微納米曝氣技術(shù)在水環(huán)境治理方面的應(yīng)用

江 浩，吳 濤

（天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

1 引言

中國(guó)是個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，水環(huán)境問題極為突出。為了滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要和實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展，受污染水體修復(fù)的研究和實(shí)踐成為當(dāng)前熱點(diǎn)問題。目前，對(duì)于日益嚴(yán)重的河湖污染問題，水體曝氣作為一種投資少、見效快的河湖污染治理技術(shù)被廣泛采用。

目前，我國(guó)通常采用的曝氣設(shè)備，難以產(chǎn)生微納米級(jí)的細(xì)小氣泡，溶氧率低、能耗高。而微納米氣泡發(fā)生裝置能夠生產(chǎn)直徑在50 μm和數(shù)十納米（nm）之間的微小氣泡，可快速地溶解于水體中，溶氧效率大大提高。該技術(shù)作為一種新型水體曝氣技術(shù)，在水環(huán)境治理中的市場(chǎng)前景極為廣闊。

2 微納米曝氣技術(shù)簡(jiǎn)介

微納米氣泡發(fā)生裝置主要由發(fā)生裝置、微納米曝氣頭及連接管件組成。通過水泵加壓，由曝氣頭內(nèi)部的曝氣石高速旋轉(zhuǎn)，在離心作用下，使其內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)，空氣通過進(jìn)氣口進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，在容器內(nèi)部分成周邊液體帶和中心氣體帶，由高速旋轉(zhuǎn)的氣石出氣部將空氣均勻切割成直徑5～30 μm的微納米氣泡。由于氣泡細(xì)小，不受空氣在水中溶解度的影響，不受溫度、壓力等外部條件限制，可以在污水中長(zhǎng)時(shí)間停留，具有良好的氣浮效果。

2.1 微納米曝氣技術(shù)特性分析

水體中氧的傳遞是利用空氣和污水中氧氣的濃度梯度，使氧氣由高密度的空氣向低密度的污水中轉(zhuǎn)移，因此氧氣濃度梯度和接觸面積決定了曝氣效果。在氧氣濃度梯度不變的條件下，空氣與水體接觸面積是決定曝氣效果好壞的關(guān)鍵因素。

微納米氣泡技術(shù)有效解決了氣泡在水體中的接觸面積問題，其原因是由于微納米氣泡的表面積能有效增大，如0.1 cm的大氣泡分散成100 nm微氣泡，其表面積可增大10 000倍，因此可以大大提高溶氧效率。同時(shí)，由于氣泡的細(xì)小且具有良好的氣浮性，可以在污水中長(zhǎng)時(shí)間停留，從而能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)較好曝氣效果的目的。

由于微納米氣泡發(fā)生裝置工作原理及所產(chǎn)生的氣泡大小與常規(guī)曝氣裝置有很大的不同，因此該裝置產(chǎn)生的微納米氣泡具有以下獨(dú)有特點(diǎn)。

（1）電離現(xiàn)象：氣體在水中的溶解度受氣壓影響較大，但電解質(zhì)的離子化水可以讓溶入的微納米氣泡表面形成雙層電離子，并隨著表面積的不斷減少而急劇收縮，可以讓氣泡內(nèi)的氣體散逸得以抑制，從而大大提高了溶解度。

（2）超聲波性：微納米氣泡由于高能破裂而產(chǎn)生超聲波，這種超聲波具有較強(qiáng)的殺菌作用。

（3）帶電性：微納米氣泡表面帶有負(fù)電荷，所以氣泡間很難合為一體，在水體中能產(chǎn)生非常濃密而細(xì)膩的氣泡，不會(huì)像常規(guī)氣泡一樣會(huì)融合增大而破裂。通常微納米氣泡的表面電位為-30～-50 mV，可以吸附水體中帶正電的物質(zhì)。利用表面電荷對(duì)水體微粒的吸附性，可以把水體中的有機(jī)懸浮物固定而分離。因此，該技術(shù)在提高溶解氧的同時(shí)，也具有一定的水質(zhì)凈化效果。

（4）滯留性：微納米氣泡在水體中上升速度非常緩慢，似香煙霧在水中彌漫，如10 μm的氣泡以100 μm/ s的速度上升、在水體中上升1 m需花3 h的時(shí)間，所以微納米氣泡會(huì)在水中逗留很長(zhǎng)時(shí)間。該特性也是其具有高度溶解效率的核心所在。這種滯留性的產(chǎn)生除與氣泡微小浮力減少有關(guān)外，更重要是由它的電性所致。如果采用極板進(jìn)行觀察，隨著電極的轉(zhuǎn)換，可以看到小氣泡的極性運(yùn)動(dòng)和Z字形緩慢上升的現(xiàn)象。

2.2 微納米曝氣改善水質(zhì)的主要作用

溶解氧是水體凈化的重要因素之一。溶解氧高，有利于對(duì)水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；反之，溶解氧低，水體中污染物降解緩慢。微納米曝氣技術(shù)對(duì)改善水質(zhì)的作用主要有以下幾個(gè)方面。

（1）消除有機(jī)物污染和黑臭：由于微納米氣泡具有很強(qiáng)的滯留性，能夠提供更加充足的氧氣，在豐富好氧微生物的條件下，有機(jī)物污染指標(biāo)COD和BOD明顯下降，黑臭現(xiàn)象消失。同時(shí)，水體底部的有機(jī)物降解所產(chǎn)生的甲烷、硫化氫等有毒和有害氣體被去除。

（2）減少水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量：由于微納米氣泡具有很強(qiáng)的氣浮性、滯留性和擴(kuò)散性，其上升作用弱，水體充氧后可有效抑制湖底厭氧菌的有機(jī)質(zhì)分解過程，減少水底氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放量。

（3）消除藻類水華：微納米曝氣具有較強(qiáng)的復(fù)氧功能，可提高水生動(dòng)物的生存環(huán)境，從而抑制藻類的生長(zhǎng)。

（4）改善水色及透明度：被污染水體中的多種無機(jī)和有機(jī)懸浮物、活的浮游植物及死亡的殘骸、大型水生植物碎屑、分解的有機(jī)體碎屑等是影響水色和透明度的主要物質(zhì)。微納米曝氣能夠更加有效地促進(jìn)水生生物的生長(zhǎng)，從而減少了水中有機(jī)質(zhì)，使水體透明度明顯提高，改善水色。

（5）減少底泥內(nèi)源污染：微納米曝氣增氧后，河湖底質(zhì)表層含氧量增加，好氧微生物活動(dòng)趨強(qiáng)，通過微生物的代謝過程促進(jìn)底泥有機(jī)污染物的降解，逐步形成無機(jī)化底質(zhì)覆蓋層，阻斷內(nèi)源污染。

3 微納米曝氣試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過微納米曝氣技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)水體溶解氧含量、持續(xù)時(shí)間、節(jié)能以及對(duì)水質(zhì)處理效果等方面進(jìn)行分析，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行安全性、有效性及經(jīng)濟(jì)性的綜合評(píng)價(jià)，為今后治理河湖水體的水環(huán)境工程建設(shè)提供技術(shù)參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

微納米曝氣裝置安裝在天津市 “城市水環(huán)境改善與水源保護(hù)示范工程研究”項(xiàng)目示范基地的進(jìn)水池內(nèi)，水源為外環(huán)河，為后續(xù)水處理工程的運(yùn)行提供充足氧源。

3.3 試驗(yàn)方法

采用微納米曝氣裝置和射流曝氣裝置，通過工程的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)，進(jìn)行曝氣效果的對(duì)比分析。

3.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2008年5月正式運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溶解氧（DO）、水溫、氣溫等。

3.5 試驗(yàn)成果分析

（1）與常規(guī)曝氣效果的比較分析。微納米曝氣前、后溶解氧的變化與射流曝氣前、后溶解氧的變化對(duì)比狀況，如圖1所示。

通過上述兩種曝氣技術(shù)的應(yīng)用，從水體中溶解氧的監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看出，采用納米曝氣技術(shù)曝氣后溶解氧總體平均值為9.88 mg/L，而射流曝氣溶解氧總體平均值為6.37 mg/L，前者曝氣效果總體高于后者的35.5%。納米曝氣后，水體中溶解氧最高值達(dá)到18.85 mg/L，主要原因是產(chǎn)生的大量微納米級(jí)的氣泡懸浮于水體中，隨著水體一起運(yùn)動(dòng)，形成超飽和狀態(tài)。而常規(guī)射流曝氣難以產(chǎn)生微小氣泡，大量氣泡在水體中迅速上升，到達(dá)水面后消失，不能形成超飽和狀態(tài)，溶氧效果較低。

（2）微納米曝氣運(yùn)行效果分析：微納米曝氣系統(tǒng)自2008年10月運(yùn)行開始監(jiān)測(cè)，每周1次，測(cè)試時(shí)間截至2009年8月，主要監(jiān)測(cè)曝氣前、后溶解氧（DO）的變化。曝氣前、后溶解氧相對(duì)關(guān)系曲線，如圖2所示。

通過近一年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分析如下：①曝氣設(shè)備運(yùn)行期間，水體水質(zhì)改善顯著，曝氣后的DO平均值為9.16 mg/L，平均比曝氣前的DO值增加了4.73 mg/L左右。總體來說，曝氣設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，曝氣效果較好，滿足后續(xù)水處理工程的需要。②將曝氣前和曝氣后的DO值相比較，二者變化趨勢(shì)一致，曝氣后的DO值隨水源DO值的變化而變化，說明曝氣系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定。③水源水質(zhì)不穩(wěn)定，個(gè)別時(shí)段也出現(xiàn)了水源水質(zhì)極端惡化的現(xiàn)象。隨著曝氣設(shè)備的正常運(yùn)行，源水DO為0.72～0.78 mg/L的情況下，曝氣后DO值為5.41和4.81 mg/L，說明經(jīng)過曝氣，水中溶解氧有了很大的提高，滿足后續(xù)水處理工程的需要。

總之，水體經(jīng)曝氣后溶解氧增加，為耗氧生物提供了充足的氧，同時(shí)還可以促進(jìn)水體的流動(dòng)，改變了水體的自然狀態(tài)，使水體的層流得以交換，有利于保護(hù)水質(zhì)，所以水體會(huì)得到明顯改善。

4 結(jié)論

微納米氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的微小氣泡在被污染水體中，具有很強(qiáng)的除雜質(zhì)、除色、除臭、不堵塞、阻止藻類與細(xì)菌增生的特點(diǎn)。該裝置在水體增氧效果好的同時(shí)，還可有效地凈化水質(zhì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

微納米氣泡發(fā)生裝置是一項(xiàng)新興技術(shù)，應(yīng)用范圍廣泛，與傳統(tǒng)的曝氣裝置比較，在形成氣泡的濃度、均勻性及節(jié)能耗電方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，屬于國(guó)內(nèi)空白、世界領(lǐng)先的新一代高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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