微納米氣泡曝氣對泵站放江污染的治理效果研究

虞英杰

(昆山市水利水務工程質量與安全監督站，江蘇 昆山 213300)

0 引 言

泵站放江污染是指在降水條件下，雨水和徑流沖刷城市地面，使溶解的或固體污染物從非特定的地點匯入受納水體，引起的水體污染[1-3]。城市暴雨徑流中包含有大量的污染物，使得其初期徑流產生的污染負荷遠高于水體自凈能力，導致水體溶解氧急劇消耗，加上泵站放江沖刷水體底部，使得底泥上翻，形成水體黑臭現象。目前，由面源引起的水環境污染已成為當前城市水環境綜合治理中亟待解決的主要問題之一[3]。

研究表明，通過對河道進行曝氣，不僅可以提高河道中溶解氧濃度，還可以提升河道中微生物活性，形成以兼性微生物為主的底泥環境，從而抑制底泥中氮磷等營養物質的釋放，降低水體中有機污染物濃度，改善水體黑臭環境[4-5]。近些年，微氣泡(microbubbles，MBs，指直徑大于10 μm小于100 μm的氣泡)以及納米氣泡(nanobubbles，NBs，指直徑小于1 μm的氣泡)由于其獨特的性質，逐漸運用于水處理領域[6-7]。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有以下優點：①在液體中停留時間更長、內壓更大；②表面帶電(可以用ζ電位表示)，可以影響水體中的無機物、有機物以及生物質等與微納米氣泡之間的相互作用，如結合作用、化學反應以及排斥作用等；③傳質效率高；④破裂時可產生自由基等。

為研究微納米氣泡曝氣對泵站放江引起的河道污染的影響，本研究以某工程中一段受泵站放江影響的河道為例，探究泵站放江前后以及引入微納米氣泡曝氣前后，河道中各項常規指標的變化情況，并提出泵站放江污染控制的關鍵因素。

1 材料與方法

1.1 樣點設置

本研究地點為某工程中受泵站放江污染的一段河道，試驗監測范圍為1 km，其中試驗區長度為600 m；分別在試驗區上游200 m和下游200 m設置監測點，在試驗區終點附近抽水，進行微納米氣泡曝氣過程，并在試驗區起點釋放含氧河水。整個試驗流程及取樣點設置見圖1。

圖1 微納米氣泡治理黑臭河道試驗方案

圖1中，黑臭河道試驗段水流方向由西向東，在試驗河道末端，采用潛水泵將污染河水提升至設備間，進入微納米氣泡曝氣裝置進行氣液混合，形成含氧河水投入到試驗段前端。微納米氣泡曝氣裝置中采用現場制備的純氧進行曝氣。

1.2 樣品采集及分析

本試驗共設置5個樣品采集點，采樣點位分布見圖1。其中，采集點1設置在控制斷面上游200 m，測定數據可作為背景值；采集點2-4均勻敷設在控制斷面600 m范圍內，沿水流方向；采集點5設置在控制斷面下游200 m。本試驗樣品采集時間段包括：①泵站放江前，測定數據可作為河道水質對照值；②泵站放江后，分析泵站放江對河道水環境質量的影響；③泵站放江前曝氣；④泵站放江后曝氣，考查微納米氣泡曝氣對泵站放江污染的控制效果。分別測定不同時段樣品的DO、COD、NH3-N和TP等指標。

1.3 測定方法

1.3.1 水質測定

本試驗河道水質參數按照《水和廢水監測分析方法》(第4版)相關要求測定。

1.3.2 微納米氣泡性質測定

為研究微納米氣泡發生裝置在不同泵壓條件下產生氣泡的平均直徑、直徑分布以及氣泡數量等信息，本研究采用日本HORIBA科學儀器事業部生產的LA-960激光散射粒度分布分析儀，對微納米氣泡性質進行測試。LA-960激光散射粒度分布分析儀采用米氏散射理論，其量程為0.01～5 000 μm，準確度在±0.6%以內，采用雙固體光源——LD(650 nm，5 mW)和LED(405 nm，3 mW)配置，87個對數交叉排布的檢測器，從而實現最高的分辨率。LA-960的數據采樣速度可達5 000次/s，可在1 min內實現加液、調整光軸、空白、加樣、除氣泡、檢測。本文測定微納米氣泡粒度實驗過程中，為保證氣泡粒度不受影響，LA-960測定過程中攪拌速率為零。實驗過程中，每個條件下氣泡粒度測定過程最少重復3次。

2 試驗結果

2.1 微納米氣泡曝氣裝置運行條件確定

2.1.1 曝氣壓力

首先對不同泵壓下水中微氣泡的直徑和濃度進行表征，結果分別見圖2、圖3。

圖2 不同曝氣壓力下產生的氣泡直徑

圖3 不同曝氣壓力下產生的含氣泡水透光率

由圖2可知，不同曝氣壓力條件(0.1～0.4 MPa)下產生的微氣泡平均直徑均在50 μm以下，泵壓為0.1和0.2 MPa時的微氣泡平均直徑較大，分別為41.75和39.17 μm；泵壓為0.3和0.4 MPa時產生的微氣泡平均直徑較小，分別為27.18和23.96 μm。

由圖3可知，隨著微納米氣泡發生裝置曝氣壓力的增大，產生的含微氣泡水的透光率逐漸降低，而透光率在一定程度上表征了水中微氣泡的數量，微氣泡數量越多，溶液透光率越低，說明曝氣壓力越大，產生的微氣泡越多。綜合上述，微納米氣泡發生裝置曝氣壓力越大，產生的氣泡直徑越小，數量越多。

2.1.2 平衡DO濃度

在曝氣壓力為0.4 MPa時，分別采用純氧和空氣作為微納米氣泡曝氣裝置的氣源進行曝氣，并測定連續10 min內水中DO濃度，結果見圖4。

由圖4可知，純氧曝氣時，水中溶解氧的平衡濃度為22 mg/L左右，高于以空氣作為氣源時水中的溶解氧濃度(15 mg/L左右)，但均遠高于常溫狀態下水中的飽和溶解氧濃度(8.25 mg/L)，說明微納米氣泡曝氣可以顯著提升水中溶解氧濃度，來緩解受污染河道因溶解氧不足引發的黑臭現象。

圖4 采用不同氣源進行微納米氣泡曝氣時的平衡DO濃度

綜上所述，微納米氣泡曝氣可以有效提升水體溶解氧濃度，曝氣壓力越大，產生的微氣泡數量越多，直徑越小。同時，以純氧作為氣源時，對溶解氧的提升作用更為明顯。因此，本研究的試驗條件為：曝氣壓力為0.4 MPa，氣源為純氧(現場制備)。

2.2 微納米氣泡曝氣對黑臭河道水質恢復效果

本節試驗分別測定放江前后以及微納米曝氣前后，試驗段河道的水質變化情況，分析泵站放江及微納米氣泡曝氣對河道水質的影響情況。

2.2.1 不同時段河道DO濃度

試驗過程中，各監測點溶解氧在不同試驗階段的變化趨勢見圖5。

圖5 不同時段河道溶解氧隨位置變化

由圖5可知，在泵站放江前，河道溶解氧濃度基本維持在4 mg/L以上，高于地表水V類標準值。同時，引入微納米氣泡曝氣會極大地提高河道溶解氧濃度，能有效提升河道的抗沖擊負荷。泵站放江后，隨著污染物涌入，河道溶解氧迅速被消耗，試驗段溶解氧濃度基本處于V類水體臨界值，2號-5號采樣點溶解氧濃度均低于2 mg/L；引入微納米氣泡曝氣后，河道溶解氧得到明顯提升，特別在2號采樣點(含氧河水釋放點)，溶解氧濃度達到6.13 mg/L，隨后沿水流方向逐漸下降，但均高于3.44 mg/L。上述結果表明，微納米氣泡曝氣技術對于由泵站放江引起的河道溶解氧下降現象有很好的緩解作用。

2.2.2 不同時段河道COD含量

試驗過程中，各監測點COD在不同試驗階段的變化趨勢見圖6。

圖6 不同時段河道COD含量隨位置變化

由圖6可知，泵站放江前，試驗段5個監測點位的COD含量均明顯低于地表水V類水標準，最高COD含量僅為34.38 mg/L。泵站放江后，試驗段河道COD含量均超過40 mg/L，高于地表水V類水標準；引入微納米氣泡曝氣后，各監測點COD含量出現明顯下降，COD含量均低于地表水V類水標準。并且，沿水流方向，COD濃度不斷減小，說明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以有效提升河道溶解氧水平，快速降解由于泵站放江引入的有機污染物，恢復河道水質。

2.2.3 不同時段河道NH3-N含量

試驗過程中，各監測點NH3-N濃度在不同試驗階段的變化趨勢見圖7。

圖7 不同時段河道NH3-N濃度隨位置變化

由圖7可知，泵站放江前，試驗段5個監測點位的NH3-N濃度均明顯低于地表水V類水標準(<2 mg/L)，最高NH3-N濃度僅為0.75 mg/L。泵站放江后，試驗段河道NH3-N濃度均超過2 mg/L(2.00～2.18 mg/L)，高于地表水V類水標準；引入微納米氣泡曝氣后，各監測點NH3-N濃度出現明顯下降，NH3-N濃度為0.64～1.89 mg/L，均低于地表水V類水標準。并且沿水流方向，NH3-N濃度不斷減小，說明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以快速削減由于泵站放江引入NH3-N超標，恢復河道水質。

2.2.4 不同時段河道TP含量

試驗過程中，各監測點TP濃度在不同試驗階段的變化趨勢見圖8。

圖8 不同時段河道TP濃度隨位置變化

由圖8可知，泵站放江前，試驗段5個監測點位的TP濃度均明顯低于地表水V類水標準(<0.4 mg/L)，最高TP濃度僅為0.32 mg/L。泵站放江后，試驗段河道TP濃度均超過0.4 mg/L(0.69～0.78 mg/L)，高于地表水V類水標準；引入微納米氣泡曝氣后，各監測點TP濃度出現明顯下降，TP濃度為0.31～0.65 mg/L，并且沿水流方向，NH3-N濃度不斷減小。1號、2號采樣點TP濃度分別為0.65和0.50 mg/L，高于地表水V類標準，3號-5號采樣點濃度低于0.38 mg/L，低于地表水V類標準，說明微納米氣泡曝氣工藝的引入，可以有效削減由于泵站放江引入TP超標，恢復河道水質。

綜上所述，泵站放江會極大地影響河道水質，導致溶解氧、COD、NH3-N和TP等指標出現不同程度的超標，致使河道水質呈劣V類。微納米氣泡曝氣技術是一種有效的黑臭河道治理技術，它可以通過向河道中補充溶解氧，實現污染物的快速削減，恢復河道水質，減少泵站放江對河道及其周圍環境帶來的不利影響。

3 結論與展望

本文主要探究了泵站放江對河道水質的影響，并引入微納米氣泡曝氣過程，探究微納米氣泡曝氣對泵站放江污染的控制效果，主要研究結果如下：

1)泵站放江會導致水體各項指標超過地表水V類標準，引起黑臭。

2)微納米氣泡曝氣可以對受污染河道進行快速充氧，實現污染物的快速削減，恢復河道水質，減少泵站放江帶來的不利影響。

造成泵站放江污染的原因復雜多樣，僅通過“先污染，后治理”的手段難以真正解決泵站放江造成的水環境污染問題。因此河道水環境的保護，不僅需要開發新技術、新裝備來進行有效的治理，還需要從源頭做起，加強排水系統的管理建設，從根本上控制泵站放江污染。