一文讀懂 | 河道、湖庫(kù)曝氣增氧計(jì)算及設(shè)備選型
國(guó)內(nèi)外研究證明，曝氣增氧技術(shù)是一種快速、高效、簡(jiǎn)便易行的污染物降解措施，已廣泛應(yīng)用于河湖水環(huán)境治理尤其黑臭水體修復(fù)的工程實(shí)踐中。
在工程的前期設(shè)計(jì)階段，曝氣增氧技術(shù)如何選擇、河道需氧量如何計(jì)算、曝氣設(shè)備功率/風(fēng)量如何設(shè)計(jì)，是首要考慮的問(wèn)題。
目前關(guān)于曝氣增氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在污水處理工程領(lǐng)域有相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)程；而在河道、湖泊等地表水體治理領(lǐng)域，卻鮮有相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)曝氣設(shè)計(jì)作出明確要求。
本文參考行業(yè)研究文獻(xiàn)，梳理了河湖治理中3種常用的曝氣需氧量計(jì)算方法及實(shí)例，并對(duì)設(shè)備選型給出了一定的對(duì)比闡述和建議。
1曝氣增氧的作用
曝氣技術(shù)首要的作用就是迅速增加水體溶解氧（DO）含量。DO改變，則水中大環(huán)境改變。水體由原來(lái)缺氧或厭氧狀況逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài)，好氧微生物得到加持而活力大增，進(jìn)而促進(jìn)水體有機(jī)污染物、氮素的分解轉(zhuǎn)化。
因此，曝氣增氧的第二個(gè)作用就是可間接降低水中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）等污染物濃度。
其三，充入的DO可氧化有機(jī)物厭氧降解時(shí)產(chǎn)生的硫化氫（H2S）、甲硫醇及FeS等致黑致臭物質(zhì)，有效改善水體的黑臭狀況。研究表明，隨著曝氣的進(jìn)行，H2S存在時(shí)間從超過(guò)40天可減少到不超過(guò)20天。
此外，向水體增氧的過(guò)程，也在一定程度增加了水體自身的紊動(dòng)性，產(chǎn)生了“流水不腐”的功效，進(jìn)一步促進(jìn)了水體和氧氣的混合、傳遞，加速水質(zhì)凈化。
2需氧量計(jì)算
總體來(lái)講，水體需氧量=水體耗氧+底泥耗氧-大氣復(fù)氧-植物光合作用產(chǎn)氧。
實(shí)際中，水體需氧量計(jì)算需綜合考慮多方面因素，主要包括水體類型（靜止水體/流動(dòng)水體）、現(xiàn)狀水質(zhì)、主要污染物、目標(biāo)水質(zhì)等。
目前國(guó)內(nèi)多數(shù)研究中，習(xí)慣將需氧量計(jì)算模型分為三種形式：
1 | 箱式模型
對(duì)于小型靜止水體，如公園或小區(qū)內(nèi)的景觀湖、池塘、斷頭浜、滯留型河道等，由于其面積較小，水深較淺，且外界輸入污染負(fù)荷相對(duì)不高，一般可采用基于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的箱式模型：
式中，O為水體需氧量，g；V為水體體積，m3；t為充氧時(shí)間，d；C為水體的溶解氧濃度，mg/L；L0為水體初始BOD5濃度，mg/L；K1為BOD5生化反應(yīng)速率常數(shù)，/d；Cs為水體的飽和溶解氧，mg/L；K2為水體復(fù)氧速率常數(shù)，/d；Cm為維護(hù)水體好氧微生物生命活動(dòng)的最低溶解氧濃度，一般取2~3mg/L；
值得注意的是，該模型僅考慮了有機(jī)物生化降解和大氣復(fù)氧作用。
若水體污染嚴(yán)重，長(zhǎng)期處于黑臭狀態(tài)，則在計(jì)算需氧量時(shí)還需考慮無(wú)機(jī)還原物質(zhì)（如Fe2+）和底泥耗氧作用的影響。
當(dāng)然，如果水體設(shè)計(jì)有沉水植物，則在計(jì)算需氧量時(shí)也應(yīng)對(duì)植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量加以考慮。
2 |組合推流式反應(yīng)器模型
對(duì)于河流等流動(dòng)水體需氧量的計(jì)算，目前文獻(xiàn)應(yīng)用較多的是上海市環(huán)境科學(xué)研究院建立的組合式推流反應(yīng)器模型。
該模型將河流近似看做多個(gè)推流式反應(yīng)器的串聯(lián)組合，在充分利用河道現(xiàn)有水質(zhì)、水力資料的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)邊界條件作了合理簡(jiǎn)化和假設(shè)后建立而成的模型。
組合推流反應(yīng)器模型方程如下：
式中，On為第n個(gè)反應(yīng)器需氧量，g/d；Qn為第n個(gè)反應(yīng)器流量，包括河流本體流量和外源流量，m3/d；C’0-n為第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口還原物質(zhì)濃度，mg/L；K0為無(wú)機(jī)還原物質(zhì)好氧速率，mg/(L·d)；tn為第n個(gè)反應(yīng)器的水力停留時(shí)間，d；C’1-n為第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口BOD5濃度，mg/L；Kc為BOD5耗氧速率常數(shù)，d-1；C’2-n為第n個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口氨氮濃度，mg/L；Kn為氨氮耗氧速率常數(shù)，d-1；Os-n為第n個(gè)反應(yīng)器底泥耗氧需氧量，kg/d；Qn-1為第n-1個(gè)反應(yīng)器的流量，m3/d；C0-（n-1）為第n-1個(gè)反應(yīng)器出口溶解氧濃度，mg/L；Oa-n為第n個(gè)反應(yīng)器藻類復(fù)氧強(qiáng)度，kg/d；C3-n為第n個(gè)反應(yīng)器大氣復(fù)氧量濃度，mg/L。
該模型綜合考慮了還原物質(zhì)耗氧、有機(jī)物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用，同時(shí)考慮大氣復(fù)氧、藻類光合作用復(fù)氧等復(fù)氧作用。
在實(shí)際河道復(fù)氧作用中，可根據(jù)河道周圍環(huán)境將河道切割成多段，從而提高模型的計(jì)算精度。
3 | 耗氧特性曲線法
針對(duì)缺乏可靠的水質(zhì)模型和污染資料不全的水體，可利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定目標(biāo)水體的耗氧特性曲線，根據(jù)治理目標(biāo)和各階段耗氧量，對(duì)需氧量進(jìn)行估算。
耗氧特性曲線是建立在單位水體溶解氧消耗量與時(shí)間關(guān)系的二維坐標(biāo)曲線，描述了水體中各特定耗氧階段的物質(zhì)耗氧細(xì)節(jié)，包括開(kāi)始時(shí)間、階段歷時(shí)、階段耗氧量、是否存在抑制現(xiàn)象等。
比如李偉杰等人的研究，通過(guò)在20℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，對(duì)上海新港河道水樣培養(yǎng)15天，分別測(cè)定每天的DO值，根據(jù)耗氧量繪制出河道的耗氧特征曲線：
△ 上海新港河道水體耗氧特征曲線（不含底泥耗氧）
耗氧特征曲線方法僅考慮了某一時(shí)刻水體需氧情況，不適用于有持續(xù)外源污染輸入、藻類復(fù)氧比較強(qiáng)的條件，多用于封閉的湖庫(kù)。對(duì)于流動(dòng)性河道，可將其劃分為多段，對(duì)各段水體分別制定相應(yīng)的耗氧曲線，從而得到需氧量。
3充氧量計(jì)算
水體的需氧量并不等于設(shè)備的充氧量。
一般情況下，增氧設(shè)備標(biāo)稱的充氧動(dòng)力效率，均是通過(guò)清水試驗(yàn)獲得。
而實(shí)際中我們所面臨的均是受污染的水體，其中含有大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)直接影響了氧的轉(zhuǎn)移系數(shù)和水體飽和溶解氧含量，因此需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>
目前大多引入系數(shù)α校正水中雜質(zhì)對(duì)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響，引入系數(shù)β校正雜質(zhì)對(duì)飽和溶解氧Cs的影響。校正后的計(jì)算方程如下：
式中，R0為曝氣設(shè)備的校正充氧量（氧轉(zhuǎn)移速率），g/h；R為河道需氧量，g/h，可取上文所計(jì)算的理論需氧量的1.2~1.5倍；Cs（20）為水溫20℃下的飽和溶解氧濃度，mg/L；α、β值可通過(guò)污水、清水充氧試驗(yàn)確定，對(duì)于城市生活污水中，α、β值分別為0.80~0.85和0.90~0.97之間，通常河道的污染程度低于該水平，其α、β值可參照上限取值；Cs（T）為水溫T℃下的飽和溶解氧濃度，mg/L；C為水體實(shí)際溶解氧濃度，mg/L；T為設(shè)計(jì)水溫，℃。
計(jì)算出河道需氧量及校正的充氧量后，即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型，進(jìn)一步確定相關(guān)細(xì)節(jié)參數(shù)。
4設(shè)備功率、風(fēng)量計(jì)算
1 | 機(jī)械曝氣設(shè)備
機(jī)械曝氣是污水處理中的概念，主要為表面曝氣，故也稱表曝機(jī)，借助機(jī)械設(shè)備（如葉片、葉輪、噴灑器、渦輪裝置等）為水體增氧。
在河道、湖泊治理中，可以歸納為機(jī)械曝氣類的設(shè)備包括葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、涌浪式增氧機(jī)、浮水噴泉等。
機(jī)械曝氣設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)是動(dòng)力效率，以kg O2/(kW·h)計(jì)。根據(jù)前文計(jì)算的氧轉(zhuǎn)移速率R0（g/h）與設(shè)備的動(dòng)力效率，即可確定設(shè)備的總功率與數(shù)量。受機(jī)械曝氣自身特性限值，其更多運(yùn)用于對(duì)局部水體的增氧，如排污口附近，效果較為明顯，且能在水體表明形成一定的紊動(dòng)效果。不適用于全河道的增氧。
2 |鼓風(fēng)曝氣設(shè)備
鼓風(fēng)曝氣也叫壓氣曝氣，常見(jiàn)的類型包括羅茨鼓風(fēng)機(jī)、離心式鼓風(fēng)機(jī)、沉水風(fēng)機(jī)、射流機(jī)等，在河道污染治理工程中應(yīng)用廣泛。
鼓風(fēng)曝氣設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)是功率（kW）和風(fēng)量（m3/h）等，設(shè)備選型可參考污水處理工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算：
式中，Q為風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量，m3/d；Oc為水體需氧量，kg O2/d；ε為曝氣設(shè)備氧利用率，以%計(jì)；0.28為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0.1MPa，20℃）下每立方米空氣中含氧量（kgO2/m3）。
根據(jù)公式計(jì)算可得風(fēng)機(jī)風(fēng)量，查詢風(fēng)機(jī)廠家相關(guān)設(shè)備參數(shù)表，即可進(jìn)一步確定設(shè)備功率、規(guī)格數(shù)量等。
5曝氣設(shè)備的選型
曝氣設(shè)備的選型，應(yīng)遵循因地制宜、一河一策的原則。
根據(jù)水體類型（河道、湖泊、水塘等）、所處區(qū)域（北方、南方、城市、郊區(qū)等）、水體功能（航運(yùn)、行洪、景觀、水源地等）、水體特征（水深、寬度、流速等）、污染情況（持續(xù)污染輸入、突發(fā)污染負(fù)荷）、水質(zhì)目標(biāo)（消除黑臭、提高水質(zhì)、恢復(fù)生態(tài)等）、供電情況、投資情況等諸多因素，選擇相對(duì)適宜的增氧設(shè)備。
比如北方地區(qū)，水體存在冬季易結(jié)冰、易斷流等問(wèn)題，可采用方便拆卸和移動(dòng)的推流曝氣、噴泉曝氣，而不宜采用鼓風(fēng)（管道）曝氣系統(tǒng)；城市河道有景觀需求的可采用噴泉曝氣，郊區(qū)無(wú)供電的河道宜采用太陽(yáng)能曝氣；有航運(yùn)需求的河道、潮汐性河道，則適宜用曝氣船，不建議用鼓風(fēng)曝氣、推流曝氣等。
▽ 不同曝氣設(shè)備選型比較
6計(jì)算實(shí)例
實(shí)例1：上海新港河道
參考李偉杰等研究，其采用試驗(yàn)測(cè)定了新港河道的耗氧特性曲線，并進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)水體和底泥的階段耗氧量、階段歷時(shí)、水量、底泥面積等，計(jì)算出新港河道的總耗氧量：
▽ 新港河道耗氧量計(jì)算
計(jì)算可得，新港河道總耗氧量為26.92kg/d，其中水體耗氧占15.9%，底泥耗氧占84.1%，以總耗氧量作為河道需氧量的參考數(shù)值。
考慮新港河道沒(méi)有航運(yùn)和景觀要求，水面較窄，故設(shè)計(jì)選用機(jī)械曝氣的方式對(duì)水體增氧，設(shè)備類型為葉輪式增氧機(jī)。
參考增氧機(jī)的規(guī)格參數(shù)，輸出功率為0.75kw的設(shè)備，對(duì)應(yīng)增氧能力為1.0~1.2 kgO2/h。本實(shí)驗(yàn)即選用該功率設(shè)備，數(shù)量確定為4臺(tái)，對(duì)應(yīng)總增氧能力為4.0~4.8kgO2/h，每天運(yùn)行8 h，總增氧量≥32kgO2/h，滿足新港河道的需氧量要求。
實(shí)例2：蘇州苗家河
參考徐續(xù)等人的研究，苗家河水體相對(duì)滯留，水域面積小，平均水深約2 m，外源輸入污染負(fù)荷較小，因此采用箱式模型對(duì)曝氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
計(jì)算參數(shù)主要采用蘇州苗家河夏季測(cè)定平均值，部分參考相關(guān)文獻(xiàn)資料等，具體如下：
設(shè)計(jì)水溫：25℃；BOD5反應(yīng)速率常數(shù)：k=0.25/d；測(cè)定初始BOD5濃度L0=10.0mg/L；設(shè)計(jì)水體改善后BOD5濃度滿足地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，即L=6.0mg/L；水體飽和溶解氧，Cs=8.5mg/L。
代入方程計(jì)算可得，在靜止?fàn)顟B(tài)下苗家河的理論需氧量為12kgO2/d。河道北端有閘門，南端有軟圍隔，平均流速約0.001 m/s，計(jì)算動(dòng)水狀態(tài)下水體需氧量為27.6kgO2/d。
考慮河道水淺、無(wú)航運(yùn)需求、有景觀要求等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用復(fù)葉推流式液下曝氣機(jī)，功率3 kw，清水充氧量5.0kgO2/h，滿足河道需氧量要求。
（本試驗(yàn)采用24小時(shí)連續(xù)曝氣的運(yùn)行方式，黑臭現(xiàn)象明顯改善后采用間歇曝氣方式。）
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