、 空限； 曝气扬水筒氧利用率低且仅可用深度大于 6 m 的湖泊［7-8］， 表面曝气机在湖面安装困难且安装 缆绳将阻挡航道
［9 ］
； 射流曝气器吸气量小， 服务面
积小， 氧利用率较低［10］， 难以实现大型化． 本文通过室内模拟试验研究复氧技术控制浅 水湖泊湖泛的机理及控制参数， 并设计适用于浅水 湖泊复氧的新型升流循环复氧装置（ UFCＲ ） ， 结合 室内 / 室外试验和计算流体动力学模型研究表明， UFCＲ 装置 适 合 于 浅 水 湖 泊 湖 泛 发 生 时 的 应 急 控制．
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cells / L ， 因此控制室内温度为 （ 30 ± 2 ） ℃ ， 并对模 拟试验水柱作蔽光处理， 阻止蓝藻的光合作用， 促 进蓝藻消亡． 各组初始藻浓度、 湖水、 底泥均相同， 区别仅在于曝气强度的不同． 人工复氧装置采用电 磁式空气泵和砂芯曝气头曝气． 1 ） 早期阶段组（ Ⅰ 组） 当水体逐渐因藻腐 败溶解氧浓度降低至 2． 0 mg / L 时， 通过控制人工 复氧气量， 使水体溶解氧稳定在 2． 0 mg / L． 2 ） 渐进阶段组（ Ⅱ 组） 当水体逐渐因藻腐 通过控制人工 败溶解氧浓度降低至 1． 0 mg / L 时， 复氧气量， 使水体溶解氧稳定在 1． 0 mg / L． 3 ） 发生阶段组（ Ⅲ组） 当水体逐渐因藻腐败 而溶解氧浓度低至 0 时（ OＲP 为 － 100 mV ） ， 通过控 制人工复氧气量， 使水体溶解氧稳定在 1． 0 mg / L． 4 ） 深度发展阶段组（ Ⅳ 组） 当水体逐渐因 藻腐 败 而 溶 解 氧 浓 度 降 低 0 时 （ OＲP 为 － 350 mV ） ， 通过控制人工复氧气量， 使水体溶解氧稳定 在 1． 0 mg / L． 5 ） 对照组（ Ⅴ组） 不做曝气处理．
浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术
刘海洪 李先宁 宋海亮
（ 东南大学能源环境学院， 南京 210096 ）
摘要： 试验研究了复氧技术防控浅水湖泊黑臭水体发生的机理和复氧设备 ． 研究发现， 当太湖水 在藻浓度 1． 0 × 10 8 ～ 5． 0 × 10 8 cells / L ， 水温约 28 ℃ 时， 静止过程中水中的 COD M n 、 二甲基三硫 6 d 后发生明显的类湖泛的水体黑臭现象， 表明采用人工复氧维持水中 1． 0 醚浓度持续升高， mg / L 溶解氧的方法可防控藻源性局部黑臭水体发生 ． 研发出 3 种升流循环复氧装置， 结果显 示， Ⅲ型装置充氧及能量利用率性能最佳． 中试试验显示， Ⅲ 型中试溶解氧升高及扩散趋势与 fluent 模型相符， 80 h 时溶解氧平均值为 3． 65 mg / L ， 溶解氧平均上升速率为 0． 045 4 mg / （ L ·h） ； 升流循环复氧机在模拟黑臭水体应急处置时 ， 48 h 时影响半径可达到 50 m． 初步证明升流循环 复氧装置可作为应急充氧设备，用于类似太湖的浅水湖泊黑臭水体的治理领域 ． 关键词： 复氧装置； 浅水湖泊； 黑水团； 富营养化； 太湖 中图分类号： X703． 1 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505 （ 2015 ） 03052605
1
1． 1
试验
室内静态模拟试验 室内静态模拟试验装置由 0． 25 m （ 直径） ×
1． 5 m （ 高） 透明有机玻璃材料制成， 分水层和泥 层， 水层高为 1． 35 m ， 泥层高为 0． 15 m ， 外侧开有 5 个监测取水样口． 试验过程中使用的试验材料 （ 蓝藻、 湖水、 底泥等） 均采自太湖藻源性局部黑臭 水体易发、 高发区． 将多组试验装置并排放置于室内， 鉴于太湖藻 源性局部黑臭水体常发生在夏季气温较高时期， 平 均水温 约 28℃ ， 藻 密 度 为 1． 0 × 10 ～ 5． 0 × 10
Abstract ： The mechanism of reoxygenation technology to control black w ater aggregation （ BWA ） in a shallow lake w as explored． Static experiments show that under a temperature of 28 ℃ and the blue algae density of 1． 0 × 10 8 to 5． 0 × 10 8 cells / L ，the concentration of COD M n ，dimethyl trisulfide（ DM TS ） in Taihu Lake continually rises， and finally becomes black and putrid after 6 d． It show s that artificial aeration to maintain dissolved oxygen （ DO ） content exceeding 1． 0 mg / L in w ater can prevent and control the occurrence of black and putrid w ater． Three types of upflow ing cycle reoxygenation （ UFCＲ ） devices for shallow lake oxygenation are developed，and type Ⅲ is optimal． The simulated black w ater pilot test show s that the diffusion trend of the DO for the type Ⅲ device is consistent w ith the corresponding fluent softw are model． After 80 h ， the concentration of DO and the average rising rate is 0． 045 4 mg / （ L ·h） ． The influence radius of type Ⅲ is 3． 65 mg / L ， device can reach 50 m after 48 h w hen the UFCＲ is used to treat black and putrid w ater． This device can be used to prevent and control the emergence of black and putrid w ater in shallow lakes． Key words： reoxygenation device； shallow lakes； black w ater group； eutrophication； Taihu Lake 富营养化湖泊局部黑臭水体现象又常称“黑
第3 期
刘海洪， 等： 浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术 1． 2 升流循环复氧装置研发及优化试验
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率难以在短期内实现该目标时， 人工复氧是重要的 应急处理手段． 目前应用于国内外湖库增氧技术中 固定式人工曝气装置均存在各自局限 ． 其中同温层 曝气
［45 ］
研发出 3 种型式的复氧器， 其气弹提升结构相 曝气 同， 但曝气区设计各有特点． 均具有一气两用、 提水的双重效能， Ⅲ型是对前 2 种型式结构的进一 11］ ． 步优化， 详细情况见文献［ 1． 3 Ⅲ型装置 fluent 模型 为预测Ⅲ型装置水力特征及充氧传播性能， 采
用 fluent 软件平台， 建立二维非稳态模型， 研究浅 水型升流循环接触复氧装置对局部黑臭水体复氧 效果的实际效果． 模拟采用了气液双流体模型、 标 分离式（ segregated ） 求解器 准二维 Kε 湍流模型、 隐式法（ implicit） 线性化离散格式， 求解动量方程、 湍流方程、 输运方程、 能量方程， 模拟速度场、 溶解 氧分布． 在二维非稳态模型中设置二维水池为宽 100 水深 1． 8 m ， 曝气装置位于水池正中． m、 1 ） 进口参数． 进口面为曝气装置顶端面， 宽度 300 mm ， 水流速度 1 m / s． 装置的空气充气量为 11 m 3 / h， 扣除空气所占体积流量， 修正后的出口面流 速为 0． 957 m / s． 进口面水温为 293 K ， 氧气组分质 其余为水． 量浓度为 6 mg / L ， 2 ） 出口参数． 定义曝气装置底部侧面为自由 出流． 3 ） 水体表面、 池底及侧面定义为 Wall 边界． 4 ） 扩散系数． 在 293 K 温度下， 氧气在水中的 分子扩散系数为 2． 1 × 10 － 9 m 2 / s［12］． 5 ） 耗氧反应速率． 定义耗氧反应为零级反应， 反应速率常数 k = － 0． 2 mg / （ L · h ） = － 3． 086 4 × 10 － 12 mol / （ m 3 ·s） ， 根据阿伦乌尼斯公式， 对于 零级反应， 活化能参数为 0 ， 指前因子 A = － k = 3． 086 4 × 10 － 12 ． 1． 4 中试 中试现场 为 太 湖 边 某 捞 藻 站 第 3 号 捞 藻 池 （ 100 m × 50 m × 1． 8 m ） ， 中试装置为 Ⅲ 型多面空 心球型装置， 中心筒直径 300 mm ， 设计曝气量为 3 20 m / h， 采用沉藻水配制的模拟太湖黑臭水体进 行充氧研究． 试验装置及试验现场如图 1 所示． 各 组试验模拟黑臭水体采用等量腐化沉藻水和太湖 湖水配置． 试验装置置于试验水池中间， 由装置底部钢制 坠块半固定于池底， 采用气泵作为气源， 气体流量 为 20 m 3 / h． 于场地中设置栈桥， 并将栈桥修至池 中心． 取样点从池中心沿栈桥每 15 m 设一个点， 共 设 4 个点， 定义为 1 号测点 ～ 4 号测点， 分别距池 中心半径 0 ， 15 ， 30 ， 45 m ， 每个测点设 4 个溶解氧取 http： / / journal． seu． edu． cn
Ｒeoxygenation technology for prevention and control of black water in shallow lakes