水曝气

<image>

水曝气（Water aeration）是指在自然和人工环境中增加或保持水的氧气饱和度的过程。曝气是指在液体等物质中加入空气的过程。曝气技术通常用于池塘、湖泊和水库管理，以解决低氧水平或藻华问题。

## 水质

对于受缺氧或无氧条件影响的水体，水曝气通常是必要的，这些条件通常由上游人类活动如污水排放、农业径流或过度饵料投放钓鱼湖所引起。曝气可以通过将空气注入湖泊、潟湖或池塘的底部来实现，或者通过喷泉或类似装置的表面扰动来进行，允许氧气交换和释放气体如二氧化碳、甲烷或硫化氢。溶解氧（DO）水平降低是导致水质差的主要原因。鱼类和大多数其他水生动物需要氧气，好氧菌也帮助分解有机物质。当氧气浓度变低时，无氧条件可能会发展，这会降低水体支持生命的能力。

## 曝气方法

任何增加水中氧气的程序都可以被视为一种水曝气。曝气有很多种方法，但这些方法基本上可以分为两大类——表面曝气和水下曝气。这两种方法都有多种技术和技术设备可供选择。

## 自然曝气

自然曝气既是一种水下曝气也是一种表面曝气。它可以通过水下植物来实现。通过自然的光合作用过程，水生植物将氧气释放到水中，为鱼类提供必要的氧气，并帮助需氧菌分解多余的营养物质。当风扰动水体表面时，氧气可以进入水中，并且自然曝气也可以通过进入的溪流、瀑布或甚至是强烈的洪水造成的水流运动来实现。在温带气候的大型水体中，秋季翻转可以将富氧水引入缺氧的底层水。

## 表面曝气

### 喷泉

喷泉由一种将水向上喷入空气中的装置组成。通常这可以通过一个电动机来驱动旋转的叶轮来实现。叶轮从水面几英尺深的地方抽水并将其喷射到空气中。此过程利用空气-水接触进行氧气转移。当水被推进空气中时，它分解成小水滴。这些小水滴总体上具有较大的表面积，通过这些表面积可以转移氧气。当水滴返回时，它们与其余的水混合，从而将氧气转移回生态系统。喷泉是一种常见的表面曝气方法，因为它们提供了美观的外观。然而，大多数喷泉无法产生大面积的氧合水。此外，通过水体运行电力以驱动喷泉可能存在安全隐患。

### 浮动表面曝气器

<image>

<image>

浮动表面曝气器的工作原理类似于喷泉，但它们不提供相同的美学外观。它们从水体的顶部1到2英尺抽取水，并利用空气与水的接触来转移氧气。它们不是将水推入空中，而是搅动水面。浮动表面曝气器也由岸上的电力供电。表面曝气器的有效性仅限于小范围，因为它们无法为超过3米半径的区域增加循环或氧气。这种循环和曝气仅限于水柱的最上层，往往使底部部分不受影响。低速表面曝气器也可以安装在浮筒上。

### 桨轮曝气器

桨轮曝气器也利用空气与水的接触，将大气中的氧气转移到水体中。它们最常用于水产养殖（饲养水生动物或种植水生植物以供食用）领域。这些曝气器由一个带有附加桨片的轮毂构成，通常由拖拉机动力输出、汽油发动机或电动机提供动力。它们往往安装在浮筒上。电力驱动桨片转动，搅动水体并通过空气与水的接触转移氧气。当每个新的水段被搅动时，它会从空气中吸收氧气，然后在回到水体时将其恢复到水中。在这方面，桨轮曝气的工作原理与浮动表面曝气器非常相似。

### 水下曝气

水下曝气旨在在水体底部释放气泡，并允许它们通过浮力上升。扩散曝气系统利用气泡来曝气并混合水体。气泡排出造成的水位置换将引起混合作用，并且水与气泡之间的接触将导致氧气转移。

### 粗气泡曝气

粗气泡曝气是一种水下曝气，其中空气由岸上的空气压缩机通过软管泵送到放置在水体底部的单元。该单元排出粗气泡（直径超过2毫米），当它们与水接触时释放氧气，这也有助于混合湖泊的分层。随着系统释放大气泡，会发生水的湍流置换，从而导致水的混合。与其他曝气技术相比，粗气泡曝气在氧气转移方面效率非常低。这是由于其气泡直径大且集体表面积相对较小。

### 精细气泡曝气

<image>

精细气泡曝气是一种将氧气转移到水体中的有效方法。岸上的压缩机通过软管将空气泵入连接到水下曝气单元的装置。该单元附有多个扩散器。这些扩散器的形状有圆盘、板、管或由玻璃黏结二氧化硅、多孔陶瓷塑料、PVC或由EPDM（乙烯丙烯二烯单体）橡胶制成的穿孔膜。空气通过扩散膜释放到水中。这些气泡称为“精细气泡”。美国环境保护署（EPA）将直径小于2毫米的气泡定义为精细气泡。此类曝气的氧气转移效率非常高，有时高达每马力小时转移15磅氧气（每千瓦小时转移9.1公斤氧气）。平均而言，扩散空气曝气每分钟扩散约2-4立方英尺的空气（56.6-113.3升/分钟），但有些运行在每分钟1立方英尺（28.3升/分钟）或高达每分钟10立方英尺（283升/分钟）的水平。

精细气泡扩散曝气能够最大化气泡的表面积，从而将更多的氧气转移到每个气泡体积的水中。此外，较小的气泡需要更多的时间才能到达水面，因此不仅最大化了表面积，还延长了每个气泡在水中的停留时间，从而有更多的机会将氧气转移到水中。通常，较小的气泡和较深的释放点会产生更高的氧气转移率。精细气泡曝气的一个缺点是陶瓷扩散器的膜有时会被堵塞，必须清洗以保持其最佳效率。此外，与其他曝气技术（如粗气泡曝气）相比，它们的混合水柱的能力较弱。

## 湖泊分层破坏

循环器常用来混合池塘或湖泊，从而减少热分层。一旦循环的水到达表面，空气-水界面便促进了氧气向湖水的转移。自然资源和环境管理者长期以来一直面临湖泊热分层引起的问题。鱼类死亡与热梯度、停滞和冰盖直接相关。过度增长的浮游生物可能会限制湖泊的娱乐用途和商业用途。湖泊严重的热分层也会对饮用水的质量产生不利影响。对于渔业管理者来说，湖泊中鱼类的空间分布经常受到热分层的不利影响，在某些情况下甚至可能间接引起大量的休闲鱼类死亡。一种常用的减轻这些湖泊管理问题的方法是通过曝气来消除或减少热分层。许多类型的曝气设备已被用来减少或消除热分层。虽然曝气取得了一些成功，但很少证明是万灵丹。

## 大规模项目

### 泰晤士河氧气补充驳船

在强降雨期间，伦敦的污水处理系统会将污水溢入泰晤士河，导致河水溶解氧含量剧降，严重威胁河中的生物种群。这时，两艘特制的McTay Marine船只，即氧气补充驳船“Thames Bubbler”和“Thames Vitality”，便出动为河水补充氧气，以保持河流生态的健康，目前这里已成为115种鱼类和数百种无脊椎动物、植物和鸟类的栖息地。

### 卡迪夫湾

为了确保卡迪夫湾的溶解氧浓度维持在或高于每升5毫克的水平，压缩空气从湾周围五个站点泵送，通过一系列钢筋橡胶管道，铺设在湾底及塔夫河、伊利河上。这些管道连接到大约800个扩散器。在某些情况下，港务局会使用一艘由McTay Marine建造的移动氧气补充驳船，该驳船储存液态氧，经电加热汽化后，气态氧气被注入从湾中抽取并返回的水流中。这艘驳船能在24小时内溶解多达5吨的氧气。

### 切萨皮克湾

类似的方案已被提出，以协助恢复切萨皮克湾，那里的主要问题是缺乏滤食性生物如牡蛎，这些生物负责保持水质的清洁。过去，湾内的牡蛎数量庞大，它们能在短短几天内循环整个湾的水量。然而，由于污染、疾病和过度捕捞，牡蛎数量已大幅减少至历史水平的一小部分。曾经清澈见底的水域，现在浑浊且充满沉积物，导致下水者在水深及膝时就无法看到自己的脚。通常，沉水植物通过光合作用提供氧气，但污染和沉积物的增加导致植物数量减少，进而使溶解氧水平下降，使得湾内部分地区无法支持需氧水生生物生存。在共生关系中，植物提供氧气，而滤食性生物则清洁水质，让植物得到足够的阳光。研究人员提出，通过人工曝气作为解决方案来改善水质，这种做法在淡水池塘和小湖中已经有多次成功的实践。然而，目前还未有人试图在像河口这样规模的水域中进行曝气。

自2016年以来，连接到洛克溪的353公顷湾域开始进行管道曝气。该系统最初作为大气泡系统，主要用于去分层，创建了一个74公顷的含氧区域。2019年，系统升级为精细气泡注射器，以提供更多的氧气。