超氧納米氣泡對(duì)河道水質(zhì)提升效果研究

張曉雷，熊 壯，甘雁飛，張建國(guó)

（中交上海航道局有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著人們對(duì)生活環(huán)境的重視，河道污染治理情況越來(lái)越成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，各級(jí)政府也充分認(rèn)識(shí)到加強(qiáng)城區(qū)河道污染治理工作的緊迫性，積極采取有效措施，加大城市水環(huán)境的治理力度。經(jīng)過(guò)多年的截污、清淤、活水等治污工程的實(shí)施，水環(huán)境已得到較大改善；但由于存在截污難以徹底、雨期污水溢流、河道運(yùn)營(yíng)維護(hù)措施不完善、河道水質(zhì)提升及維護(hù)時(shí)采用的工藝套用環(huán)境工程中活性污泥法等問(wèn)題，實(shí)際上較多河道可生化性不強(qiáng)且無(wú)法營(yíng)造出適應(yīng)好氧菌、厭氧菌及缺氧菌等微生物的生存環(huán)境，也無(wú)法解決底泥中因活性污泥的使用與攪動(dòng)水體底泥帶來(lái)向水體中釋放物的問(wèn)題。僵硬照搬環(huán)境工程手段根本達(dá)不到消減水體中污染物的目的。現(xiàn)實(shí)中許多河道經(jīng)過(guò)治理或維護(hù)后，河道中污染物濃度消減量非常有限。另有些河道盲目增氧，在底部布設(shè)曝氣管擾動(dòng)底泥，但表曝效率較低，使得許多曝氣設(shè)備成了面子工程，結(jié)果導(dǎo)致較多河道水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，甚至發(fā)生返黑臭現(xiàn)象。為了使湖泊達(dá)到地表水III 類以上標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)進(jìn)湖河道水質(zhì)進(jìn)行提升，針對(duì)日常水質(zhì)尚可但未達(dá)到相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的河道需結(jié)合多種工藝。臭氧對(duì)河道水質(zhì)指標(biāo)有一定的改善作用[1]。目前，市場(chǎng)上河道治理及維護(hù)大多使用空氣曝氣，極少采用純氧曝氣，這對(duì)雨期有污水溢流或面源污染等問(wèn)題的河道治理效果有限。臭氧是水處理常用的氧化劑之一，由于其具有氧化性強(qiáng)、反應(yīng)速度快和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，使得臭氧在污水深度處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。但近年來(lái)，由于傳統(tǒng)曝氣方式下臭氧的傳質(zhì)效率和氧化效率較低，運(yùn)行成本較高且其對(duì)有機(jī)物的氧化具有選擇性，無(wú)法分解一些難降解有機(jī)物等，限制了該技術(shù)在水處理領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[3]。因此，使得復(fù)合氧化技術(shù)尤其是納米氣泡復(fù)合臭氧在河道水質(zhì)提升方面的應(yīng)用前景更加廣泛[4]。

微孔曝氣是一種高效曝氣技術(shù)。早在1915 年，英國(guó)發(fā)明了第一個(gè)多孔盤(pán)曝氣裝置，于20 世紀(jì)30～40 年代逐漸流行。20 世紀(jì)70 年代能源危機(jī)后，微孔曝氣技術(shù)因其通氣量大、充氧能力強(qiáng)、節(jié)約能耗的特點(diǎn)，再次受到關(guān)注。美國(guó)Ridgewood 污水處理廠將大孔曝氣器改裝成微孔曝氣器，可將氧利用率提高50%，能耗降低約28%。與大、中氣泡的曝氣系統(tǒng)相比，微孔曝氣系統(tǒng)可節(jié)約能耗約50%，但微孔曝氣的氧利用率僅小于20%～30%，且能耗較高。微納米氣泡具有停留時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效率高、產(chǎn)生羥基自由基等優(yōu)勢(shì)，可強(qiáng)化臭氧傳質(zhì)效率和氧化效率，提升臭氧對(duì)難降解有機(jī)物的去除效果[5]。微納米氣泡通常是指直徑在50 μm 以下的氣泡，其中直徑小于1μm 且大于1 nm的超微小氣泡則被稱為納米氣泡（nano bubble）[6]。目前，使用微納米氣泡曝氣的污水處理廠大多因?yàn)槟芎奶撸?jīng)常不開(kāi)機(jī)運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備使用效率不高，水質(zhì)維護(hù)效果得不到保障。因此，對(duì)增強(qiáng)DO 濃度、降低污染物濃度、在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上降低能耗、提升效能、水質(zhì)維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)的智能曝氣方式進(jìn)行研究有著極其重要意義。

1 背景

1.1 綜合整治工程概況

安徽省滁州市天長(zhǎng)高郵湖水環(huán)境綜合整治工程PPP 項(xiàng)目建設(shè)目的是確保銅龍河、楊村河、王橋河3條河流域Ⅲ類水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。該項(xiàng)目主要通過(guò)削減外源污染和去除部分內(nèi)源污染來(lái)提升河道水質(zhì)，工程措施存在以下問(wèn)題：截污納管無(wú)法徹底實(shí)現(xiàn)雨、污分流，雨季部分污水仍會(huì)入河污染；新建尾水濕地只能將污水處理廠尾水提升至Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；河道清淤和生態(tài)河道建設(shè)對(duì)水質(zhì)提升效果有限。

對(duì)此，該項(xiàng)目目前主要采用超氧納米氣泡曝氣技術(shù)對(duì)銅龍河、楊村河、王橋河有旁支流入的雨水口下游部分河段進(jìn)行強(qiáng)化處理，提升水質(zhì)。超氧納米氣泡曝氣技術(shù)不僅可用于該項(xiàng)目，也可在其他類似小流域污染治理項(xiàng)目上推廣使用。同時(shí)在示范研究的基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步完善已有技術(shù)，逐步形成技術(shù)導(dǎo)則，開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，提升其應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 超氧

臭氧又稱三氧、超氧，因具有較強(qiáng)的氧化能力，在降解水體中有機(jī)物方面效果良好。

1.3 納米氣泡的特性

1.3.1 停留時(shí)間長(zhǎng)

因納米氣泡直徑較小，故在水中受到的浮力要比其它直徑較大的氣泡受到的浮力小[7]。所以，其在水中比其他氣泡上浮速度慢，停留時(shí)間也較長(zhǎng)。試驗(yàn)證明，納米氣泡在水體中停留時(shí)間長(zhǎng)約280 s。

1.3.2 氣液傳質(zhì)效率高

氣體的傳質(zhì)效率由液體中氣體體積和直徑共同決定[8]。當(dāng)氣泡收縮到一定程度時(shí)，氣泡里壓力將接近無(wú)窮大，直徑為20 nm 氣泡內(nèi)部的超壓為14.5 MPa[9]，從而使納米氣泡溶解于水或在水面處破裂消失[10]。以上過(guò)程中，水中氣體溶解率將達(dá)到飽和，實(shí)現(xiàn)了氣、液傳質(zhì)且效率較高。

1.3.3 產(chǎn)生羥基自由基

納米氣泡破裂時(shí)，氣、液界面的消失使得界面上高濃度正、負(fù)離子積蓄的能量被釋放，從而產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基氧化能力極強(qiáng)，可降解正常情況下難以分解的污染物。

1.4 超氧納米氣泡特性

①臭氧在水中溶解度高（其溶解度是氧氣的10倍）且分解速率快，但實(shí)際使用過(guò)程中，遵守亨利定律，臭氧溶解度與體系中分壓和總壓成比例。臭氧在空氣中的含量及分壓極低，迫使水中臭氧從水和空氣界面上溢出；②臭氧穩(wěn)定性差，在水中易分解成氧氣，降低了其氧化能力[11-12]。而臭氧與納米氣泡結(jié)合后，具備納米氣泡所有優(yōu)勢(shì)特性，減少了大氣泡及微孔氣泡含量，增加了效能比；③由于納米氣泡破裂時(shí)間比其他類型氣泡長(zhǎng)，所以降低了因氣泡上浮至水面后揮發(fā)出水面的臭氧氣量，提升了臭氧使用率；④納米氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)對(duì)水體水質(zhì)維護(hù)效果相較于其他氣泡好；⑤界面電位高，增強(qiáng)了氣泡吸附能力，表面電荷對(duì)水體微粒的吸附性可將水體中有機(jī)懸浮物固定并分離，通過(guò)對(duì)漂浮于水面污物的收集，實(shí)現(xiàn)固、液分離，使水質(zhì)得以改善[13]；⑥自身增壓溶解，有效提高了傳質(zhì)系數(shù)，從而促進(jìn)了臭氧的溶解，增加溶解性臭氧濃度；⑦氣泡直徑小，延長(zhǎng)了臭氧氣泡停留時(shí)間；產(chǎn)生的羥基自由基克服了臭氧大氣泡曝氣的難分解有機(jī)物缺陷，增強(qiáng)了氧化能力。

1.5 超氧納米發(fā)生系統(tǒng)

根據(jù)微納米氣泡產(chǎn)生的不同機(jī)制可將納米氣泡產(chǎn)生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、點(diǎn)解法、化學(xué)法等。超聲空化法、點(diǎn)解法、化學(xué)法主要用于所需氣泡的數(shù)量較少、尺寸精度要求高的領(lǐng)域，分散空氣法和溶氣釋氣法常用在水處理方面。本工程項(xiàng)目為提升水質(zhì)專門(mén)設(shè)計(jì)發(fā)明了超氧納米氣泡水質(zhì)提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種高效的氣、液混合曝氣裝置，系統(tǒng)工藝流程及具體裝置分別見(jiàn)圖1 和圖2。由圖1 可以看出，該裝置以加壓溶氣、減壓釋氣的方法為主線，在溶氣泵或水泵上根據(jù)最佳汽、水比進(jìn)氣和水后進(jìn)行混合，汽、水混合物進(jìn)入溶氣罐，相較與微納米氣泡發(fā)生裝置，納米氣泡發(fā)生裝置優(yōu)化了工藝結(jié)構(gòu)，增加了溶氣罐內(nèi)機(jī)械切割及高空化數(shù)釋放器內(nèi)的切割氣泡裝置；調(diào)整進(jìn)氣氣壓及汽、水比，減少微孔氣泡含量，增加納米氣泡在氣泡中百分比含量。根據(jù)實(shí)際水質(zhì)調(diào)節(jié)氣量，保證系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境水質(zhì)狀況調(diào)整納米氣泡形式，可結(jié)合純氧、臭氧或空氣，該裝置可根據(jù)水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)智能調(diào)節(jié)曝氣方式，選擇微納米或納米氣泡、太陽(yáng)能微孔對(duì)水體進(jìn)行曝氣，也可根據(jù)河道在線檢測(cè)的水深變化智能調(diào)節(jié)曝氣深度。

圖1 超氧納米氣泡水質(zhì)提升系統(tǒng)工藝流程

圖2 王橋河中運(yùn)行的超氧納米氣泡曝氣裝置

2 試驗(yàn)過(guò)程

在天長(zhǎng)市高郵湖進(jìn)湖干流、支流銅龍河、楊村河、王橋河上布置21 套超氧納米氣泡發(fā)生裝置，利用臭氧分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行納米氣泡曝氣。2023 年2月24 日開(kāi)始曝氣，試驗(yàn)工作1 個(gè)月，每天曝氣6 h，根據(jù)系統(tǒng)配置的水質(zhì)在線檢測(cè)結(jié)果及取樣檢測(cè)的水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，每隔4 d 在每次開(kāi)機(jī)前及曝氣6 h 后各采集一次水質(zhì)數(shù)據(jù)。對(duì)運(yùn)行曝氣裝置后的水質(zhì)提升效果以未運(yùn)行曝氣裝置的工況為本底進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超氧納米氣泡對(duì)河道水質(zhì)提升的可行性，尤其對(duì)于常態(tài)時(shí)水質(zhì)相對(duì)較好，但未達(dá)到地表水Ⅲ類水指標(biāo)的河道處理效果；針對(duì)常規(guī)可能發(fā)生的污水進(jìn)河導(dǎo)致水質(zhì)變差的突發(fā)情況，超氧納米氣泡技術(shù)對(duì)于河道水質(zhì)保障可性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 楊村河水質(zhì)提升效果

楊村河試驗(yàn)點(diǎn)的地理位置處于楊村河中段，2月28 日前，大暴雨使得天長(zhǎng)污水處理廠出水超量，污水溢流進(jìn)入楊村河，導(dǎo)致水體中的各項(xiàng)污染指標(biāo)瞬時(shí)升高且持續(xù)幾天COD 質(zhì)量濃度高峰時(shí)達(dá)到60 mg/L；暴雨后DO 質(zhì)量濃度在開(kāi)機(jī)前為1.9 mg/L。采用5 臺(tái)超氧納米氣泡曝氣運(yùn)行一個(gè)月，水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 楊村河曝氣后水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律

由圖3 可以看出，開(kāi)機(jī)前、后COD 指標(biāo)總體變化趨勢(shì)一致，隨著時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)，COD 平均去除率為43.96%（對(duì)于非黑臭水體該去除率較高）；在每次開(kāi)機(jī)前受上游來(lái)水的水質(zhì)影響及示范試驗(yàn)點(diǎn)前天采用超氧納米曝氣的綜合影響，檢測(cè)出COD 濃度整體呈下降趨勢(shì)，出水中COD 質(zhì)量濃度為19 mg/L，DO 質(zhì)量濃度升至7 mg/L，平均增幅達(dá)82.58%。后期待人工濕地運(yùn)行，可滿足項(xiàng)目水質(zhì)需求。

3.2 銅龍河水質(zhì)提升效果

銅龍河采用超氧納米氣泡曝氣后COD，NH3-N，TP 指標(biāo)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 銅龍河曝氣后水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律

由于天長(zhǎng)市銅城鎮(zhèn)截污不徹底，導(dǎo)致農(nóng)村合流水進(jìn)入銅龍河道，該河道同樣面臨下雨污水進(jìn)河、污染指標(biāo)升高的情況，但經(jīng)過(guò)超氧納米起泡發(fā)生系統(tǒng)開(kāi)啟后，水質(zhì)明顯提升。由圖4 可以看出，COD，NH3-N，TP 在開(kāi)機(jī)前、后質(zhì)量濃度分別為39 和19，4.04 和0.8，0.46 和0.13 mg/L，平均去除率分別為44.72%，56.56%和55.48%，滿足銅龍河水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)要求。由于該河的排水功能，使得其水流動(dòng)性較好，超氧納米曝氣后經(jīng)過(guò)夜晚排水，水質(zhì)指標(biāo)對(duì)于第二天的影響較小，受上游來(lái)水的影響較大。

3.3 王橋河水質(zhì)提升效果

王橋河使用超氧納米氣泡裝置曝氣后水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 王橋河曝氣后水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律

由圖5 可以看出，王橋河采用超氧納米氣泡曝氣后，水質(zhì)明顯提升，COD，NH3-N，TP 指標(biāo)的變化趨勢(shì)一致，均隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)。

王橋河主要面臨一些面源污染，另支流口有污水處理泵站的出水口，故河道水質(zhì)僅受泵站出水影響，但相比于另2 條河道，王橋河水質(zhì)相對(duì)較好且較穩(wěn)定。目前，有較多類似河道的水質(zhì)已擺脫黑臭，但如需提升水質(zhì)難度很大。王橋河試驗(yàn)可知，使用超氧納米氣泡曝氣裝置曝氣對(duì)水體的充氧能力比較強(qiáng)，它可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)水體迅速充氧，在前30 min 內(nèi)DO 質(zhì)量濃度由2 mg/L 升至約5.5 mg/L，在100 min時(shí)DO 質(zhì)量濃度達(dá)到最大值（11.86 mg/L），水體中DO 濃度達(dá)到超飽和狀態(tài)，由于納米氣泡羥基自由基的作用，在超氧納米氣泡曝氣狀態(tài)下，水體中DO 濃度可處于超飽和狀態(tài)，再繼續(xù)曝氣趨于平緩。曝氣6 h 后停止曝氣，直至次日上午9:00 開(kāi)機(jī)曝氣前，DO 濃度逐漸降低，但由于納米氣泡在水中停留時(shí)間較長(zhǎng)，氧轉(zhuǎn)移能力也較強(qiáng)，所以水體可保持一個(gè)較高的DO 濃度。雨后因污水廠污水溢流直排進(jìn)入河道，導(dǎo)致DO 檢測(cè)濃度趨于降低，天晴后，無(wú)污水入河，水體中DO 濃度又快速升高，直至DO 濃度飽和甚至超飽和。由于試驗(yàn)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)距離較遠(yuǎn)，水體流速極低，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果并非極精確，但整體趨勢(shì)值得參考。

4 結(jié)論

在高郵湖水環(huán)境綜合整治工程PPP 項(xiàng)目3 條河道采用超氧納米氣泡曝氣，并對(duì)其曝氣效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）超氧納米起泡可有效用于常態(tài)水質(zhì)較好的河道水質(zhì)提升或維護(hù)，同時(shí)，面對(duì)暴雨等突發(fā)狀況，超氧納米氣泡又可快速處理進(jìn)入河道的污水，迅速提升河道水質(zhì)。

（2）超氧納米起泡可快速提高并維持水體中DO濃度；有效降低水體中COD，NH3-N，TP 及底泥中有機(jī)質(zhì)等污染物濃度；試驗(yàn)河道的水質(zhì)參數(shù)COD，NH3-N，TP 的削減率分別為45%，60%，55%，且電耗為超氧微納米氣泡的65%；在人工濕地投入運(yùn)營(yíng)及配合其他物理截留措施，超氧納米氣泡技術(shù)可保障高郵湖支流河道達(dá)到III 類水標(biāo)準(zhǔn)。

（3）超氧納米起泡曝氣對(duì)河道水質(zhì)的提升效果受污水溢流、水流速度、溫度、pH 值、風(fēng)速等環(huán)境影響較為顯著，存在系統(tǒng)控制性風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合懸浮物物理清除、人工濕地等水質(zhì)提升方法系統(tǒng)應(yīng)用。另需完善截污系統(tǒng)。

（4）超氧納米氣泡技術(shù)具有推廣使用價(jià)值。

未來(lái)針對(duì)不同氣源及曝氣種類選擇情況下，可對(duì)超氧納米氣泡曝氣系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步最佳輸氣方式及應(yīng)用規(guī)律的研究，以在保障河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況下降低能耗，完善超氧納米氣泡曝氣系統(tǒng)硬件及控制軟件，為其他河湖水質(zhì)提升提供產(chǎn)品及技術(shù)借鑒。