上下层水体混合增氧是最简单也是最经济的增氧方法。这种方法的原理是当湖泊密度分层非常微弱时, 给湖泊增加额外的能量, 使得上下层水体能够相互混合交换, 从而改善湖泊下层水体的缺氧环境。

以空气作为气源, 在高压状态下将空气输送至放置在湖底的增氧装置中, 被输送的空气经过增氧装置均匀分配, 最终被喷射进入周围缺氧水体中。喷射空气中氧气的不断溶解直接补充了深水层缺氧水体的溶解氧。

以气氧或者液氧作为气源, 在高压状态下将纯氧输送至放置在湖底的增氧装置中, 被输送的氧气经过增氧装置均匀分配, 最终被喷射进入周围缺氧水体中。此方法喷射的是纯氧, 因而对深水层的增氧效果较好。

人工去分层又分为间歇性人工去分层和持续性人工去分层。人工去分层系统一般由岸上气源、安置在湖底的打孔粗管或沿程安置在湖底的扩散器组成（图2）。通过向打孔粗管或扩散器内注射压缩空气形成上升气泡, 引起垂直方向气水混合, 阻止热分层形成。热分层的去除将对水体中溶解氧进行重新分配。上下层水体混合、湖泊表面氧溶解以及湖底注射压缩空气共同完成对湖底溶解氧的补充。人工去分层简单且经济, 但由于此技术氧传递效率较低, 且会影响底部冷水鱼类及适应低温环境的水生生物生长, 因而往往将其与其他增氧技术分季节联用^[9]而不单独采用。Gafsi等^[9]认为间歇性去分层比永久性去分层的增氧效果更好。

图2

Fig.2

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	图2 人工去分层增氧技术Fig.2 Artificial Destratification

气体提升增氧技术包括全提升增氧和半提升增氧^[10]。提升增氧系统典型结构见图3, 主要包括：①竖直上升管; ②上升管底部内侧扩散器; ③气水分离室; ④回流室（或1~2根下水导管）; ⑤排空管（半提升）。半提升增氧系统是往深水层增氧扩散器中注射压缩空气, 扩散器中压缩空气释放并与水混合形成上浮气水混合物, 这些气水混合物通过一根竖直管状物被提升至湖中指定深度, 到达气水分离室后未溶解的气体通过管状物顶部一根连接至液面的排空管排出至大气中, 富氧水体经过回流室（或下水导管）由上往下回流至深水层。全提升系统与半提升系统结构大部分相似, 主要区别是全提升系统气水分离室设计在湖面附近, 没有排空管, 气水分离室直接与大气相通, 当气水混合物上升至顶部的时候, 混合物被直接提升至湖面, 未溶解气泡将直接释放到大气中（部分气体或被夹带回水中）, 富氧水通过回流室（或下水导管）回到深水层。气泡初始尺寸直接决定初始传质系数及初始气泡上升流速, 若初始气泡尺寸过大, 气泡中气体不会快速溶解, 将导致气体在上升管中积累, 对应深度气含率上升, 增氧效果降低。

图3

Fig.3

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	图3 全气体提升增氧技术和半气体提升增氧技术Fig.3 Full-Lift Aerators and Partial-Lift Aerators

Speece锥形增氧系统是由Richard Speece^[6]最先研发的一种淹没下流式气泡混合器（图4）。该系统主要包括：①氧气源; ②潜水泵; ③锥形接触室; ④一根向深水层喷射氧气的扩散器。周围的水体和纯氧被一同注入锥形接触室顶部, 当水体向下流进圆锥形接触室时, 随着空间面积不断增大, 水体流速将不断降低, 接触室底部水流下降速度小于气泡上升速度保证了充足的气水传质时间, 水流量及锥形接触室空间面积共同限制了水流速度。由于该系统为下流式增氧系统, 为保证下流水体和下流气泡有充分、合理的接触时间, 系统对氧流量和水流量的控制要求较高。水流量和氧流量会直接影响所预测气含率的准确性和有效性, 水流量增加或氧流量降低, 气含率都将降低^[11]。

图4

Fig.4

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	图4 Speece锥形增氧技术Fig.4 Speece Cone

气泡羽流模型最早由Alfred Wuest^[12]于1992年提出, 之后该模型逐渐被应用于扩散器增氧技术。气泡羽流扩散器系统一般由岸上气源（空气或氧气）和一根（或多根）放置在湖底并带有许多小孔的管状发射器组成（图5）。管状发射器可根据待增氧湖泊的地形结构排成环型或线型。气体从打满小孔的管状发射器中喷射出来, 这种喷射形成的气水混合物被称作羽流。在上升气泡群的带动下, 下层缺氧水在垂直方向上不断逆密度梯度上升, 到达羽流上升最大高度时停止, 此时羽流动量为零。此后富氧水下降回归至与自身密度几乎一致的平衡深度水体环境中, 并向四周网状驱散流动至远处水体。此技术中足够小的气泡不但不会影响水体热分层, 同时还能加快内部气体传质, 加速气体溶解速度, 提高氧转移效率。气泡半径决定羽流上升高度, 气泡越小, 表体比越大, 气泡在水中溶解越快; 气泡越小, 上升速度越低, 和水体接触时间越长, 保证了上升气泡与水体的接触时间。单位流量下, 气泡越小, 速度越慢, 引起的浮力越大且越持久, 羽流越高。

图5

Fig.5

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	图5 环型气泡羽流扩散增氧技术和线型气泡羽流扩散增氧技术Fig.5 Circular Bubble-Plume Diffusers and Linear Bubble-Plume Diffusers

McGinns等^[13]将气体提升增氧、羽流扩散增氧、Speece锥形增氧等3种主要增氧系统同时运用于Standley湖中, 在同环境条件下进行对比增氧实验。研究结果表明, 羽流扩散技术在这3种增氧技术中最经济且最简单; 半提升增氧技术氧转移效率最低（16%）, Speece锥形增氧技术与羽流扩散技术氧转移效率分别为94%和93%, 但由于Speece增氧技术对水流要求较高, 不易控制, 因而性价比不及羽流扩散增氧技术。

早在20世纪60年代Teerink等^[16]就首先提出了人工去分层增氧技术的设想, 随后Fast^[17] 1973年在Capitan水库、Tolland等^[18]1978年在Bingham水库、Steinberg等^[19]1983年在Iffeldorf湖、Hawkins等^[20]1993年在Solomon水库先后将人工去分层增氧技术运用于实际湖泊治理工程中, 系统开展了装置设计、装置安装和效果评价, 对人工去分层增氧技术进行了机理研究和技术改进。

本世纪初国内学者黄延林和丛海兵等在前人基础上开发了扬水曝气技术^[21]。该技术能够混合上下水层, 打破水体分层, 将表层藻类向下层迁移, 控制藻类数量, 抑制藻类生长; 该技术系统可以通过自身装置充氧和循环混合充氧改善湖下层水体缺氧状态和湖泊水质。丛海兵等^[22]2004年在国内北方某水源地对该技术进行应用研究, 结果表明, 该技术提水混合效率优良, 较好地控制了表层藻类的生长; 马越等^[23]2010年将扬水曝气技术运用于西安金盆水库中, 结果表明, 金盆水库季节性缺氧/厌氧状况得到了遏制, 沉积物表层溶解氧浓度得到了提高, 沉积物表层总磷、氨氮浓度所有削减。

气体提升增氧系统早期是3种主要增氧系统（气体提升增氧、气泡羽流扩散增氧、Speece锥形增氧）中使用最频繁的一种但由于最初没有结合离散气泡法^[24]使用, 且主要以使用经验参数为主, 许多关键性假设未被证实, 许多学者对其进行了逐步完善。Lorenzen等^[25] 1977年、Taggart等^[26] 1982年、Ashley ^[27] 1985年、Little ^[10] 1995年先后将气体提升增氧技术应用于湖泊治理工程中, 并进行了模型预测和实际治理效果验证监测, 对气体提升增氧技术机理进行了剖析。Little等^[28]1995年建立了第一个利用能量平衡预测气体提升技术水流量的模型, 随后Burris等^[29]拓展并证实了此模型。

此外, 还有其他应用提升系统增氧技术给深水层水体增氧并取得良好或部分效果的工程实例, 如Ashley^[30]1983年采用全提升系统对一个天然富营养化湖泊进行增氧, 增加了沉积物表面溶解氧, 减少了湖底的氮、磷含量, 缓解了湖泊富营养化; Soltero^[31]1994年在Medical湖分别安置了全提升和半提升系统以改善水质, 结果表明该技术增加了湖底溶解氧, 降低了湖底氨氮和总磷浓度。

早期增氧系统通常是采用空气作为气源, 以氧气作为气源的 Speece锥形增氧技术最早是由Richard Speece^[32]在1969年提出的, 该技术增氧系统最初被定义为一种淹没式下流气泡接触反应室, 当初其接触室为开放式。1971年Speece^[33]公布了设计系统的具体结构并开展了试验以验证其性能, 之后Speece^[34]对此技术进行了改进和优化, 但一直未被应用于工程实践。1990年, 该技术再次被改进, 由开放式接触室改为封闭式接触室, 并在Alabama的Logan Martin大坝出口水域进行了区域性试验。首次正式运用Speece锥形增氧技术进行原位水质改善是在1992年华盛顿Newman湖^[35]。Ashley等^[36]2007年在Savannah 海湾安装了2台6800 kg O₂/d的大型锥形增氧系统, 并于2008年搭建了一个实验室规模的Speece深水曝气装置对其增氧性能进行评估, 结果证实了Speece锥形增氧技术更适合采用纯氧作为气源。Ashley等^[37]在2014年搭建试点规模的Speece锥形增氧系统, 对系统氧转移影响因素进行了分析, 初步探索出了最佳氧转移效率的条件。到目前为止已有很多运用Speece锥形增氧技术给湖泊深水层增氧的案例, 如Camanche水库^[38]、Newman湖^[39], 但其充氧能力仍需大量工程实例验证。

Rayyan^[40]是世界上最早预测分层湖泊深水层氧转移和气泡羽流动力学模型的学者之一。该羽流模型与之后提出的离散气泡模型至今仍被联用于深水湖泊的治理与修复。

气泡羽流扩散增氧技术非常适合于深水湖泊, 气源产生的细小气泡可以在深水层得到充分溶解而且羽流产生的动量非常小, 能够防止温跃层被破坏, 维持热分层不受影响。20世纪80年代, Jungo和Schaffner设计了名为“ Tanytarsus” 的气泡羽流增氧系统, 该系统能自行切换气源：在冬季湖泊混合期利用空气作为气源产生大气泡, 进行水体上下层人工混合; 在夏季运用氧气作为气源产生微气泡, 直接给深水层增氧。该装置被利用于当地湖泊中并开展了示范工程^[41]。

Prepas等^{[42, 43]}1990年在Amisk湖采用气泡羽流扩散器改善湖泊水质, 1990— 1993年的3年监测数据表明, 深水层平均溶解氧增加2~3倍, 平均总磷浓度从110μ g/L减少到50μ g/L, 平均氨浓度从120μ g/L减少到42μ g/L, 治理效果良好。Schierholz等^[44]2005年采用demoyer提出的传质模型, 通过179个独立实验, 最终建立了气量、曝气深度、截面积和水体积等多参数氧传质系数特征方程, 完善了深水湖泊扩散增氧系统设计计算方法。Wuest等^[12]、McGinnis等^[45]、Singleton等^[46]、Little等^{[47, 48]}分别对环型气泡羽流和线型气泡羽流的机理及装置设计进行了深入研究, 分别开展了相应技术的湖泊示范工程并获得了较好处理效果。