分层水库水深对扬水曝气原位控藻效果的影响

扬水曝气是分层水源水库原位藻类控制的有效技术.针对西安金盆水库扬水曝气水质改善工程典型设计工况,采用商业化Fluent软件模拟计算了不同水深条件下扬水曝气器的外围流场,分析了水深对扬水曝气控藻区域和效果的影响.结果表明,当扬水曝气器外围流场稳定时,进水口附近的顺时针环流和其他区域的逆时针环流共存,进水口顺时针环流范围和强度不受水深影响,水流速度沿扬水曝气器径向减小.当水深从50 m逐渐增加到110 m时,扬水曝气核心控藻区域的百分比从12.5%增大到30.6%,核心控藻区域半径从60 m增加到175 m,藻类完全混合的时间从16 d增加到30 d.当水深不浅于65 m时,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48 h,且随水深的增加而延长.非核心控藻区域内的藻类随逆时针环流被动迁移至核心区域,最终悬浮并滞留在扬水曝气器底部附近.分层水库中扬水曝气器合理设计间距为水深的1.2~1.6倍.     

分层水库温度梯度对扬水曝气原位控藻效果的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,数值模拟了不同温度梯度条件下扬水曝气器外围流场及藻类浓度场,并与实际工程运行数据进行对比.当水深为80m、水面下30m内的温度梯度从0.17℃/m增加到0.73℃/m时,核心控藻区域的半径从100m增加到150m,控藻区域百分比从25.16%增大到28.60%,藻类完全混合的时间分别从16d增加到24d.在稳定条件下,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48h,基本不受温度梯度的影响,藻类生长受抑制.藻类浓度模拟结果与实际工程运行结果吻合良好.推荐水库中扬水曝气器合理设计间距为250m.     

分层水库温度梯度对扬水曝气原位控藻效果的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,数值模拟了不同温度梯度条件下扬水曝气器外围流场及藻类浓度场,并与实际工程运行数据进行对比.当水深为80m、水面下30m内的温度梯度从0.17℃/m增加到0.73℃/m时,核心控藻区域的半径从100m增加到150m,控藻区域百分比从25.16%增大到28.60%,藻类完全混合的时间分别从16d增加到24d.在稳定条件下,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48h,基本不受温度梯度的影响,藻类生长受抑制.藻类浓度模拟结果与实际工程运行结果吻合良好.推荐水库中扬水曝气器合理设计间距为250m.     

人工强制混合对金盆水库水体藻类群落结构时空演替的影响

为探明人工强制混合过程对水体藻类群落演替的作用影响机制,本研究利用扬水曝气系统对金盆水库主库区水体进行原位人工强制混合,对系统运行过程中水库水体理化参数及藻类进行原位定点监测.结果表明,金盆水库水体藻类共6门28属51种,扬水曝气系统的人工强制混合作用可显著抑制水体藻类的生长,并对其群落结构产生显著影响:扬水曝气系统运行前,藻类主要分布在表层水体,其中以小球藻(Chlorella vulgaris)为优势种属;扬水曝气系统运行后,表层水体藻密度大幅降低,藻密度垂向分布趋于均匀,优势种属有向小环藻属(Cyclotella sp.)演替的趋势.本研究利用冗余分析(RDA)方法,结合临界层理论(critical depth theory)和藻类生长特性,分析了人工强制混合过程中金盆水库水体藻类群落结构时空演替和主要理化参数变化之间的关系.分析结果表明,扬水曝气系统的人工强制混合作用主要通过迅速破坏水体热分层稳定性和显著增加水体混合深度(Z_(mix))来影响藻类群落结构的时空演替.     

周村水库藻类在混合胁迫条件下的生长衰亡规律

为了探明表层藻类被混合到下层水体中受到环境条件胁迫作用后的生长衰亡规律,并为混合控藻技术提供技术依据,通过实验室模拟和现场实验研究了周村水库藻类在不同水深条件下,受光照、温度、压力等胁迫条件影响后的生长衰亡规律.结果表明,以蓝绿藻为主的周村水库藻类,在光强为32500 lx时生产速率最大,约对应于水库水深1~2 m处;温度在26℃左右比较适合藻类生长;当光照和温度一定时,随着压力的增大,藻类生长受到抑制,压力超过0.2 MPa时,藻类衰亡加速.综合水库不同水深条件下的光照、温度和压力,藻类在2.5 m水深以上净增长,2.5 m水深以下负增长,6 m水深处负增长最大,12 m水深以下负增长减小.     

扬水造流技术控藻机制研究

围绕扬水造流技术的两个关键控藻参数Vmix(水体垂直混合速率)和Emix:Eu(混合深度与真光层深度之比),分别在实验室和现场围隔中开展模拟实验探讨藻类的时空分布.结果表明,实验开始20h后藻类垂直分布趋向动态平衡,Vmix31.08cm/min时2h内藻类未出现浮聚现象,Vmix31.35cm/min则能够长期(320h)遏制表面水华;根据20h平衡分布变异系数对光照和混合组合条件下的控藻效果进行了分类.藻类生消实验显示衰亡速率常数K与Emix:Eu呈正相关(R2=0.85,P<0.05,n=5),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促进藻类衰亡.现场围隔实验结果表明,Emix:Eu对藻类生长消亡的显著影响,并认为在自然条件下,扬水造流技术要发挥控藻效用,Emix:Eu必须33:1.     

水源水库藻类功能群落演替特征及水质评价

为了解水源水库的藻类功能群落时空演替特征及水质变化,以李家河水库为例, 2018年9月～2019年6月对藻类及水质因子开展连续监测,采用功能类群划分方法对水库藻类进行了识别与分类,探讨了藻类功能群落与水质间关系,并结合WQI指数法进行水质评价.结果表明,本研究共获得藻类56种,隶属于4门28属,可划分为15个功能群类,其中优势藻类功能群落分别为B、 D、 G、 J、 L_0、Mp、 P、 W_1和X_1;李家河水库藻类结构呈现明显的季节性特征,混合期藻密度明显低于分层期,其中混合期的主要功能藻种为小球藻和小环藻,分层期的主要功能藻种为舟形藻和针杆藻.冗余分析(RDA)表明,水温、混合层深度和RWCS指数是驱动藻类演替的主要因子;WQI分析结果显示李家河水体水质为"良好",混合期水质略好于分层期.本研究指出扬水曝气系统可改变藻类功能群落的演替特征,有效改善水源水库水质,保障了饮水供水安全.     

扬水曝气器对水源水库水质改善及沉积物控制

研究了分层型深水水库(金盆水库)水体和沉积物的耗氧速率及沉积物原位释放状况,以及扬水曝气系统运行对水体和沉积物的原位改善效果.原位测定结果表明,金盆水库水体和沉积物耗氧速率处于较高水平分别为0.106~0.132mg/(L·d)和0.358~0.410mg/(L·d).在480h内,主库区沉积物Fe、TOC、TN和TP最大释放浓度达到2.3~2.7,4.4~5.2、3.0~3.3和0.165~0.224mg/L.扬水曝气系统运行时期,对作用区域水质和沉积物原位改善结果表明,水体中Fe、TOC、TN和TP浓度削减率分别达到78.6%、22.9%、47.8%和66.7%,其在沉积物中的浓度削减率分别为8.7%、17.4%、18.0%和17.4%.Biolog测定结果表明扬水曝气系统运行过程中,水体和表层沉积物的微生物活性都得到了增强.扬水曝气器系统是深水水库水质和沉积物原位改善的有效技术,且其现场应用已取得显著效果.     

分层型水库藻类垂向演替的水质与细菌种群调控

浮游藻类和细菌是水生食物网的重要组成部分,在水源水库生态系统物质循环和能量流动方面发挥关键作用,藻类的空间演替与水体细菌种群代谢和结构演变关系密切.因此,本文以李家河水库为研究对象,在分析水库水质指标基础上,采用高通量DNA测序技术和Biolog技术,研究水库藻类暴发期,浮游藻类和细菌群落结构垂向演替特征及其与水质的偶联关系.结果表明,李家河水库在8月处于热分层期,水体pH、DO和NH~+_4-N随深度变化均逐渐降低(P0.001).藻密度和Chla呈现同步变化趋势(P0.001),表层最大分别为3 364.33×10~4 cells·L~(-1)和7.03μg·L~(-1).藻类群落结构在水深0 m和3 m处以微囊藻为主,而在水深6 m处,小环藻取代微囊藻成为最优藻属,相对丰度达57.28%.Biolog结果表明,微囊藻的暴发对细菌代谢活性及其相对丰度产生较大影响,但细菌种群代谢活性多样性变化不显著.高通量测序共发现1 420个OTUs,隶属于10个细菌门类,其中放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)在不同水层均为最优门类,其相对丰度之和达50%以上;绿菌门(Chlorobi)和浮霉菌门(Planctomycetes)的相对丰度随着水深增加发生显著变化,均在6 m深度达到最大值,分别为10.29%和6.78%,且与水层藻密度呈显著负相关(P0.05);厚壁菌门(Firmicutes)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)与藻密度呈显著正相关(P0.05).热图(Heat map)指纹图谱表明,李家河水库的细菌群落结构垂向分布差异显著,且随着水深的增加,细菌群落分布更均匀并趋于多样性.冗余分析(RDA)表明,细菌和藻类的群落结构的垂向分布受不同水质指标调控且差异显著.对水源水库藻类暴发期藻类与细菌群落的偶联机制进行探究,为水源藻华消涨的分子微生态驱动机制研究提供科学依据.     

破坏水库水温分层系统的能量效率估算:以金盆水库为例

为指导高效节能的破坏水库水温分层技术及系统的选择,需建立统一的能量效率基准.根据质量守恒和热量守恒定律,求出分层水库水体完全混合后的水温,计算水库水体混合前后的重心;采用库容以及与水温相关的密度等数据,对水深方向各微小水层的势能进行积分得到水体总势能,混合后水体总势能的增加量即为破坏分层所需的最小理论能量,应用耗电量估算法得到破坏分层所产生的最小碳排量;破坏分层系统的能量效率为破坏分层的最小理论能量与实际输入能量之比.以西安金盆水库为例,采用数值模拟方法计算不同水位下的水库库容,应用该方法估算了水库不同季节破坏分层所需最小能量和扬水曝气破坏分层系统的能量效率.采用数值模拟方法计算不同水位下的水库库容,计算破坏分层所需最小能量.结果表明随水体垂向温度梯度的增加而增大,在6~10月期间相对较高,7月达到最大值2432.08kW?h;该水库扬水曝气破坏分层系统的能量效率约为4%;在水温分层开始阶段运行破坏分层系统可有效降低破坏分层所需的能耗,减少碳排放量.     

Sediment pollution characteristics and in situ control in a deep drinking water reservoir

Sediment pollution characteristics, in situ sediment release potential, and in situ inhibition of sediment release were investigated in a drinking water reservoir. Results showed that organic carbon (OC), total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP) in sediments increased from the reservoir mouth to the main reservoir. Fraction analysis indicated that nitrogen in ion exchangeable form and NaOH-extractable P (Fe/Al-P) accounted for 43% and 26% of TN and TP in sediments of the main reservoir. The Risk Assessment Code for metal elements showed that Fe and Mn posed high to very high risk. The results of the in situ reactor experiment in the main reservoir showed the same trends as those observed in the natural state of the reservoir in 2011 and 2012; the maximum concentrations of total OC, TN, TP, Fe, and Mn reached 4.42 mg/L, 3.33 mg/L, 0.22 mg/L, 2.56 mg/L, and 0.61 mg/L, respectively. An in situ sediment release inhibition technology, the water-lifting aerator, was utilized in the reservoir. The results of operating the water-lifting aerator indicated that sediment release was successfully inhibited and that OC, TN, TP, Fe, and Mn in surface sediment could be reduced by 13.25%, 15.23%, 14.10%, 5.32%, and 3.94%, respectively.     

强化原位生物接触氧化技术改善水源水质的试验研究

在扬水曝气条件下,在原位进行了强化生物接触氧化技术改善滦河水源水质的试验研究,分析测定其处理效果,研究了生物填料悬挂于自然水体不同水深、不同水力停留时间下对生物预处理效果的影响.试验结果表明,扬水曝气加原位采用生物接触氧化组合用于水源水质改善是可行的;该技术对水中CODMn、氨氮、叶绿素a、真实色度、TOC、UV254、铁和锰平均的去除率分别可达10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9%和41.9%;生物填料可悬挂在水体0～3 m水深区,停留时间应大于2～3 h.     

贡湖生态修复区水质净化模拟与净化能力

利用三维水质模型,对藻类生长以及沉水植物（穗花狐尾藻、菹草、苦草）的生长和分布进行模拟,探讨春、夏不同季节情况下,贡湖生态修复区对流域内流入的氮、磷污染负荷的净化效果,旨在进一步定量地揭示沉水植物对富营养化水体净化的重要作用.结果表明贡湖生态修复区夏季（7~9月）出水口IV类水水质达标率略优于春季（3~5月）,主要体现在春季氮、磷污染负荷流入,刺激藻类生长,叶绿素a浓度较高;夏季沉水植物生长旺盛,能够与藻类竞争营养盐,从而抑制藻类生长.考虑氮磷污染物流入湖体的后续效应,180d内春季贡湖生态修复区总氮、总磷平均稀释净化效率分别为74.76%和71.00%,180d内夏季贡湖生态修复区总氮、总磷平均稀释净化效率分别为73.20%和64.65%.修复区最大净化能力估算结果为加强生态修复区的管理,保障清水还湖水质提供了参考依据.     

分层水环境曝气诱导形成内波的过程与特性

采用分层水库模型,在平均温度梯度为0.37℃/cm条件下,开展了系统的曝气诱导内波的中试研究.分析了曝气诱导形成内波的过程,探究了曝气诱导形成内波的类型,重点揭示了曝气扰动源形式和跃温层厚度对内波形成过程和特性的影响.实验结果表明：扬水曝气产生的气水两相流是一种非定常的周期性扰动源,气水两相流的尾迹带动整个模型水体上下振动,这种振动在分层水体跃温层处诱导形成内波.从激发源角度上说,它是一种尾迹效应波.气弹释放周期在44.06～58.69s之间时,内波波高达到最大,当气弹释放周期达到180s时不能形成连续的内波;曝气器出流口增大,内波波高、周期呈增大趋势.分层水体的跃温层厚度也影响内波的形成,相同温度梯度条件下,随着跃温层厚度的增加,内波的波高、周期随之增大.     

新型改进旋混曝气器研究

目的研究新型改进旋混曝气器结构性能。方法向曝气池槽底放置旋混曝气器,充满水,投加还原剂（硫酸钠）和催化剂（硫酸钴）进行脱氧,待水中溶解氧质量浓度降为0后开始曝气,用溶氧仪进行数据记录,研究曝气器充氧效率,并进行对比。结果常温（20℃）同状态下通气8．5min后至饱和,通过记录测算出新型改进旋混曝气器蜀。值比常规旋混曝气器蜀。值大,充氧效率高。结论新型改进旋混曝气器的各项充氧性能提到了提高,在一定程度上提高了好氧生物处理效率,可降低污水厂的投资费用和运行成本。     

超微气泡富氧+生物活化技术在黑臭水体治理中的工程应用

针对当前黑臭河道治理工作中出现的黑臭反复,长效性难保持问题,以某内源污染严重的重度黑臭河道为例实施原位生态修复。第1阶段采用超微气泡富氧（移动式曝气船+定点式曝气设备）和生物活化技术进行水体和底质修复,削减内源污染,改善生境;第2阶段应用定点式曝气设备、生态浮岛、水生植物净化、水生动物多样性调控进行生态修复,营造健康稳定的生态系统。经过近4个月的治理,治理区水质由重度黑臭稳定达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水标准,水体COD、NH₃-N和TP含量分别为28.79,0.36,0.19 mg/L,去除率分别达到45%、98%和85%以上,治理后水体澄清,可见多种水生动物和沉水植物,河道底质呈现自然泥土色泽,在未进行清淤处理的情况下即达到了泥水共治的效果,水环境质量得到显著提升,实现了长效治理。