超氧纳米气泡发生系统提升水质应用研究

张骏　张晓雷　熊壮　甘雁飞　张建国

摘要：采用自主研制纳米气泡发生装置，研究超氧纳米气泡发生系统用于河道水质提升到地表Ⅳ类水甚至Ⅲ类水的可行性、能耗情况以及应用方法。结果表明：采用臭氧微纳米及纳米气泡曝气后水体中COD平均去除分别率为36.01%及42.41%，总磷的平均去除率分别为57.92%及67.5%，氨氮平均去除率分别达到43.60%及54.09%；纳米气泡释放器位于底泥上1m及0.5m处单位重量有机质去除率分别达到66.33%及82.11%；采用空气与纯氧纳米气泡曝气溶解氧增加率相差不大；臭氧纳米气泡曝气结合复合工艺对水质提升至地表Ⅲ类水的方案可行；采用纳米气泡曝气能耗只有微纳米气泡的65%；给出了装置选型应用建议。

关键词：超氧；纳米气泡发生系统；提升水质；应用方法

中图分类号：X703.1 文献标志码：B

前言

随着国家对湖泊治理的要求日渐加强，进湖河道水质提升成为重点。由于截污难以彻底、运营维护设施不完善；河道可生化性不强导致采用的环境工程治理手段难以奏效，治理效果差；大多数河道仍依靠所谓活水，实际是换水实现水质目标。部分河道盲目增氧，底部布曝气管扰动底泥；为了节能曝气设备成了晒太阳工程；很多河道水质不达标，甚至发生返黑臭现象。而湖泊想达到水质标准，则需要对进湖河道的水质进行提升。研究表明：适当的臭氧氧化作用可以增加水中溶解氧。微纳米气泡复合高级氧化技术降解污染物，可以有效地提升河道水质。河道被污染主要是由于过量纳污，导致水体供氧和耗氧失衡的结果。所以，曝气复氧被认为是治理河道污染的一种措施，它可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的间净功能，促进水体生态系统的修复。曝气产生的气泡的大小又影响氧的传质效率。气泡越小，停留时间越长，纳米气泡相对停留时间最长。Liu等指出，增加停留时间可以提高氧的传质效率，臭氧微纳米气泡曝气技术在水处理方面展现出良好前景。但臭氧微纳米发生装置功能单一，能效比低。因此，研究并推广使用超氧纳米气泡发生系统以及系统的最优应用方法是水环境治理及维护领域的重要课题。

1 背景资料

1.1 项目简介

安徽省滁州市天长市杨村河、铜龙河、王桥河为高邮湖入湖河道，高邮湖水环境整治PPP项目目标要求入湖河道达到地表Ⅲ类水水质。目前河道外围截污无法彻底实现雨污分流，雨季部分污水仍会入河污染；尤其天长污水处理厂出水在雨季会溢流进杨村河；铜龙河有铜城镇集市污水及上游农村排水进入；王桥河有支流污水处理泵站处理后的排水进河。此时，新建尾水湿地只能将污水处理厂尾水提升至Ⅳ类；河道清淤和生态河道建设对水质提升效果尚未达到最终水质目标，因此需要研究更先进的技术进行水质强化处理，保障项目达到水质达标目标。

项目采用自主研发的超氧纳米气泡技术对高邮湖进湖的三条河段进行强化处理，提升水质。同时在江苏省如皋市利用与杨村河水质相似的河道进行输入方式及應用规律对比研究。该技术研发成功后不仅可用于本项目，也可以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，开发新产品，提升应用价值和经济效益。

1.2 超氧纳米气泡发生装置简介

根据微纳米气泡产生的不同机制可将纳米气泡产生的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。水处理方面常用分散空气法、溶气释气法。分散空气法是使用各种方法，如叶轮高速旋转、射流、微孔结构生产纳米气泡。此研究采用的超氧纳米气泡水质提升装置是专为水质提升自主发明的一种高效的曝气装置。以分散空气法为主线，溶气罐内以及气泡释放器内增加了切割气泡装置，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的百分比含量。装置可以根据水量调整气量，优化产气工艺；保证装置能根据环境水质状况调整曝气气泡直径，根据水质在线检测系统检测的水质情况结合纯氧、臭氧或空气，间动智能调节曝气方式，可以采用微孔曝气，也可选择采用生产的微纳米气泡曝气，还能选择采用装置生产的纳米气泡曝气；能根据河道在线检测的水深变化智能自动调节曝气机开启及关闭。

超氧纳米气泡特性：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以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；自身增压溶解，促进了臭氧的溶解；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的缺陷，增强了氧化能力。

超氧纳米气泡曝气提升水质利用的是吹脱+电化学沉淀+高级氧化+微生物处理工艺。

由于超氧纳米气泡发生系统减少了容易破裂的大气泡的含量，延长气泡在水体中存留时间，在贡献同样溶解氧量的情况下，能耗相比于微纳米气泡发生装置要低三分之一。

2 研究内容与方法

2.1 研究内容

开启安装于安徽省滁州市天长市杨村河（1#试验点）内的超氧纳米气泡发生装置，以未运行曝气装置的工况为本底对运行曝气装置后的增氧效果及水质提升效果进行对比研究。同时，在模拟杨村河水质的江苏省如皋市鞠庄村中心河的2#及4#试验点根据过流水量比例安装的超氧纳米气泡发生装置，模拟水质进行对比试验。对比1#试验点，在同地区类似温度及天文情况下的王桥河3#试验点，研究出系统运行后水质变化规律。另外，调整1#及4#试验点超氧纳米气泡曝气深度，对比1#及4#试验点对水质提升及底泥有机质含量变化效果。在试验数据对比的基础上研究出超氧纳米气泡发生系统用来进行河道水质提升的最佳应用规律。

2.2 研究布置

在安徽省滁州市天长市的杨村河1#试验点位于天长污水处理厂出水下游大坝外侧处安装5台超氧纳米气泡发生装置；1台45kw，4台15kw；模拟杨村河水质试验场地位于江苏如皋市鞠庄村中心河内，河道利用自然条件分割成两部分，一块作为2#试验点，另一块作为4#试验点，3#试验点位于王桥河；2#、3#、4#均安装4台15kw超氧纳米发生装置。四个试验点均位于排口下游500m左右处。（见图1）

2.3 研究方法

研究中将空气、纯氧及臭氧统称超氧。开启超氧纳米气泡发生装置，1#点2月24日开始臭氧微纳米至2月28日，而后接着采用臭氧纳米曝气至3月28日，每天曝气6小时，气泡释放器位于底泥上1m处；2#点2月24日开始臭氧微纳米曝气至3月28日，每天曝气6小时，气泡释放器位于底泥上1m处；3#点2月24日开始臭氧纳米曝气至3月28日，每天曝气6小时，气泡释放器位于底泥上1m处；4#点2月24日开始臭氧纳米曝气至3月28日，纳米气泡释放器位于底泥上0.5m处，每天曝气6小时。1#点、2#点、3#点及4#点连续曝气一个月。1#点在4月5日开始单独采用45KW超氧纳米气泡发生装置曝气20天；采样检测后开始单独采用4台15KW超氧纳米气泡发生装置曝气20天；2#试验点在4月5日采用4台15KW纳米气泡发生装置曝气20天后，采样检测后采用4台7.5KW纳米气泡发生装置曝气20天；每天曝气6小时，利用水质在线监测系统、取样化验结果及环保在线监测系统数据，分析超氧纳米气泡提升水质的最佳输入方式及应用规律。从检测的水质数据中每隔四天的数据用来分析，每次开机前1小时及曝气6小时后采集。根据试验对应测定的各个污染物指标如COD、TP、NH3-N、DO、有机质含量等进行对比分析，得出研究结论。

3 试验结果与分析

3.1 1#试验点采用臭氧纳米曝气、2#试验点采用臭氧微纳米曝气后水质COD指标的变化规律及分析

如图2所示，2月23口下雨，1#示范点由于杨村污水处理厂出水有部分污水溢流进杨村河，导致杨村河水质污染，从试验结果来看，面对突发污水进河时，采用微纳米气泡曝气对水质提升效果比纳米气泡曝气瞬时效果快；但从整体效果来比较：采用臭氧纳米气泡曝气COD平均去除率为42.41%；与水质类似的2#示范点采用的臭氧微纳米气泡曝气后COD平均去除率为36.01%；电度表显示，单台纳米曝气系统功耗只有微纳米曝气系统的65%；当河道水体水质COD浓度低于30mg·L-1时，采用臭氧纳米曝气能将COD浓度降低至20mg·L-1左右，配合人工湿地等生态系统能确保水质提升至既定目标；而臭氧微纳米曝气在此情况下对水体水质提升至地表Ⅲ类水的效果相对有难度。纳米气泡有着最合适的汽水比，经过试验，在气压为0.4MPa情况下，最佳汽水比为1：9，在水泵流量确定的情况下，气量调节不能调整纳米气泡量；在增加臭氧气压至0.6MPa及0.8MPa情况下，汽水比得到了增加，同体积的气液混合液增加了纳米气泡含量。

试验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继续随水体向工游流动，导致试验后数据不稳定，水质检测数据不能与完全不流动的水体相比较。2#对照点水质不能精确模仿1#点，水体流动及周边环境影响导致数据稍有偏差。

3.2 2#试验点采用臭氧微纳米曝气以及3#试验点采用臭氧纳米曝气前后总磷的变化规律及分析

如图3所示，3#点采用臭氧纳米气泡曝气后，河道水体中磷的平均去除率达到67.5%；2#点采用臭氧微纳米气泡曝气后，河道水体中磷的平均去除率达到57.92%。臭氧纳米气泡曝气增加了水体中溶解氧，同时水体中的磷易被形成含磷络合物，在纳米气泡表面负荷作用下，利用电化学原理絮凝稳定沉降至底泥，从而降低水体中磷的含量，保障河道达到水质目标。河道中处理磷本质上除了水生态中被动植物吸收且出水部分才能被准确称为除磷，其他的手段目的是将磷稳定沉降到底泥，并且尽力降低磷二次释放进水体的可能。实验结果得知，纳米气泡曝气对水体中磷的浓度降低率比微纳米气泡曝气要高，对于磷超标的水体尽量选择臭氧纳米气泡曝气。

3.3 1#试验点采用臭氧纳米曝气、2#试验点采用臭氧微纳米曝气后水质溶解氧指标的变化规律及分析

如图4所示l#与2#试验点开机运行溶解氧变化趋势分析，1#溶解氧浓度平均升高47.53%；2#溶解氧浓度平均升高43.14%；采用臭氧纳米气泡曝气相比臭氧微纳米曝气对溶解氧的提升效率相对较高；随着水质提升，污染物浓度下降到一定程度后，两者溶解氧均趋于平缓，但臭氧纳米气泡明显停留时间长，对水体溶解氧贡献相对微纳米气泡要大；同时，由于减少了大气泡的破裂浪费，所以纳米气泡的能耗在达到同等处理效果的情况下偏低；溶氧效率纳米气泡高于微纳米气泡。

对比类似水质环境的两条河道1#和2#河道，根据水量布置的成比例的纳米曝气机，针对不同水质时段下曝气对水质提升的最佳方式为，当河道遇到污水溢流或面源污染时，采用超氧纳米气泡发生装置生产的臭氧微纳米气泡曝气除污效果要比臭氧微纳米气泡曝气效果快；当水体水质相对较好但又没有达到水质标准的时候，采用臭氧纳米气泡曝气可以有效地提升水质；当水质达标或水体流动性太差时，开启太阳能微孔曝气。

从试验过程中分析，采用纯氧纳米曝气与采用空气纳米曝气，对水体溶解氧提升效果相差不大。

1#与2#试验点开机运行后，短时间内水体溶解氧都达到18mg·L-1的超饱和状态，在水流作用下以及曝气6小时后检测，溶解氧浓度趋于平稳。

3.4 1#采用臭氧纳米曝气、2#试验点采用臭氧微纳米曝气前后氨氮含量的变化趋势及分析

如图5所示，1#试验点由于在大雨后河道排入了大量溢流污水，水质变差，在臭氧纳米气泡曝气条件下，有机物分解，使得短时间内氨氮浓度升高，在天晴没有污水溢流进河道后，氨氮浓度迅速下降，主要是由于在高溶解氧情况下，水体的硝化菌落形成较快，氨氮在水体中较快转为硝态氮；氨氮平均去除率达到54.09%；2#试验点经过超氧微纳米气泡曝气后，与1#同时间曝气情况相对比，氨氮平均去除率达到43.60%，效果纳米气泡比微纳米气泡要好，且由于减少了微孔气泡上升至水面爆破浪费，纳米气泡曝气能耗要低于微纳米气泡曝气。

3.5 1#点单独采用45KW与单独采用4台15KW超氧纳米气泡发生装置曝气、2#点单独采用15KW与单独采用4台7.5KW超氧纳米气泡发生装置曝气后水质COD指标的变化规律及分析

从试验结果得知，1#点单独采用45KW曝气20天后，COD浓度从35mg·L-1下降为19mg·L-1；去除率45.71%；曝气结束后选取水质与上述浓度相当时单独采用4台15KW曝气20天，COD浓度从39mg·L-1下降为29mg·L-1；去除率25.64%。

2#试验点在采用4台15KW纳米气泡发生装置曝氣20天后，COD浓度从38mg·L-1下降为19mg·L-1，去除率50%；曝气结束后选取水质与上述浓度相当时单独采用4台7.5KW曝气20天后，COD浓度从36mg·L-1下降为25mg·L-1；去除率30.56%。

结果分析：超氧纳米气泡从释放器释放出来时压力并不很高；虽然为了提高纳米气泡含量提高了进气压力，但出汽压力还是有限。杨村河的水面宽度50n左右，45KW超氧纳米气泡发生装置沿着设备周边360度方向均有气泡释放器释放超氧纳米气泡，所以沿着河道的水流范围均会有纳米气泡起作用；而4台单机15KW的超氧纳米气泡发生装置由于产汽量相对有限，其配置的纳米气泡只能向水流下游方向释放，如此超氧纳米气泡难以铺满至河道全部断面，如此处理效果与单台45KW比较，效果差了许多。

而2#河道水面宽度在18m左右，从实验结果可知，15KW纳米曝气机对COD去除效率明显高于7.5KW。试验可知7.5KW纳米气泡发生装置适宜的河道水面宽度在10ni左右。

3.6 1#、4#试验点采用臭氧纳米气泡曝气后底泥有机质含量的变化趋势及分析

如图6所示，对于超氧纳米曝气释放器水下深度研究，对比气泡释放器位于河道底泥上0.5m的4#试验点比气泡释放器位于河道底泥上1m的1#试验点，结果显示：1#底泥单位重量有机质去除率达到66.33%，而4#底泥单位重量有机质去除率则达到82.11%。这主要是因为纳米气泡释放导致底泥中有机物被超氧纳米气泡氧化，纳米气泡越接近底泥，对河道底泥有机物的消减作用越大，进而减少了河道底泥向水体中二次释放的污染物。试验表明，当气泡释放器距离河道底泥表面小于0.5米尤其到0.2米左右时，底泥容易在水流速和纳米气泡的作用下被扰动，反而增加了水体的浊度，污染水体水质。

4 结论

采用臭氧微纳米及纳米气泡曝气后水体中COD平均去除率分别为36.01%及42.41%，总磷的平均去除率分别为57.92%及67.5%，氨氮平均去除率分别达到43.60%及54.09%；纳米气泡释放器位于底泥上1m及0.5m处单位重量有机质去除率分别达到66.33%及82.11%；采用空气与纯氧纳米气泡曝气溶解氧增加率相差不大；臭氧纳米气泡曝气结合复合工艺水质提升至地表Ⅳ类水甚至Ⅲ类水的方案可行；采用纳米气泡曝气能耗只有微纳米气泡的65%；当水体中COD浓度高于40mg·L-1时采用臭氧微纳米气泡曝气快速提升水质；当水体中COD浓度低于40mg·L-1时而高于20mg·L-1时，采用臭氧纳米气泡曝气；水面宽度超过20米、小于20米而大于10米、小于10米时宜对应采用45KW、15KW、7.5KW超氧纳米气泡发生系统曝气。