太陽能凈化處理河流輕微污染水體研究

更新時間：2008-06-10 14:30 來源：北京水務作者: 許志蘭廖日紅趙立新閱讀：1264

河湖微污染水體富營養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，增加水體溶解氧和流速，強化水體自凈能力，從而改善水質的技術，在國外有所應用，目前在國內應用較少。原因在于水體交換設備多數需要動力源驅動，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公司設計生產的太陽能水質凈化系統為代表，將渦輪泵系統和太陽能電機系統相結合，完全利用自然能源驅動系統，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凈化系統對北京市亮馬河微污染水體進行了試驗研究，現將試驗研究情況介紹如下。

1工作原理

太陽能水質凈化系統主要工作原理如下。

（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生層狀緩流，從而使得較大范圍內水體產生表面流。

（2）通過與深層水交換作用相結合，實現較大水域的縱橫向環流，從而增加該區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化程度的作用。

2試驗方法

試驗區在河道內布置，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，試驗區內外水體之間不設圍隔，為自然連通狀態。

2.1試驗裝置

試驗裝置采用美國泵系統公司（PumpSystemInc）生產的SolarBee125OV12型太陽能水質凈化系統，主要用于城市河湖等小水體。系統由太陽能/電能轉換系統、旋轉裝置、配水系統、浮體、錨定系統組成，因系統內部加裝蓄電池，在不需要岸上附屬設備的情況下可實現24h晝夜運行。

2.2設備現場安裝

在試驗區內三岔口的中心位置安裝太陽SolarBee太陽能水質凈化系統（SBL25OV12型）1套。

系統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到達安裝位置。此時浮體支持系統漂浮在水面上，通過系鏈和水下錨定物固定系統的位置，使系統距離安裝位置不致漂移太遠。

系統安裝人水后需進行調試，主要調整浮體臂長度使配水盤水平及調整系鏈長度使吸水軟管達到指定位置，見圖1、圖2。

2.3監測方案

2.3.1監測目的

（1）通過對各監測點的連續觀測，了解DO、葉綠素、透明度、COD、TN、TP、NH3-N等指標隨時間的變化規律，考察系統對各指標的作用效果。

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

2.3.2監測點布置

平面設置4個監測點，每個監測點在垂直斷面上各設置3個點，具體如表1所示。

2.3.3監測項目

監測項目為水溫、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

水質凈化系統安裝后，4個監測點在中層和底層水體的DO變化均出現了相似的增長規律�？梢�，水質凈化系統對于提高中層、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個監測點中層水體的DO初始值為2.4-3.7mg/L，后期多次監測平均值為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，說明是水質凈化系統作用的結果。

（2）底層水體。4個監測點底層水體的DO初始值為0.13-0.21mg/L，后期多次監測平均值為0.54-0.73mg/L，北點、中點、東點、西點的增長率分別為300%、290%、382%、558%�？梢�，隨著時間的延長，底層水體的DO呈逐漸上升的趨勢，說明是水質凈化系統作用的結果。

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，來說明系統對改善DO在水中分層現象的作用效果。將各監測點表層與中層、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，各監測點DO的差值平均值均呈現上升、下降、持平、再下降的變化曲線。DO上升應是系統運行初期，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

水質凈化系統安裝后，在一定區域內營造出了水體的垂直流循環，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，水質凈化系統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�？梢姡涍^水質凈化系統的作用，各監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

水質凈化系統安裝后，水體透明度隨時間的變化如圖5所示，可以看出，各監測點的透明度總體呈上升趨勢，中間出現小的反復。第1周到第3周出現一個小的增長，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產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。

比較各監測點與上游、下游的透明度，可以看出，各點數值沒有較大差異，因此，水質凈化系統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%。比較水質凈化系統安裝后第6周到第12周各點對COD的去除率，發現除下游外，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共同作用的結果，水質凈化系統單獨對水體中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%，比較各監測點與上游、下游對TN的去除率，發現沒有較大差別（去除率相差不超過10%），說明水質凈化系統對于水體中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，各監測點水體中的TP的變化基本呈現相似的規律，在水質凈化系統安裝后至第3周的時間內，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，各點數值基本重合；在第3周到第12周內，各點TP出現上升、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。從監測后期上、下游和各測點的TP出現的較大差異來看，說明水質凈化系統對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，在系統安裝后第1周到第3周，除東點外，其他3點的NH₃-N均出現不同程度的下降，下降幅度為25%-64%。第3周到第12周，各監測點同上游、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生的影響。從第3周各點NH₃-N的數值來看，試驗區上游數值與各監測點類似，試驗區下游遠遠高于各監測點數值，可以說明水質凈化系統對水體中的NH₃-N有一定的去除率。