超氧納米氣泡發生系統提升水質應用研究

張駿　張曉雷　熊壯　甘雁飛　張建國

摘要：采用自主研制納米氣泡發生裝置，研究超氧納米氣泡發生系統用于河道水質提升到地表Ⅳ類水甚至Ⅲ類水的可行性、能耗情況以及應用方法。結果表明：采用臭氧微納米及納米氣泡曝氣后水體中COD平均去除分別率為36.01%及42.41%，總磷的平均去除率分別為57.92%及67.5%，氨氮平均去除率分別達到43.60%及54.09%；納米氣泡釋放器位于底泥上1m及0.5m處單位重量有機質去除率分別達到66.33%及82.11%；采用空氣與純氧納米氣泡曝氣溶解氧增加率相差不大；臭氧納米氣泡曝氣結合復合工藝對水質提升至地表Ⅲ類水的方案可行；采用納米氣泡曝氣能耗只有微納米氣泡的65%；給出了裝置選型應用建議。

關鍵詞：超氧；納米氣泡發生系統；提升水質；應用方法

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：B

前言

隨著國家對湖泊治理的要求日漸加強，進湖河道水質提升成為重點。由于截污難以徹底、運營維護設施不完善；河道可生化性不強導致采用的環境工程治理手段難以奏效，治理效果差；大多數河道仍依靠所謂活水，實際是換水實現水質目標。部分河道盲目增氧，底部布曝氣管擾動底泥；為了節能曝氣設備成了曬太陽工程；很多河道水質不達標，甚至發生返黑臭現象。而湖泊想達到水質標準，則需要對進湖河道的水質進行提升。研究表明：適當的臭氧氧化作用可以增加水中溶解氧。微納米氣泡復合高級氧化技術降解污染物，可以有效地提升河道水質。河道被污染主要是由于過量納污，導致水體供氧和耗氧失衡的結果。所以，曝氣復氧被認為是治理河道污染的一種措施，它可以提高水體中的溶解氧含量，強化水體的間凈功能，促進水體生態系統的修復。曝氣產生的氣泡的大小又影響氧的傳質效率。氣泡越小，停留時間越長，納米氣泡相對停留時間最長。Liu等指出，增加停留時間可以提高氧的傳質效率，臭氧微納米氣泡曝氣技術在水處理方面展現出良好前景。但臭氧微納米發生裝置功能單一，能效比低。因此，研究并推廣使用超氧納米氣泡發生系統以及系統的最優應用方法是水環境治理及維護領域的重要課題。

1 背景資料

1.1 項目簡介

安徽省滁州市天長市楊村河、銅龍河、王橋河為高郵湖入湖河道，高郵湖水環境整治PPP項目目標要求入湖河道達到地表Ⅲ類水水質。目前河道外圍截污無法徹底實現雨污分流，雨季部分污水仍會入河污染；尤其天長污水處理廠出水在雨季會溢流進楊村河；銅龍河有銅城鎮集市污水及上游農村排水進入；王橋河有支流污水處理泵站處理后的排水進河。此時，新建尾水濕地只能將污水處理廠尾水提升至Ⅳ類；河道清淤和生態河道建設對水質提升效果尚未達到最終水質目標，因此需要研究更先進的技術進行水質強化處理，保障項目達到水質達標目標。

項目采用自主研發的超氧納米氣泡技術對高郵湖進湖的三條河段進行強化處理，提升水質。同時在江蘇省如皋市利用與楊村河水質相似的河道進行輸入方式及應用規律對比研究。該技術研發成功后不僅可用于本項目，也可以在其他類似小流域污染治理項目上推廣使用。同時在示范研究的基礎上還可進一步完善已有技術，逐步形成技術導則，開發新產品，提升應用價值和經濟效益。

1.2 超氧納米氣泡發生裝置簡介

根據微納米氣泡產生的不同機制可將納米氣泡產生的方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、點解法、化學法等。水處理方面常用分散空氣法、溶氣釋氣法。分散空氣法是使用各種方法，如葉輪高速旋轉、射流、微孔結構生產納米氣泡。此研究采用的超氧納米氣泡水質提升裝置是專為水質提升自主發明的一種高效的曝氣裝置。以分散空氣法為主線，溶氣罐內以及氣泡釋放器內增加了切割氣泡裝置，調整進氣氣壓及汽水比，減少微孔氣泡含量，增加納米氣泡在氣泡中的百分比含量。裝置可以根據水量調整氣量，優化產氣工藝；保證裝置能根據環境水質狀況調整曝氣氣泡直徑，根據水質在線檢測系統檢測的水質情況結合純氧、臭氧或空氣，間動智能調節曝氣方式，可以采用微孔曝氣，也可選擇采用生產的微納米氣泡曝氣，還能選擇采用裝置生產的納米氣泡曝氣；能根據河道在線檢測的水深變化智能自動調節曝氣機開啟及關閉。

超氧納米氣泡特性：界面電位高，增強了氣泡吸附能力，表面電荷對水體微粒的吸附性可以將水體中有機懸浮物固定并分離，通過對漂浮于水面污物的收集，實現固液分離，使水質得以改善；自身增壓溶解，促進了臭氧的溶解；氣泡直徑小，延長了臭氧氣泡停留時間；產生的羥基自由基克服了臭氧大氣泡曝氣的難分解有機物的缺陷，增強了氧化能力。

超氧納米氣泡曝氣提升水質利用的是吹脫+電化學沉淀+高級氧化+微生物處理工藝。

由于超氧納米氣泡發生系統減少了容易破裂的大氣泡的含量，延長氣泡在水體中存留時間，在貢獻同樣溶解氧量的情況下，能耗相比于微納米氣泡發生裝置要低三分之一。

2 研究內容與方法

2.1 研究內容

開啟安裝于安徽省滁州市天長市楊村河（1#試驗點）內的超氧納米氣泡發生裝置，以未運行曝氣裝置的工況為本底對運行曝氣裝置后的增氧效果及水質提升效果進行對比研究。同時，在模擬楊村河水質的江蘇省如皋市鞠莊村中心河的2#及4#試驗點根據過流水量比例安裝的超氧納米氣泡發生裝置，模擬水質進行對比試驗。對比1#試驗點，在同地區類似溫度及天文情況下的王橋河3#試驗點，研究出系統運行后水質變化規律。另外，調整1#及4#試驗點超氧納米氣泡曝氣深度，對比1#及4#試驗點對水質提升及底泥有機質含量變化效果。在試驗數據對比的基礎上研究出超氧納米氣泡發生系統用來進行河道水質提升的最佳應用規律。

2.2 研究布置

在安徽省滁州市天長市的楊村河1#試驗點位于天長污水處理廠出水下游大壩外側處安裝5臺超氧納米氣泡發生裝置；1臺45kw，4臺15kw；模擬楊村河水質試驗場地位于江蘇如皋市鞠莊村中心河內，河道利用自然條件分割成兩部分，一塊作為2#試驗點，另一塊作為4#試驗點，3#試驗點位于王橋河；2#、3#、4#均安裝4臺15kw超氧納米發生裝置。四個試驗點均位于排口下游500m左右處。（見圖1）

2.3 研究方法

研究中將空氣、純氧及臭氧統稱超氧。開啟超氧納米氣泡發生裝置，1#點2月24日開始臭氧微納米至2月28日，而后接著采用臭氧納米曝氣至3月28日，每天曝氣6小時，氣泡釋放器位于底泥上1m處；2#點2月24日開始臭氧微納米曝氣至3月28日，每天曝氣6小時，氣泡釋放器位于底泥上1m處；3#點2月24日開始臭氧納米曝氣至3月28日，每天曝氣6小時，氣泡釋放器位于底泥上1m處；4#點2月24日開始臭氧納米曝氣至3月28日，納米氣泡釋放器位于底泥上0.5m處，每天曝氣6小時。1#點、2#點、3#點及4#點連續曝氣一個月。1#點在4月5日開始單獨采用45KW超氧納米氣泡發生裝置曝氣20天；采樣檢測后開始單獨采用4臺15KW超氧納米氣泡發生裝置曝氣20天；2#試驗點在4月5日采用4臺15KW納米氣泡發生裝置曝氣20天后，采樣檢測后采用4臺7.5KW納米氣泡發生裝置曝氣20天；每天曝氣6小時，利用水質在線監測系統、取樣化驗結果及環保在線監測系統數據，分析超氧納米氣泡提升水質的最佳輸入方式及應用規律。從檢測的水質數據中每隔四天的數據用來分析，每次開機前1小時及曝氣6小時后采集。根據試驗對應測定的各個污染物指標如COD、TP、NH3-N、DO、有機質含量等進行對比分析，得出研究結論。

3 試驗結果與分析

3.1 1#試驗點采用臭氧納米曝氣、2#試驗點采用臭氧微納米曝氣后水質COD指標的變化規律及分析

如圖2所示，2月23口下雨，1#示范點由于楊村污水處理廠出水有部分污水溢流進楊村河，導致楊村河水質污染，從試驗結果來看，面對突發污水進河時，采用微納米氣泡曝氣對水質提升效果比納米氣泡曝氣瞬時效果快；但從整體效果來比較：采用臭氧納米氣泡曝氣COD平均去除率為42.41%；與水質類似的2#示范點采用的臭氧微納米氣泡曝氣后COD平均去除率為36.01%；電度表顯示，單臺納米曝氣系統功耗只有微納米曝氣系統的65%；當河道水體水質COD濃度低于30mg·L-1時，采用臭氧納米曝氣能將COD濃度降低至20mg·L-1左右，配合人工濕地等生態系統能確保水質提升至既定目標；而臭氧微納米曝氣在此情況下對水體水質提升至地表Ⅲ類水的效果相對有難度。納米氣泡有著最合適的汽水比，經過試驗，在氣壓為0.4MPa情況下，最佳汽水比為1：9，在水泵流量確定的情況下，氣量調節不能調整納米氣泡量；在增加臭氧氣壓至0.6MPa及0.8MPa情況下，汽水比得到了增加，同體積的氣液混合液增加了納米氣泡含量。

試驗示范地具有排水功能，水體流通，上游污染物及部分面源污染仍繼續隨水體向工游流動，導致試驗后數據不穩定，水質檢測數據不能與完全不流動的水體相比較。2#對照點水質不能精確模仿1#點，水體流動及周邊環境影響導致數據稍有偏差。

3.2 2#試驗點采用臭氧微納米曝氣以及3#試驗點采用臭氧納米曝氣前后總磷的變化規律及分析

如圖3所示，3#點采用臭氧納米氣泡曝氣后，河道水體中磷的平均去除率達到67.5%；2#點采用臭氧微納米氣泡曝氣后，河道水體中磷的平均去除率達到57.92%。臭氧納米氣泡曝氣增加了水體中溶解氧，同時水體中的磷易被形成含磷絡合物，在納米氣泡表面負荷作用下，利用電化學原理絮凝穩定沉降至底泥，從而降低水體中磷的含量，保障河道達到水質目標。河道中處理磷本質上除了水生態中被動植物吸收且出水部分才能被準確稱為除磷，其他的手段目的是將磷穩定沉降到底泥，并且盡力降低磷二次釋放進水體的可能。實驗結果得知，納米氣泡曝氣對水體中磷的濃度降低率比微納米氣泡曝氣要高，對于磷超標的水體盡量選擇臭氧納米氣泡曝氣。

3.3 1#試驗點采用臭氧納米曝氣、2#試驗點采用臭氧微納米曝氣后水質溶解氧指標的變化規律及分析

如圖4所示l#與2#試驗點開機運行溶解氧變化趨勢分析，1#溶解氧濃度平均升高47.53%；2#溶解氧濃度平均升高43.14%；采用臭氧納米氣泡曝氣相比臭氧微納米曝氣對溶解氧的提升效率相對較高；隨著水質提升，污染物濃度下降到一定程度后，兩者溶解氧均趨于平緩，但臭氧納米氣泡明顯停留時間長，對水體溶解氧貢獻相對微納米氣泡要大；同時，由于減少了大氣泡的破裂浪費，所以納米氣泡的能耗在達到同等處理效果的情況下偏低；溶氧效率納米氣泡高于微納米氣泡。

對比類似水質環境的兩條河道1#和2#河道，根據水量布置的成比例的納米曝氣機，針對不同水質時段下曝氣對水質提升的最佳方式為，當河道遇到污水溢流或面源污染時，采用超氧納米氣泡發生裝置生產的臭氧微納米氣泡曝氣除污效果要比臭氧微納米氣泡曝氣效果快；當水體水質相對較好但又沒有達到水質標準的時候，采用臭氧納米氣泡曝氣可以有效地提升水質；當水質達標或水體流動性太差時，開啟太陽能微孔曝氣。

從試驗過程中分析，采用純氧納米曝氣與采用空氣納米曝氣，對水體溶解氧提升效果相差不大。

1#與2#試驗點開機運行后，短時間內水體溶解氧都達到18mg·L-1的超飽和狀態，在水流作用下以及曝氣6小時后檢測，溶解氧濃度趨于平穩。

3.4 1#采用臭氧納米曝氣、2#試驗點采用臭氧微納米曝氣前后氨氮含量的變化趨勢及分析

如圖5所示，1#試驗點由于在大雨后河道排入了大量溢流污水，水質變差，在臭氧納米氣泡曝氣條件下，有機物分解，使得短時間內氨氮濃度升高，在天晴沒有污水溢流進河道后，氨氮濃度迅速下降，主要是由于在高溶解氧情況下，水體的硝化菌落形成較快，氨氮在水體中較快轉為硝態氮；氨氮平均去除率達到54.09%；2#試驗點經過超氧微納米氣泡曝氣后，與1#同時間曝氣情況相對比，氨氮平均去除率達到43.60%，效果納米氣泡比微納米氣泡要好，且由于減少了微孔氣泡上升至水面爆破浪費，納米氣泡曝氣能耗要低于微納米氣泡曝氣。

3.5 1#點單獨采用45KW與單獨采用4臺15KW超氧納米氣泡發生裝置曝氣、2#點單獨采用15KW與單獨采用4臺7.5KW超氧納米氣泡發生裝置曝氣后水質COD指標的變化規律及分析

從試驗結果得知，1#點單獨采用45KW曝氣20天后，COD濃度從35mg·L-1下降為19mg·L-1；去除率45.71%；曝氣結束后選取水質與上述濃度相當時單獨采用4臺15KW曝氣20天，COD濃度從39mg·L-1下降為29mg·L-1；去除率25.64%。

2#試驗點在采用4臺15KW納米氣泡發生裝置曝氣20天后，COD濃度從38mg·L-1下降為19mg·L-1，去除率50%；曝氣結束后選取水質與上述濃度相當時單獨采用4臺7.5KW曝氣20天后，COD濃度從36mg·L-1下降為25mg·L-1；去除率30.56%。

結果分析：超氧納米氣泡從釋放器釋放出來時壓力并不很高；雖然為了提高納米氣泡含量提高了進氣壓力，但出汽壓力還是有限。楊村河的水面寬度50n左右，45KW超氧納米氣泡發生裝置沿著設備周邊360度方向均有氣泡釋放器釋放超氧納米氣泡，所以沿著河道的水流范圍均會有納米氣泡起作用；而4臺單機15KW的超氧納米氣泡發生裝置由于產汽量相對有限，其配置的納米氣泡只能向水流下游方向釋放，如此超氧納米氣泡難以鋪滿至河道全部斷面，如此處理效果與單臺45KW比較，效果差了許多。

而2#河道水面寬度在18m左右，從實驗結果可知，15KW納米曝氣機對COD去除效率明顯高于7.5KW。試驗可知7.5KW納米氣泡發生裝置適宜的河道水面寬度在10ni左右。

3.6 1#、4#試驗點采用臭氧納米氣泡曝氣后底泥有機質含量的變化趨勢及分析

如圖6所示，對于超氧納米曝氣釋放器水下深度研究，對比氣泡釋放器位于河道底泥上0.5m的4#試驗點比氣泡釋放器位于河道底泥上1m的1#試驗點，結果顯示：1#底泥單位重量有機質去除率達到66.33%，而4#底泥單位重量有機質去除率則達到82.11%。這主要是因為納米氣泡釋放導致底泥中有機物被超氧納米氣泡氧化，納米氣泡越接近底泥，對河道底泥有機物的消減作用越大，進而減少了河道底泥向水體中二次釋放的污染物。試驗表明，當氣泡釋放器距離河道底泥表面小于0.5米尤其到0.2米左右時，底泥容易在水流速和納米氣泡的作用下被擾動，反而增加了水體的濁度，污染水體水質。

4 結論

采用臭氧微納米及納米氣泡曝氣后水體中COD平均去除率分別為36.01%及42.41%，總磷的平均去除率分別為57.92%及67.5%，氨氮平均去除率分別達到43.60%及54.09%；納米氣泡釋放器位于底泥上1m及0.5m處單位重量有機質去除率分別達到66.33%及82.11%；采用空氣與純氧納米氣泡曝氣溶解氧增加率相差不大；臭氧納米氣泡曝氣結合復合工藝水質提升至地表Ⅳ類水甚至Ⅲ類水的方案可行；采用納米氣泡曝氣能耗只有微納米氣泡的65%；當水體中COD濃度高于40mg·L-1時采用臭氧微納米氣泡曝氣快速提升水質；當水體中COD濃度低于40mg·L-1時而高于20mg·L-1時，采用臭氧納米氣泡曝氣；水面寬度超過20米、小于20米而大于10米、小于10米時宜對應采用45KW、15KW、7.5KW超氧納米氣泡發生系統曝氣。