太阳能净化处理河流轻微污染水体研究

河湖微污染水体富营养化的治理一直是一个世界性的难题。利用机械能人为破坏水体的静水状态，增加水体溶解氧和流速，强化水体自净能力，从而改善水质的技术，在国外有所应用，目前在国内应用较少。原因在于水体交换设备多数需要动力源驱动，因运行成本太高，安全可靠性及可维护性较差等因素，应用受到限制；另一类以美国PumpSystem公司设计生产的太阳能水质净化系统为代表，将涡轮泵系统和太阳能电机系统相结合，完全利用自然能源驱动系统，不需要岸上动力源，近年来在国外微污染水处理领域得到了应用。

        北京市水利科学研究所课题组采用太阳能水质净化系统对北京市亮马河微污染水体进行了试验研究，现将试验研究情况介绍如下。

        1工作原理

        太阳能水质净化系统主要工作原理如下。

        （1）通过采用太阳能光电板将太阳能转化为电能，并利用它带动高效的涡轮扇产生层状缓流，从而使得较大范围内水体产生表面流。

        （2）通过与深层水交换作用相结合，实现较大水域的纵横向环流，从而增加该区域底层水体的溶解氧，加快微生物的代谢活动，加速水体中N、P等污染物降解的速率，降低污染物负荷。

        （3）通过水体交换作用破坏水中浮游藻类的生活环境，抑制和减少水华藻类的繁殖，从而达到控制水华及缓解水体富营养化程度的作用。

        2试验方法

        试验区在河道内布置，选择北京市亮马河上段、渔阳饭店以南三岔口水域，面积约1000m2。考虑河道的行洪功能，试验区内外水体之间不设围隔，为自然连通状态。

        2.1试验装置

        试验装置采用美国泵系统公司（PumpSystemInc）生产的SolarBee125OV12型太阳能水质净化系统，主要用于城市河湖等小水体。系统由太阳能/电能转换系统、旋转装置、配水系统、浮体、锚定系统组成，因系统内部加装蓄电池，在不需要岸上附属设备的情况下可实现24h昼夜运行。

        2.2设备现场安装

        在试验区内三岔口的中心位置安装太阳SolarBee太阳能水质净化系统（SBL25OV12型）1套。

        系统安装采用陆上与水上相结合的方式。首先在岸上将太阳能电能转换装置、旋转装置、配水管及装置、浮体等组装完毕，然后推人水中由船只牵引系统到达安装位置。此时浮体支持系统漂浮在水面上，通过系链和水下锚定物固定系统的位置，使系统距离安装位置不致漂移太远。

        系统安装人水后需进行调试，主要调整浮体臂长度使配水盘水平及调整系链长度使吸水软管达到指定位置，见图1、图2。

     2.3监测方案

        2.3.1监测目的

        （1）通过对各监测点的连续观测，了解DO、叶绿素、透明度、COD、TN、TP、NH3-N等指标随时间的变化规律，考察系统对各指标的作用效果。

        （2）通过断面上不同深度监测点的设置，了解DO、叶绿素在水中的分布情况，考察系统对2项指标均匀性的作用效果。
 
        2.3.2监测点布置

        平面设置4个监测点，每个监测点在垂直断面上各设置3个点，具体如表1所示。

        2.3.3监测项目

        监测项目为水温、pH、DO、透明度、TP、TN、NH3-N、CODcr、叶绿素-a。水温、pH、DO采用便携式测速仪器测定，TP、TN、NH3-N、CODcr等项目采用实验室测速方法测定。

        3试验结果分析

        3.1DO变化

        水质净化系统安装后，4个监测点在中层和底层水体的DO变化均出现了相似的增长规律。可见，水质净化系统对于提高中层、底层水体的DO具有一定的作用。

        3.1.1不同深度水体的DO随时间的变化

        （1）中层水体。4个监测点中层水体的DO初始值为2.4-3.7mg/L，后期多次监测平均值为6-15.5mg/L，北点、中点、东点、西点的增长率分别为274%、399%、381%、317%。可见，随着时间的延长，中层水体的DO呈逐渐上升的趋势，说明是水质净化系统作用的结果。

        （2）底层水体。4个监测点底层水体的DO初始值为0.13-0.21mg/L，后期多次监测平均值为0.54-0.73mg/L，北点、中点、东点、西点的增长率分别为300%、290%、382%、558%。可见，随着时间的延长，底层水体的DO呈逐渐上升的趋势，说明是水质净化系统作用的结果。

        3.1.2均匀性比较

        通过比较DO在不同深度水体中的分布情况，来说明系统对改善DO在水中分层现象的作用效果。将各监测点表层与中层、中层与底层水体的DO差值进行平均，用来表征DO在水中的均匀程度，差值越大，说明分布越不均匀；差值越小，说明分布越均匀。

        如图3所示，随着时间的延长，各监测点DO的差值平均值均呈现上升、下降、持平、再下降的变化曲线。DO上升应是系统运行初期，水流搅动底泥对DO影响的结果。各点下降幅度类似，第12周时的差值平均值是第2周的0.3-0.6倍，说明DO在水中的分布越来越均匀。

         3.2叶绿素变化

        水质净化系统安装后，在一定区域内营造出了水体的垂直流循环，藻类在水体中的分布日趋均匀，通过比较叶绿素在水体中的分布情况，来说明藻类随时间的变化。将各监测点表层与中层、中层与底层水体的叶绿素差值进行平均，用来表征叶绿素在水中均匀程度，差值越大，说明分布越不均匀差值越小，说明分布越均匀。

        如图4所示，随着时间的延长，各监测点叶绿素的差值平均值均呈下降趋势，下降幅度最大的点为西点、北点，第12周时的差值平均值分别是第2周的0.02和0.06倍，说明藻类在水中的分布越来越均匀。

        从空间分布来看，第12周时，水质净化系统安装位置上游水体中不同深度的叶绿素值差异较大，差值平均值达76.7mg/L，即分布极不均匀北点、中点、东点、西点的差值平均值分别为9.5、20.9、42.7、2.7mg/L。可见，经过水质净化系统的作用，各监测点的不同深度叶绿素值均有不同程度的减小。

        3.3透明度变化

        水质净化系统安装后，水体透明度随时间的变化如图5所示，可以看出，各监测点的透明度总体呈上升趋势，中间出现小的反复。第1周到第3周出现一个小的增长，从8-12cm增长到16-26cm，之后透明度下降、再上升，第12周各监测点增长至50cm左右。透明度的上升与下降，是河流水体的自然降解作用和水体净化系统产生的表面流的综合作用结果，其中也包含水位下降、降雨径流等因素的影响。

        比较各监测点与上游、下游的透明度，可以看出，各点数值没有较大差异，因此，水质净化系统安装对于水体透明度的提高没有明显作用。

        3.4COD变化

        随着时间的延长，各点水体中的COD浓度均呈下降趋势，下降幅度为46%-70%。比较水质净化系统安装后第6周到第12周各点对COD的去除率，发现除下游外，其他各点对COD去除率没有明显差别（去除率相差不超过6%），说明水体中各点的变化是河流自然降解和水体净化系统共同作用的结果，水质净化系统单独对水体中COD基本没有去除。

        3.5TN变化
 
        随着时间的延长，各点水体中的TN浓度均有不同程度的下降，下降幅度为25%-36.3%，比较各监测点与上游、下游对TN的去除率，发现没有较大差别（去除率相差不超过10%），说明水质净化系统对于水体中TN基本没有去除效果。

        3.6TP变化

        如图6所示，随着时间的延长，各监测点水体中的TP的变化基本呈现相似的规律，在水质净化系统安装后至第3周的时间内，各点的浓度均有不同程度的下降，下降幅度为45%-71%，并在第3周时达到最低点，各点数值基本重合；在第3周到第12周内，各点TP出现上升、下降的曲折变化，以北点上升幅度最大，东点、西点次之，中点与上游、下游类似。从监测后期上、下游和各测点的TP出现的较大差异来看，说明水质净化系统对TP基本没有去除率。

       3.7NH3-N变化

        同一位置不同时间NH3-N变化如图7所示，在系统安装后第1周到第3周，除东点外，其他3点的NH3-N均出现不同程度的下降，下降幅度为25%-64%。第3周到第12周，各监测点同上游、下游水体的变化趋势相同，呈曲折或直线上升，其原因应是人河污水产生的影响。从第3周各点NH3-N的数值来看，试验区上游数值与各监测点类似，试验区下游远远高于各监测点数值，可以说明水质净化系统对水体中的NH3-N有一定的去除率。

4结论

        （1）水质净化系统安装后，有效改善了试验区内水体表层富氧、底层缺氧的状况，各点水中的DO含量均有一定程度的提高，增长幅度为270%-400%，表、底层DO分布日趋均匀。

        （2）水质净化系统安装后，有效缓解了藻类在水体表层大量聚集的现象，水体中叶绿素的分布日趋均匀。

        （3）与试验区上游、下游相比，水质净化系统对水体的透明度、COD、TN、TP等基本没有去除效果，对水中NH3-N有一定的去除效果。