧裝置。

四、結(jié)　語(yǔ)

　　1、水體富營(yíng)養(yǎng)的“防”與“治”是相輔相成、缺一不可的。所涉及的面相當(dāng)廣泛，本文著重于從富營(yíng)養(yǎng)水體內(nèi)部的治理方面，而且是僅就風(fēng)能曝氣機(jī)運(yùn)用于治理方面做了一些分析和探討，供大家參考。希望能對(duì)Ｎ、Ｐ的富營(yíng)養(yǎng)污染治理有所貢獻(xiàn)。
　　2、對(duì)于我國(guó)分布廣大地區(qū)被污染河段黑臭現(xiàn)象的治理，在適當(dāng)位置的河段上應(yīng)用風(fēng)能曝氣機(jī)，基于上述分析可知，也能起到良好作用。
　　3、采用風(fēng)能曝氣機(jī)改造傳統(tǒng)氧化塘，可以大大提高其凈化能力，并可得到穩(wěn)定的處理效果。因?yàn)樵谶@種情況下，太陽(yáng)能和風(fēng)能這兩種綠色能源，往往可以起到互為備用的作用。