殷 友 庭
鎮江市華城城鎮建設新技術研究所

前言

　　當前，我國水環境污染仍然相當嚴重。大型湖泊（水庫）和城市湖泊水質普遍較差，75%以上的湖泊富營養化加劇，解決氮、磷污染將是一項長期的艱巨任務。從投入巨額資金進行重點治理的一些湖泊的情況來看，富營養化湖泊的水質雖有一定的改善，但并未取得突破性進展。因此，目前擺在我們面前的任務是探索適合我國國情的投資少、運行費低、管理維護方便而又行之有效的措施和辦法。筆者作為國家“九五”攻關課題“風能曝氣機”主要參加者之一，參加了研制工作。
　　本文擬就風能曝氣機在富營養水體治理中的作用和機理進行分析探討，因時間倉促，有些問題未能深加思考，所談觀點非常粗淺，也可能有不妥之處，意圖是和大家交流，并請指教。

一、富營養化水體的主要特征：

　　受營養元素污染的水體，如果是水流緩慢的半封閉水域或封閉水域，在適當的光照、溫度條件下，天然水體的藻類將進行光合作用，合成本身的原生質。當營養元素的輸入大于輸出時，經過一定時間的積累，將導致水體的富營養化。富營養化水體主要特征是：初級生產量過度增殖，將破壞水體中生態系統原有的平衡，并引起浮游生物種類組成的變化，而發生藍-綠藻水華，這時藻類在水中聚結成塊，形成藍綠色絮妝物或膠團狀物質，覆蓋了水體的表面，這種情況的出現，將使部分水體失去表面復氧作用。另外由于過量增長的浮游生物呼吸作用要消耗水體中的溶解氧，衰亡的藻類沉積于底層，在微生物分解其殘渣的過程中（包括好氧分解、硝化反應等），也要消耗大量的溶解氧。因而造成富營養化水體的嚴重缺氧。國內外大量的資料報導了由于富營養水體嚴重缺氧而造成魚蝦大量死亡的事例。因此富營養化水體除了初級生產量的過度增殖以外，嚴重缺氧也是一個重要特征。

二、風能曝氣機的研制及其構造、工作原理和性能參數簡介

　　風能曝氣機的研制是列入"九五"國家重點科技攻關項目的課題。鎮江市華城城鎮建設新技術研究所作為主要參加單位之一，參與了這項課題的研究實驗工作。一九九六年委托天津大學對風能曝氣機的模型進行了風洞實驗，優選了最佳風輪翼型，以提高風能吸收利用率，并對低流速、大流量下最佳的螺旋槳角度和形狀進行了研究，在此基礎上進行了樣機的設計和制造。一九九七年至一九九八年在鎮江進行了現場試驗，并在依托工程中加以應用，取得了良好效果，根據現場測定，其主要性能參數如下：啟動風速為0.5m/s；二級風速時溶解氧的富集速率為1.2～1.34KgＯ2/h；服務面積為400～600m2。風能曝氣機主要由葉輪、葉輪支架、浮基、導流筒和螺旋槳等幾部分組成。當風輪收集、吸收了風能后，在風力的驅動下，沿著恒定的方向帶動中軸旋轉，并通過中軸帶動其末端的螺旋槳同步旋轉。在浮基的中央設有導流筒，螺旋槳設于導流筒內。當螺旋槳在中軸的帶動下旋轉時，其葉片將水體向下推動，于是導流筒上部的水體將向下流動進行補充，從而造成筒口水面下降，這就使得導流筒四周的表層富含溶解氧的水層向導流筒匯集，于是形成了一個以導流筒為中心的降水漏斗，通過降水漏斗的匯集和螺旋槳葉片的推動，把富含溶解氧的水體沿徑向輸送至水層深處，并同時把該處虧氧量較大的水層頂托至水體表面，形成了豎向環流，在環流的作用下，加快了界面的更換速度，加大了氣液界面處的虧氧量，這就大大增強了氧從氣相轉向液相的轉移速率。實踐表明，風能曝氣機對于提高水體深層溶解氧的濃度和水體溶解氧的總體水平具有顯著的效果。其主要尺寸如下：風輪直徑：0.90m；螺旋槳直徑：0.70m；導流筒直徑：0.72m；機身高度：3.32m；浮基寬度：4.00m。一九九九年通過了國家鑒定；二○○○年被列入"當前國家鼓勵發展的環保產業設備"并獲得國家專利。

三、應用風能曝氣機治理富營養水體的作用和機理

　　湖泊具有廣闊的水面，是一個可以充分利用風力資源的優良場所，因此可以用風力取代電力來驅動曝氣裝置。在湖泊中設置風能曝氣機具有人工混合分層、增加氧的供應量和調節量，減少初級生產量等多種功能，可以在富營養污染的治理中發揮重要作用，分析如下：
3．1 減少初級生產量，修復失衡的生態系統營養結構
　　就現在研制的風能曝氣機而言，在二級風的驅動下所產生的豎向環流，將在水體的表面水層和2.5米水深處的水層之間形成的全層循環，這對于淡水湖泊和深水湖泊的淺水湖區，可以取得如下效果：①在豎向環流的作用下，把生長于水體表層的藻類帶入無光或弱光的水層中去，因環流的流動速度很小，藻類在無光區滯留時間較長，當藻類再次進入上層水體時因死亡、沉淀或休眠，而去除大部分或使其失去活力，只剩一部分藻類繼續生長。②環流可使水層混合，有利于浮游動物的生存，這些浮游動物往往以藻類為食。因此增加了初級生產量的消耗。③通過豎向環流把氧帶入湖底改變了湖底的缺氧、厭氧狀態，抑制Ｎ、Ｐ等營養元素的釋放，這有利于減少初級生產量的增長。
3．2 改變DO垂直分布，提高復氧速度，增加氧庫庫容
　　富營養水體中，白天藻類光合作用所產生的氧量，在其高峰期往往使水體中的DO達到過飽和狀態。由于氧向水體深層的轉移，主要依靠分子擴散，轉移速率非常緩慢。因此DO濃度，沿水深呈倒梯形分布。而風能曝氣機所形成的豎向環流將使水層混合，把富含DO的表層水輸送到底層，這樣一方面因加大了氣水界面處的虧氧值，而提高了表面復氧的速率，另一方面均化了水體的DO濃度分布，既增加水體氧庫的的庫容，即增加了氧的調節量，同時可使以藻為食的浮游動物的供氧狀態得到改善，有利于食物鏈營養結構的平衡。
3．3 為加環提供必要條件
　　湖泊中藻類的過量繁殖，意味著N、P的輸入大于輸出，超越了生態系統的自我調節能力。過剩的營養元素積蓄于生態系統中，使原有協調的結構與功能失調，物質循環及能量流動發生阻滯和障礙，即出現生態阻滯現象。處理這類污染，一方面應控制外源污染物的輸入。另一方面采取措施調節水生生態系統的內部結構與功能，改善與加速生態系統中過剩物質的遷移、轉化、循環和輸出。根據國內外的經驗，可以通過加環的辦法來解決。即對水體中不同成分進行食物鏈式的橫向耦合，變污染副作用為資源正效益。例如可以引入某些植食性原生動物和濾食性浮游動物以及某些以藻類、微型浮游動物為食的魚類。魚類可以捕獲成為商品。這樣可以使過剩的N、P外移，在隔絕外源N、P輸入的情況下，可以恢復湖泊水生生態系統的平衡。但富營養水體因嚴重缺氧，而使加環難以進行。為了滿足水體中原有的和引入的浮游生物呼吸需氧，向水體增氧將是一項必要措施。向水體進行人工增氧的辦法可歸結為兩大類：一是由電力驅動的增氧裝置；二是以風力驅動的風能增氧裝置，由于在廣闊的湖面上設置風能曝氣機增氧具有節省基建費、運行費和管理維護等多方面的優點，應當說是一項加以鼓勵采用的曝氣增氧裝置。

四、結　語

　　1、水體富營養的“防”與“治”是相輔相成、缺一不可的。所涉及的面相當廣泛，本文著重于從富營養水體內部的治理方面，而且是僅就風能曝氣機運用于治理方面做了一些分析和探討，供大家參考。希望能對Ｎ、Ｐ的富營養污染治理有所貢獻。
　　2、對于我國分布廣大地區被污染河段黑臭現象的治理，在適當位置的河段上應用風能曝氣機，基于上述分析可知，也能起到良好作用。
　　3、采用風能曝氣機改造傳統氧化塘，可以大大提高其凈化能力，并可得到穩定的處理效果。因為在這種情況下，太陽能和風能這兩種綠色能源，往往可以起到互為備用的作用。