太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)處理河流微污染水體的試驗研究
摘要：采用太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)對北京市亮馬河微污染水體進行了試驗研究。通過對各項水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測, 研究了該系統(tǒng)對河湖微污染水體的處理性能。結(jié)果顯示水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 有效改善了試驗區(qū)內(nèi)水體表層富氧、底層缺氧的狀況, 緩解了藻類在水體表層大量聚集的現(xiàn)象, 表、底層和葉綠素分布日趨均勻。
關(guān)鍵詞：太陽能 處理 微污染水體
河湖微污染水體富營養(yǎng)化的治理一直是一個世界性的難題。利用機械能人為破壞水體的靜水狀態(tài), 增加水體溶解氧和流速, 強化水體自凈能力, 從而改善水質(zhì)的技術(shù), 在國外有所應(yīng)用, 目前在國內(nèi)應(yīng)用較少。原因在于水體交換設(shè)備多數(shù)需要動力源驅(qū)動, 因運行成本太高, 安全可靠性及可維護性較差等因素, 應(yīng)用受到限制；另一類以美國Pump System公司設(shè)計生產(chǎn)的太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)為代表, 將渦輪泵系統(tǒng)和太陽能電機系統(tǒng)相結(jié)合, 完全利用自然能源驅(qū)動系統(tǒng), 不需要岸上動力源, 近年來在國外微污染水處理領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
北京市水利科學(xué)研究所課題組采用太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)對北京市亮馬河微污染水體進行了試驗研究,現(xiàn)將試驗研究情況介紹如下。
1 工作原理
太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)主要工作原理如下。
（1）通過采用太陽能光電板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并利用它帶動高效的渦輪扇產(chǎn)生層狀緩流, 從而使得較大范圍內(nèi)水體產(chǎn)生表面流。
（2）通過與深層水交換作用相結(jié)合, 實現(xiàn)較大水域的縱橫向環(huán)流, 從而增加該區(qū)域底層水體的溶解氧,加快微生物的代謝活動, 加速水體中N、P等污染物降解的速率, 降低污染物負(fù)荷。
（3）通過水體交換作用破壞水中浮游藻類的生活環(huán)境, 抑制和減少水華藻類的繁殖, 從而達(dá)到控制水華及緩解水體富營養(yǎng)化程度的作用。
2 試驗方法
試驗區(qū)在河道內(nèi)布置, 選擇北京市亮馬河上段、漁陽飯店以南三岔口水域, 面積約1000m2？紤]河道的行洪功能, 試驗區(qū)內(nèi)外水體之間不設(shè)圍隔, 為自然連通狀態(tài)。
2.1 試驗裝置
試驗裝置采用美國泵系統(tǒng)公司（Pump System Inc）生產(chǎn)的SolarBee 125OV12型太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng), 主要用于城市河湖等小水體。系統(tǒng)由太陽能/電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置、配水系統(tǒng)、浮體、錨定系統(tǒng)組成, 因系統(tǒng)內(nèi)部加裝蓄電池, 在不需要岸上附屬設(shè)備的情況下可實現(xiàn)24h晝夜運行。
2.2 設(shè)備現(xiàn)場安裝
在試驗區(qū)內(nèi)三岔口的中心位置安裝太陽SolarBee太陽能水質(zhì)凈化系統(tǒng)（SBL25OV12型）1套。
系統(tǒng)安裝采用陸上與水上相結(jié)合的方式。首先在岸上將太陽能電能轉(zhuǎn)換裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、配水管及裝置、浮體等組裝完畢, 然后推人水中由船只牽引系統(tǒng)到達(dá)安裝位置。此時浮體支持系統(tǒng)漂浮在水面上, 通過系鏈和水下錨定物固定系統(tǒng)的位置, 使系統(tǒng)距離安裝位置不致漂移太遠(yuǎn)。
系統(tǒng)安裝人水后需進行調(diào)試, 主要調(diào)整浮體臂長度使配水盤水平及調(diào)整系鏈長度使吸水軟管達(dá)到指定位置, 見圖1、圖2。
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2.3 監(jiān)測方案
2.3.1 監(jiān)測目的
（1）通過對各監(jiān)測點的連續(xù)觀測, 了解DO、葉綠素、透明度、COD、TN、TP、NH3-N等指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律, 考察系統(tǒng)對各指標(biāo)的作用效果。
（2）通過斷面上不同深度監(jiān)測點的設(shè)置, 了解DO、葉綠素在水中的分布情況, 考察系統(tǒng)對2項指標(biāo)均勻性的作用效果。
2.3.2 監(jiān)測點布置
平面設(shè)置4個監(jiān)測點, 每個監(jiān)測點在垂直斷面上各設(shè)置3個點, 具體如表1所示。
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2.3.3 監(jiān)測項目
監(jiān)測項目為水溫、pH、DO、透明度、TP、TN、NH3-N、CODcr、葉綠素-a。水溫、pH、DO采用便攜式測速儀器測定,TP、TN、NH3-N、CODcr等項目采用實驗室測速方法測定。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 DO變化
水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 4個監(jiān)測點在中層和底層水體的DO變化均出現(xiàn)了相似的增長規(guī)律。可見, 水質(zhì)凈化系統(tǒng)對于提高中層、底層水體的DO具有一定的作用。
3.1.1 不同深度水體的DO隨時間的變化
（1）中層水體。4個監(jiān)測點中層水體的DO初始值為2.4-3.7mg/L, 后期多次監(jiān)測平均值為6-15.5mg/L,北點、中點、東點、西點的增長率分別為274%、399%、381%、317%。可見, 隨著時間的延長, 中層水體的DO呈逐漸上升的趨勢, 說明是水質(zhì)凈化系統(tǒng)作用的結(jié)果。
（2）底層水體。4個監(jiān)測點底層水體的DO初始值為0.13-0.21mg/L, 后期多次監(jiān)測平均值為0.54-0.73mg/L, 北點、中點、東點、西點的增長率分別為300%、290%、382%、558%？梢, 隨著時間的延長, 底層水體的DO呈逐漸上升的趨勢, 說明是水質(zhì)凈化系統(tǒng)作用的結(jié)果。
3.1.2 均勻性比較
通過比較DO在不同深度水體中的分布情況, 來說明系統(tǒng)對改善DO在水中分層現(xiàn)象的作用效果。將各監(jiān)測點表層與中層、中層與底層水體的DO差值進行平均, 用來表征DO在水中的均勻程度, 差值越大, 說明分布越不均勻；差值越小, 說明分布越均勻。
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如圖3所示, 隨著時間的延長, 各監(jiān)測點DO的差值平均值均呈現(xiàn)上升、下降、持平、再下降的變化曲線。DO上升應(yīng)是系統(tǒng)運行初期, 水流攪動底泥對DO影響的結(jié)果。各點下降幅度類似, 第12周時的差值平均值是第2周的0.3-0.6倍, 說明DO在水中的分布越來越均勻。
3.2 葉綠素變化
水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 在一定區(qū)域內(nèi)營造出了水體的垂直流循環(huán), 藻類在水體中的分布日趨均勻, 通過比較葉綠素在水體中的分布情況, 來說明藻類隨時間的變化。將各監(jiān)測點表層與中層、中層與底層水體的葉綠素差值進行平均, 用來表征葉綠素在水中均勻程度, 差值越大, 說明分布越不均勻差值越小, 說明分布越均勻。
如圖4所示, 隨著時間的延長, 各監(jiān)測點葉綠素的差值平均值均呈下降趨勢, 下降幅度最大的點為西點、北點, 第12周時的差值平均值分別是第2周的0.02和0.06倍, 說明藻類在水中的分布越來越均勻。
從空間分布來看, 第12周時, 水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝位置上游水體中不同深度的葉綠素值差異較大, 差值平均值達(dá)76.7mg/L, 即分布極不均勻北點、中點、東點、西點的差值平均值分別為9.5、20.9、42.7、2.7mg/L？梢, 經(jīng)過水質(zhì)凈化系統(tǒng)的作用, 各監(jiān)測點的不同深度葉綠素值均有不同程度的減小。
3.3 透明度變化
水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 水體透明度隨時間的變化如圖5所示, 可以看出, 各監(jiān)測點的透明度總體呈上升趨勢, 中間出現(xiàn)小的反復(fù)。第1周到第3周出現(xiàn)一個小的增長, 從8-12cm增長到16-26cm，之后透明度下降、再上升, 第12周各監(jiān)測點增長至50cm左右。透明度的上升與下降, 是河流水體的自然降解作用和水體凈化系統(tǒng)產(chǎn)生的表面流的綜合作用結(jié)果, 其中也包含水位下降、降雨徑流等因素的影響。
比較各監(jiān)測點與上游、下游的透明度, 可以看出,各點數(shù)值沒有較大差異, 因此, 水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝對于水體透明度的提高沒有明顯作用。
3.4 COD變化
隨著時間的延長, 各點水體中的COD濃度均呈下降趨勢, 下降幅度為46%-70%。比較水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后第6周到第12周各點對COD的去除率, 發(fā)現(xiàn)除下游外, 其他各點對COD去除率沒有明顯差別（去除率相差不超過6%）, 說明水體中各點的變化是河流自然降解和水體凈化系統(tǒng)共同作用的結(jié)果,水質(zhì)凈化系統(tǒng)單獨對水體中COD基本沒有去除。
3.5 TN變化
隨著時間的延長, 各點水體中的TN濃度均有不同程度的下降, 下降幅度為25%-36.3%, 比較各監(jiān)測點與上游、下游對TN的去除率, 發(fā)現(xiàn)沒有較大差別（去除率相差不超過10%）, 說明水質(zhì)凈化系統(tǒng)對于水體中TN基本沒有去除效果。
3.6 TP變化
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如圖6所示, 隨著時間的延長, 各監(jiān)測點水體中的TP的變化基本呈現(xiàn)相似的規(guī)律, 在水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后至第3周的時間內(nèi), 各點的濃度均有不同程度的下降, 下降幅度為45%-71%, 并在第3周時達(dá)到最低點, 各點數(shù)值基本重合；在第3周到第12周內(nèi), 各點TP出現(xiàn)上升、下降的曲折變化, 以北點上升幅度最大, 東點、西點次之, 中點與上游、下游類似。從監(jiān)測后期上、下游和各測點的TP出現(xiàn)的較大差異來看, 說明水質(zhì)凈化系統(tǒng)對TP基本沒有去除率。
3.7 NH3-N變化
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同一位置不同時間NH3-N變化如圖7所示, 在系統(tǒng)安裝后第1周到第3周, 除東點外, 其他3點的NH3-N均出現(xiàn)不同程度的下降, 下降幅度為25%-64%。第3周到第12周, 各監(jiān)測點同上游、下游水體的變化趨勢相同, 呈曲折或直線上升, 其原因應(yīng)是人河污水產(chǎn)生的影響。從第3周各點NH3-N的數(shù)值來看,試驗區(qū)上游數(shù)值與各監(jiān)測點類似, 試驗區(qū)下游遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各監(jiān)測點數(shù)值, 可以說明水質(zhì)凈化系統(tǒng)對水體中的NH3-N有一定的去除率。
4 結(jié)論
（1）水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 有效改善了試驗區(qū)內(nèi)水體表層富氧、底層缺氧的狀況, 各點水中的DO含量均有一定程度的提高, 增長幅度為270%-400%,表、底層DO分布日趨均勻。
（2）水質(zhì)凈化系統(tǒng)安裝后, 有效緩解了藻類在水體表層大量聚集的現(xiàn)象, 水體中葉綠素的分布日趨均勻。
（3）與試驗區(qū)上游、下游相比, 水質(zhì)凈化系統(tǒng)對水體的透明度、COD、TN、TP等基本沒有去除效果,對水中NH3-N有一定的去除效果。
作者簡介：許志蘭（1978一）, 女, 助理工程師。
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