太陽能凈化處理河流輕微污染水體研究

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，在國外有所應用，目前在國內(nèi)應用較少。原因在于水體交換設備多數(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，應用受到限制；另一類以美國PumpSystem公司設計生產(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域得到了應用。

        北京市水利科學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。考慮河道的行洪功能，試驗區(qū)內(nèi)外水體之間不設圍隔，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（PumpSystemInc）生產(chǎn)的SolarBee125OV12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/電能轉換系統(tǒng)、旋轉裝置、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備的情況下可實現(xiàn)24h晝夜運行。

        2.2設備現(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合的方式。首先在岸上將太陽能電能轉換裝置、旋轉裝置、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。

        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到指定位置，見圖1、圖2。

     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等指標隨時間的變化規(guī)律，考察系統(tǒng)對各指標的作用效果。

        （2）通過斷面上不同深度監(jiān)測點的設置，了解DO、葉綠素在水中的分布情況，考察系統(tǒng)對2項指標均勻性的作用效果。
 
        2.3.2監(jiān)測點布置

        平面設置4個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在垂直斷面上各設置3個點，具體如表1所示。

        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試驗結果分析

        3.1DO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%。可見，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。

        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上升應是系統(tǒng)運行初期，水流攪動底泥對DO影響的結果。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。可見，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。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。

        3.4COD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)共同作用的結果，水質(zhì)凈化系統(tǒng)單獨對水體中COD基本沒有去除。

        3.5TN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。

        3.6TP變化

        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。

       3.7NH3-N變化

        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)下游遠遠高于各監(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。