超氧纳米气泡对河道水质提升效果研究

张晓雷，熊 壮，甘雁飞，张建国

（中交上海航道局有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

随着人们对生活环境的重视，河道污染治理情况越来越成为公众关注的焦点，各级政府也充分认识到加强城区河道污染治理工作的紧迫性，积极采取有效措施，加大城市水环境的治理力度。经过多年的截污、清淤、活水等治污工程的实施，水环境已得到较大改善；但由于存在截污难以彻底、雨期污水溢流、河道运营维护措施不完善、河道水质提升及维护时采用的工艺套用环境工程中活性污泥法等问题，实际上较多河道可生化性不强且无法营造出适应好氧菌、厌氧菌及缺氧菌等微生物的生存环境，也无法解决底泥中因活性污泥的使用与搅动水体底泥带来向水体中释放物的问题。僵硬照搬环境工程手段根本达不到消减水体中污染物的目的。现实中许多河道经过治理或维护后，河道中污染物浓度消减量非常有限。另有些河道盲目增氧，在底部布设曝气管扰动底泥，但表曝效率较低，使得许多曝气设备成了面子工程，结果导致较多河道水质不达标，甚至发生返黑臭现象。为了使湖泊达到地表水III 类以上标准，需对进湖河道水质进行提升，针对日常水质尚可但未达到相关水质标准要求的河道需结合多种工艺。臭氧对河道水质指标有一定的改善作用[1]。目前，市场上河道治理及维护大多使用空气曝气，极少采用纯氧曝气，这对雨期有污水溢流或面源污染等问题的河道治理效果有限。臭氧是水处理常用的氧化剂之一，由于其具有氧化性强、反应速度快和无二次污染等优点，使得臭氧在污水深度处理等领域得到广泛应用[2]。但近年来，由于传统曝气方式下臭氧的传质效率和氧化效率较低，运行成本较高且其对有机物的氧化具有选择性，无法分解一些难降解有机物等，限制了该技术在水处理领域的进一步推广应用[3]。因此，使得复合氧化技术尤其是纳米气泡复合臭氧在河道水质提升方面的应用前景更加广泛[4]。

微孔曝气是一种高效曝气技术。早在1915 年，英国发明了第一个多孔盘曝气装置，于20 世纪30～40 年代逐渐流行。20 世纪70 年代能源危机后，微孔曝气技术因其通气量大、充氧能力强、节约能耗的特点，再次受到关注。美国Ridgewood 污水处理厂将大孔曝气器改装成微孔曝气器，可将氧利用率提高50%，能耗降低约28%。与大、中气泡的曝气系统相比，微孔曝气系统可节约能耗约50%，但微孔曝气的氧利用率仅小于20%～30%，且能耗较高。微纳米气泡具有停留时间长、传质效率高、产生羟基自由基等优势，可强化臭氧传质效率和氧化效率，提升臭氧对难降解有机物的去除效果[5]。微纳米气泡通常是指直径在50 μm 以下的气泡，其中直径小于1μm 且大于1 nm的超微小气泡则被称为纳米气泡（nano bubble）[6]。目前，使用微纳米气泡曝气的污水处理厂大多因为能耗太高，经常不开机运行，导致设备使用效率不高，水质维护效果得不到保障。因此，对增强DO 浓度、降低污染物浓度、在保证水质达标基础上降低能耗、提升效能、水质维护时间长的智能曝气方式进行研究有着极其重要意义。

1 背景

1.1 综合整治工程概况

安徽省滁州市天长高邮湖水环境综合整治工程PPP 项目建设目的是确保铜龙河、杨村河、王桥河3条河流域Ⅲ类水水质达标。该项目主要通过削减外源污染和去除部分内源污染来提升河道水质，工程措施存在以下问题：截污纳管无法彻底实现雨、污分流，雨季部分污水仍会入河污染；新建尾水湿地只能将污水处理厂尾水提升至Ⅳ类标准；河道清淤和生态河道建设对水质提升效果有限。

对此，该项目目前主要采用超氧纳米气泡曝气技术对铜龙河、杨村河、王桥河有旁支流入的雨水口下游部分河段进行强化处理，提升水质。超氧纳米气泡曝气技术不仅可用于该项目，也可在其他类似小流域污染治理项目上推广使用。同时在示范研究的基础上还可进一步完善已有技术，逐步形成技术导则，开发出新产品，提升其应用价值和经济效益。

1.2 超氧

臭氧又称三氧、超氧，因具有较强的氧化能力，在降解水体中有机物方面效果良好。

1.3 纳米气泡的特性

1.3.1 停留时间长

因纳米气泡直径较小，故在水中受到的浮力要比其它直径较大的气泡受到的浮力小[7]。所以，其在水中比其他气泡上浮速度慢，停留时间也较长。试验证明，纳米气泡在水体中停留时间长约280 s。

1.3.2 气液传质效率高

气体的传质效率由液体中气体体积和直径共同决定[8]。当气泡收缩到一定程度时，气泡里压力将接近无穷大，直径为20 nm 气泡内部的超压为14.5 MPa[9]，从而使纳米气泡溶解于水或在水面处破裂消失[10]。以上过程中，水中气体溶解率将达到饱和，实现了气、液传质且效率较高。

1.3.3 产生羟基自由基

纳米气泡破裂时，气、液界面的消失使得界面上高浓度正、负离子积蓄的能量被释放，从而产生大量的羟基自由基。羟基自由基氧化能力极强，可降解正常情况下难以分解的污染物。

1.4 超氧纳米气泡特性

①臭氧在水中溶解度高（其溶解度是氧气的10倍）且分解速率快，但实际使用过程中，遵守亨利定律，臭氧溶解度与体系中分压和总压成比例。臭氧在空气中的含量及分压极低，迫使水中臭氧从水和空气界面上溢出；②臭氧稳定性差，在水中易分解成氧气，降低了其氧化能力[11-12]。而臭氧与纳米气泡结合后，具备纳米气泡所有优势特性，减少了大气泡及微孔气泡含量，增加了效能比；③由于纳米气泡破裂时间比其他类型气泡长，所以降低了因气泡上浮至水面后挥发出水面的臭氧气量，提升了臭氧使用率；④纳米气泡停留时间长对水体水质维护效果相较于其他气泡好；⑤界面电位高，增强了气泡吸附能力，表面电荷对水体微粒的吸附性可将水体中有机悬浮物固定并分离，通过对漂浮于水面污物的收集，实现固、液分离，使水质得以改善[13]；⑥自身增压溶解，有效提高了传质系数，从而促进了臭氧的溶解，增加溶解性臭氧浓度；⑦气泡直径小，延长了臭氧气泡停留时间；产生的羟基自由基克服了臭氧大气泡曝气的难分解有机物缺陷，增强了氧化能力。

1.5 超氧纳米发生系统

根据微纳米气泡产生的不同机制可将纳米气泡产生方式分为分散空气法、溶气释气法、超声空化法、点解法、化学法等。超声空化法、点解法、化学法主要用于所需气泡的数量较少、尺寸精度要求高的领域，分散空气法和溶气释气法常用在水处理方面。本工程项目为提升水质专门设计发明了超氧纳米气泡水质提升系统，该系统为一种高效的气、液混合曝气装置，系统工艺流程及具体装置分别见图1 和图2。由图1 可以看出，该装置以加压溶气、减压释气的方法为主线，在溶气泵或水泵上根据最佳汽、水比进气和水后进行混合，汽、水混合物进入溶气罐，相较与微纳米气泡发生装置，纳米气泡发生装置优化了工艺结构，增加了溶气罐内机械切割及高空化数释放器内的切割气泡装置；调整进气气压及汽、水比，减少微孔气泡含量，增加纳米气泡在气泡中百分比含量。根据实际水质调节气量，保证系统根据环境水质状况调整纳米气泡形式，可结合纯氧、臭氧或空气，该装置可根据水质在线检测系统自动智能调节曝气方式，选择微纳米或纳米气泡、太阳能微孔对水体进行曝气，也可根据河道在线检测的水深变化智能调节曝气深度。

图1 超氧纳米气泡水质提升系统工艺流程

图2 王桥河中运行的超氧纳米气泡曝气装置

2 试验过程

在天长市高邮湖进湖干流、支流铜龙河、杨村河、王桥河上布置21 套超氧纳米气泡发生装置，利用臭氧分别对试验区进行纳米气泡曝气。2023 年2月24 日开始曝气，试验工作1 个月，每天曝气6 h，根据系统配置的水质在线检测结果及取样检测的水质化验结果进行比较分析，每隔4 d 在每次开机前及曝气6 h 后各采集一次水质数据。对运行曝气装置后的水质提升效果以未运行曝气装置的工况为本底进行对比，对比结果发现，超氧纳米气泡对河道水质提升的可行性，尤其对于常态时水质相对较好，但未达到地表水Ⅲ类水指标的河道处理效果；针对常规可能发生的污水进河导致水质变差的突发情况，超氧纳米气泡技术对于河道水质保障可性。

3 试验结果与分析

3.1 杨村河水质提升效果

杨村河试验点的地理位置处于杨村河中段，2月28 日前，大暴雨使得天长污水处理厂出水超量，污水溢流进入杨村河，导致水体中的各项污染指标瞬时升高且持续几天COD 质量浓度高峰时达到60 mg/L；暴雨后DO 质量浓度在开机前为1.9 mg/L。采用5 台超氧纳米气泡曝气运行一个月，水质指标变化规律见图3。

图3 杨村河曝气后水质指标变化规律

由图3 可以看出，开机前、后COD 指标总体变化趋势一致，随着时间推移呈下降趋势，COD 平均去除率为43.96%（对于非黑臭水体该去除率较高）；在每次开机前受上游来水的水质影响及示范试验点前天采用超氧纳米曝气的综合影响，检测出COD 浓度整体呈下降趋势，出水中COD 质量浓度为19 mg/L，DO 质量浓度升至7 mg/L，平均增幅达82.58%。后期待人工湿地运行，可满足项目水质需求。

3.2 铜龙河水质提升效果

铜龙河采用超氧纳米气泡曝气后COD，NH3-N，TP 指标的变化趋势见图4。

图4 铜龙河曝气后水质指标变化规律

由于天长市铜城镇截污不彻底，导致农村合流水进入铜龙河道，该河道同样面临下雨污水进河、污染指标升高的情况，但经过超氧纳米起泡发生系统开启后，水质明显提升。由图4 可以看出，COD，NH3-N，TP 在开机前、后质量浓度分别为39 和19，4.04 和0.8，0.46 和0.13 mg/L，平均去除率分别为44.72%，56.56%和55.48%，满足铜龙河水质稳定达标要求。由于该河的排水功能，使得其水流动性较好，超氧纳米曝气后经过夜晚排水，水质指标对于第二天的影响较小，受上游来水的影响较大。

3.3 王桥河水质提升效果

王桥河使用超氧纳米气泡装置曝气后水质指标变化规律见图5。

图5 王桥河曝气后水质指标变化规律

由图5 可以看出，王桥河采用超氧纳米气泡曝气后，水质明显提升，COD，NH3-N，TP 指标的变化趋势一致，均随时间推移呈下降趋势。

王桥河主要面临一些面源污染，另支流口有污水处理泵站的出水口，故河道水质仅受泵站出水影响，但相比于另2 条河道，王桥河水质相对较好且较稳定。目前，有较多类似河道的水质已摆脱黑臭，但如需提升水质难度很大。王桥河试验可知，使用超氧纳米气泡曝气装置曝气对水体的充氧能力比较强，它可在短时间内对水体迅速充氧，在前30 min 内DO 质量浓度由2 mg/L 升至约5.5 mg/L，在100 min时DO 质量浓度达到最大值（11.86 mg/L），水体中DO 浓度达到超饱和状态，由于纳米气泡羟基自由基的作用，在超氧纳米气泡曝气状态下，水体中DO 浓度可处于超饱和状态，再继续曝气趋于平缓。曝气6 h 后停止曝气，直至次日上午9:00 开机曝气前，DO 浓度逐渐降低，但由于纳米气泡在水中停留时间较长，氧转移能力也较强，所以水体可保持一个较高的DO 浓度。雨后因污水厂污水溢流直排进入河道，导致DO 检测浓度趋于降低，天晴后，无污水入河，水体中DO 浓度又快速升高，直至DO 浓度饱和甚至超饱和。由于试验在线检测数据距离较远，水体流速极低，导致检测结果并非极精确，但整体趋势值得参考。

4 结论

在高邮湖水环境综合整治工程PPP 项目3 条河道采用超氧纳米气泡曝气，并对其曝气效果进行试验研究，得出以下结论。

（1）超氧纳米起泡可有效用于常态水质较好的河道水质提升或维护，同时，面对暴雨等突发状况，超氧纳米气泡又可快速处理进入河道的污水，迅速提升河道水质。

（2）超氧纳米起泡可快速提高并维持水体中DO浓度；有效降低水体中COD，NH3-N，TP 及底泥中有机质等污染物浓度；试验河道的水质参数COD，NH3-N，TP 的削减率分别为45%，60%，55%，且电耗为超氧微纳米气泡的65%；在人工湿地投入运营及配合其他物理截留措施，超氧纳米气泡技术可保障高邮湖支流河道达到III 类水标准。

（3）超氧纳米起泡曝气对河道水质的提升效果受污水溢流、水流速度、温度、pH 值、风速等环境影响较为显著，存在系统控制性风险，需结合悬浮物物理清除、人工湿地等水质提升方法系统应用。另需完善截污系统。

（4）超氧纳米气泡技术具有推广使用价值。

未来针对不同气源及曝气种类选择情况下，可对超氧纳米气泡曝气系统进行进一步最佳输气方式及应用规律的研究，以在保障河道水质达标情况下降低能耗，完善超氧纳米气泡曝气系统硬件及控制软件，为其他河湖水质提升提供产品及技术借鉴。