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.     

曝气诱导内波破坏水库水温分层的机理

采用自行设计的分层水库物理模型,在温度梯度分别为0.18~0.60℃/cm条件下,分析了曝气诱导内波破坏模型水库有限水体水温分层的过程,探究了跃温层下潜速度与内波特征参数的关系,揭示了内波破坏水温分层的机理.实验结果表明:分层水体完全混合之前,曝气诱导的内波一直存在于跃温层内部;内波波幅在跃温层中部较大、边缘较小.破坏分层期间,跃温层从初始位置逐渐下潜至底部时,下潜速度从0.24m/s逐渐减小到0.08m/s,但内波持续时间、周期、波幅分别约逐渐变大100%、200%和33%;同等条件下,跃温层下潜速度随着温度梯度的增加而减小;内波在模型水库有限分层水体横向传播过程中,并未发生破碎现象,内波主要依靠流体质点垂向的上下移动促使水体混合,与海洋等开放水体中内波破碎导致水体混合的传统机理不同.     

曝气诱导内波破坏水库水温分层的过程与效果

针对传统的水库破坏分层技术的低效率、高能耗等普遍问题,研制了能模拟基于自然对流而形成水温分层的中试模型水库,研究了曝气诱导形成内波混合破坏水温分层的可行性,过程和效果.扬水曝气产生的周期性出流能作为扰动源,在分层水环境中诱导形成内波.内波频率及波幅与曝气量有关.在曝气量0.07~0.28m3/(m2·h),跃温层温度梯度0.29~0.48℃/m的中试条件下,内波破坏分层过程主要以减小表层和底层水温差别、驱使跃温层下潜、等温层变薄为特征,破坏分层的速度与曝气量正相关、与温度梯度负相关.内波通过垂向振荡和横向传播,促进不同温度的水层之间的热交换.相对传统的循环水流混合,在温度梯度约0.32℃/m和0.46℃/m的条件下,当曝气量从0.07m3/(m2·h)逐渐增加到0.28m3/(m2·h)时,内波混合可分别将破坏分层效率提高25.0%~40.0%和41.2%~60.0%.     

曝气条件对等温层曝气器水力性能的影响

等温层曝气器内表观水流速度直接影响等温层曝气的充氧效果,针对表观水流速度难以准确计算的普遍问题,系统分析了曝气室内气水两相流运动所受的驱动能量与损失能量,提出了尾涡和顶部能量损失的无量纲表达式,建立了曝气室内水流的一维水动力学模型,以及基于MATLAB真域算法的模型求解方法.采用美国Prince湖等温层曝气器的实际运行数据,对该模型进行了验证,表观水流速度的预测误差在±8％以内,明显低于现有预测误差±20%.当曝气孔直径为2.6mm、曝气量从0.018m3/h增加到0.063m3/h时,曝气室内表观水流速度随曝气量的增加而增加;当曝气量固定,曝气孔直径从2.6mm减小至0.26mm时,表观水流速度随曝气孔直径的减小而增加,而当曝气孔直径进一步减小至0.026mm时,表观水流速度基本不受影响.计算了不同条件下的驱动能量和各项损失能量,揭示了引起表观水流速度变化的内因.建立的水动力学模型可用于指导等温层曝气器的设计和优化.     

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.     

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.     

扬水曝气器类型对分层水库藻类控制效果的影响

为优选扬水曝气器的类型以更经济有效地原位控藻,建立了基于Fluent软件的水库水动力与水质数值模拟方法,在不同温度梯度和水深条件下,预测了淹没式和非淹没式扬水曝气器对分层水库中藻类控制的效果. 以金盆水库扬水曝气水质改善工程为案例,对扬水曝气器外围流场和藻类混合迁移过程进行数值模拟. 结果显示,垂向流速和藻密度的模拟结果与实测数据吻合较好. 在典型的扬水曝气器运行条件下,水深分别为77.25、87.25和97.25 m时,淹没式和非淹没式扬水曝气器的外围流场均以顺时针环流为特征;淹没式扬水曝气器的环流发展较远,表层藻密度分别被削减了86.8%、88.2%、90.6%;扬水曝气器类型对藻密度削减率的影响不大. 采用淹没式扬水曝气器时,77.25、87.25和97.25 m水深下核心控藻区占整个流场区域的比例分别为39.71%、41.14%和42.73%,分别比非淹没式的高14.81%、8.95%和2.69%;藻类完全混合的时间分别为10、12和14 d,分别比非淹没式的少8、7和6 d. 不同季节和水深条件下的模拟结果表明,采用淹没式扬水曝气器,核心控藻区域较大,藻类混合较快.      

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.     

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.     

静态三通道曝气器

静态曝气器是国外七十年代发展起来的一种新型曝气混合装置,它具有节省能量、充氧效率高、竖向提升和混合好以及运行操作简单、不需维修等优点。静态曝气器(见图1),可解决现有曝气池因竖向提升和混合差而引起的上下层溶解氧不均匀与底部积泥问题;同时,由于它充氧能力高,使扩建厂在处理水量增加、负荷提高时可不必再增加或少增加曝气池容积和设备。所以国内不少单位希望在设计中能采用这种装置,并希望能用这种装置改选原有曝气池。     

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.     

曝气技术对黑臭水体治理效果影响的研究进展

城市水体黑臭已成为全球重要的水污染问题,对黑臭水体的治理已经刻不容缓.曝气技术在提高黑臭水体自净能力方面发挥着重要作用,为了深刻理解曝气技术对黑臭水体水质的提升效果及其对污染物去除效果的影响,综述了曝气对黑臭水体复氧效率以及对黑臭水体中污染物去除率的影响.结果表明:①不同曝气技术的复氧效率不同,纯氧曝气复氧效率最高,达70%.②单独曝气能有效地去除黑臭水体中的污染物,NH₄+-N、COD_Cr和BOD₅的去除率范围分别为3.2%~45.6%、19.5%~84.8%和56.4%~88.2%,同等条件下,曝气与其他技术结合使得污染物去除率显著增加,综合治理后水中污染物去除率在46.8%~98.7%之间,底泥曝气下污染物的去除率比水曝气下污染物的去除率高20%以上.③曝气深度、曝气时间和曝气强度都影响水中污染物的去除率,但对其影响程度不同,且都存在各自的边界条件;另外,曝气强度影响细菌的优势类群,曝气增加了氨氧化菌和反硝化菌的数量及组成.目前仍存在不同曝气技术的复氧效率、曝气边界条件优化、曝气对污染物迁移转化规律、曝气对微生物群落影响等方面研究不足的问题,建议未来我国曝气技术在以下几方面加强研究:①加强不同曝气技术复氧效率的研究;②加强曝气对污染物去除机理研究;③加强曝气边界条件的优化研究;④加强曝气对功能微生物的影响机理研究.      

BAF/石英砂滤池一体化设备处理黑臭水体试验

针对黑臭水体,采用BAF和石英砂滤池的组合,开发处理黑臭水体的一体化设备。将BAF/石英砂滤池一体化设备与传统BAF系统进行平行试验,在不同水力负荷与气水比条件下比较2个系统COD、NH_3-N、浊度和TN的去除效果,以探究一体化设备的优势及其最佳运行参数。试验结果表明:BAF/石英砂滤池一体化设备用于处理黑臭水体时,在滤料总高度相同的条件下,对COD、TN以及浊度去除率比传统BAF分别增加了6,5,7百分点,反冲洗周期比传统BAF延长了2 d。当水力负荷为2. 56 m~3/(m~2·h)时,BAF/石英砂滤池一体化设备对COD、NH_3-N、TN以及浊度平均去除率分别为65. 09%、75. 70%、50. 84%和89. 42%;在气水比分别为1. 5∶1、1. 0∶1和0. 5∶1的变化过程中,2个系统对COD和NH_3-N去除率逐渐降低,对浊度去除率影响不大,而对TN去除率显著提高。综合各项污染物指标,BAF/石英砂滤池一体化设备的最佳气水比为0. 5∶1,该设备可用于截流式合流制溢流混合污水处理及黑臭水体的旁站处理或循环处理。     

BF仿生载体对黑臭水体水质净化试验

为解决城市黑臭水体的问题,构建基于玄武岩纤维(BF)仿生载体、微生物菌剂和曝气复氧净化黑臭水体的组合工艺,对黑臭水体净化效能进行试验研究。结果表明:BF仿生载体、微生物菌剂和曝气复氧三者相结合对黑臭水体具有良好的净化效果。经过28 d的平稳运行,COD、NH_4~+-N和TP去除率分别为75. 1%、99. 4%和94. 2%。经预挂膜处理的BF仿生载体在曝气复氧条件下,达到相同净化效果所需时间更短。同时BF仿生载体可有效降低水体浊度,对水体中游离微生物具有良好的吸附和富集作用,其吸附的微生物数量最高为3. 57×10~7CFU/g。     

2种漂浮植物对再生水水质净化能力比较

选取2种常用水生漂浮植物凤眼莲与大薸作为研究对象,以某大型再生水厂再生水作为培养介质,研究对再生水中氮、磷的深度净化能力。实验结果表明:实验期间,凤眼莲相较于大薸,单株生物量更大,且增殖更迅速。在相同种植密度(24株/m~2)下,凤眼莲和大薸生长率分别为165,56. 8 g/(m~2·d),对TN去除率分别为96. 3%和73. 7%,去除负荷为374,286 mg/(m~2·d),大薸组对磷的去除效果优于凤眼莲组,去除率分别达到100%和94%,对磷的去除负荷分别为39,42 mg/(m~2·d);但是,实验进行10 d后,大薸出现叶片发黄、根部腐败状况,导致水体中氮、磷含量升高,而凤眼莲长势良好,去除效果能够保持。因此,对比2种植物的生长特点及对氮、磷的去除能力,优先选用凤眼莲作为再生水净化植物,如选用大薸,则应在腐败前进行打捞处理,避免腐败后氮、磷重新进入水体形成污染。     

人工强制混合充氧及诱导自然混合对水源水库水质改善效果分析

为探究人工强制混合充氧与诱导持续混合对水质改善的影响及人工强制混合与自然混合的衔接条件,以李家河水库为例,于2017年6月至2019年4月开展水质及水文气象指标监测,分析自然过程及人工诱导混合过程各时期水温、溶解氧及水质变化特征.结果表明:①自然过程分层期持续时间长,混合期仅为2.5个月,人工诱导混合过程通过扬水曝气系统的运行, 9月底水体达到完全混合且进入降温期,诱导自然混合条件具备,表层水温、平均气温分别为20.17℃和16.5℃,此时系统关闭后水体持续自然混合,混合周期延长至5.5个月;②自然过程污染物浓度较高,混合期表层污染物浓度呈现先增加后降低的趋势,氧跃层伴随热分层出现,底部厌氧周期达6个月;③相较于自然过程,人工诱导混合过程水体等温层厌氧消除且污染物控制效果良好, 10月至翌年3月同期底层NH⁺₄-N、 TP、 Fe和Mn浓度的削减率为76.2%、 75.5%、 82.2%和82.1%,均达到地表水环境质量标准,人工诱导混合过程有利于水质改善及混合作用时效的延长.     

动态模拟功能土原位覆盖抑制底泥磷释放

该文采用为期60 d动态循环水槽试验,研究不同水流条件下功能土原位覆盖抑制底泥中磷释放的效果。结果表明:在动态水流条件下覆盖组对底泥中TP和SRP释放的平均抑制率约为60%和65%;功能土覆盖抑制底泥中其他形态磷转化为NH_4Cl-P,从而减少磷对水体的富营养化的影响;水体流速的增加加强水体的曝气,促进金属氧化物与磷发生吸附并沉淀,从而抑制底泥中磷的释放。因此功能土原位覆盖可以有效控制底泥中磷释放,但在未来的研究上需要更进一步了解它的修复机理。     

城市景观水体曝气与生物膜联合净化技术研究

为提高城市景观水体的透明度,降低水体中的营养盐含量,改善水生态系统恢复的生境条件,将水体曝气与生物膜复合净化技术应用于北京某疗养院5 000 m2景观水体,研究该技术提高水体透明度和降低水体中营养盐的效果,曝气方式采用新型的推流型射流曝气机,生物膜载体采用弹性生物膜填料.研究显示,该技术能使水体透明度从25 cm提高到了120 cm;水体中总氮(TN)、氨氮(NH4 -N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)的含量分别降低了22.4%、86.6%、90%和73.3%;水体底部溶解氧(DO)含量由4.3 mg/L增加到7 mg/L左右.环境水体透明度的提高为恢复水生态系统创造了有利条件,表明水体曝气与生物膜复合净化技术是景观水体水生态系统生境改善的有效措施.     

一种新型SAnMBR污水处理工艺性能试验研究

文章采用一体化浸没式厌氧膜生物反应器(SAnMBR)进行低浓度生活污水的COD处理及回收能源气体的实验研究。SAnMBR在中温((35±1)℃)、水力停留时间为22 h的条件下成功启动,在水力停留时间为6～15 h、有机负荷为0.87～2.60 kg/(m~3·d)(以COD计)的条件下稳定运行。结果表明,在稳定运行阶段COD去除率平均值为81.42%,其中厌氧单元对COD去除率的贡献值为75%,膜单元对COD去除率的贡献值为25%,CH_4的日产生量随有机负荷的增加呈增长趋势。整体来看,SAnMBR在中温条件下处理低浓度生活污水具有可行性及能源化和资源化的潜力。