微纳米曝气技术在水环境治理方面的应用

江 浩，吴 涛

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

1 引言

中国是个水资源严重短缺的国家，水环境问题极为突出。为了满足人类社会可持续发展的需要和实现人与自然的和谐发展，受污染水体修复的研究和实践成为当前热点问题。目前，对于日益严重的河湖污染问题，水体曝气作为一种投资少、见效快的河湖污染治理技术被广泛采用。

目前，我国通常采用的曝气设备，难以产生微纳米级的细小气泡，溶氧率低、能耗高。而微纳米气泡发生装置能够生产直径在50 μm和数十纳米（nm）之间的微小气泡，可快速地溶解于水体中，溶氧效率大大提高。该技术作为一种新型水体曝气技术，在水环境治理中的市场前景极为广阔。

2 微纳米曝气技术简介

微纳米气泡发生装置主要由发生装置、微纳米曝气头及连接管件组成。通过水泵加压，由曝气头内部的曝气石高速旋转，在离心作用下，使其内部形成负压区，空气通过进气口进入负压区，在容器内部分成周边液体带和中心气体带，由高速旋转的气石出气部将空气均匀切割成直径5～30 μm的微纳米气泡。由于气泡细小，不受空气在水中溶解度的影响，不受温度、压力等外部条件限制，可以在污水中长时间停留，具有良好的气浮效果。

2.1 微纳米曝气技术特性分析

水体中氧的传递是利用空气和污水中氧气的浓度梯度，使氧气由高密度的空气向低密度的污水中转移，因此氧气浓度梯度和接触面积决定了曝气效果。在氧气浓度梯度不变的条件下，空气与水体接触面积是决定曝气效果好坏的关键因素。

微纳米气泡技术有效解决了气泡在水体中的接触面积问题，其原因是由于微纳米气泡的表面积能有效增大，如0.1 cm的大气泡分散成100 nm微气泡，其表面积可增大10 000倍，因此可以大大提高溶氧效率。同时，由于气泡的细小且具有良好的气浮性，可以在污水中长时间停留，从而能够达到实现较好曝气效果的目的。

由于微纳米气泡发生装置工作原理及所产生的气泡大小与常规曝气装置有很大的不同，因此该装置产生的微纳米气泡具有以下独有特点。

（1）电离现象：气体在水中的溶解度受气压影响较大，但电解质的离子化水可以让溶入的微纳米气泡表面形成双层电离子，并随着表面积的不断减少而急剧收缩，可以让气泡内的气体散逸得以抑制，从而大大提高了溶解度。

（2）超声波性：微纳米气泡由于高能破裂而产生超声波，这种超声波具有较强的杀菌作用。

（3）带电性：微纳米气泡表面带有负电荷，所以气泡间很难合为一体，在水体中能产生非常浓密而细腻的气泡，不会像常规气泡一样会融合增大而破裂。通常微纳米气泡的表面电位为-30～-50 mV，可以吸附水体中带正电的物质。利用表面电荷对水体微粒的吸附性，可以把水体中的有机悬浮物固定而分离。因此，该技术在提高溶解氧的同时，也具有一定的水质净化效果。

（4）滞留性：微纳米气泡在水体中上升速度非常缓慢，似香烟雾在水中弥漫，如10 μm的气泡以100 μm/ s的速度上升、在水体中上升1 m需花3 h的时间，所以微纳米气泡会在水中逗留很长时间。该特性也是其具有高度溶解效率的核心所在。这种滞留性的产生除与气泡微小浮力减少有关外，更重要是由它的电性所致。如果采用极板进行观察，随着电极的转换，可以看到小气泡的极性运动和Z字形缓慢上升的现象。

2.2 微纳米曝气改善水质的主要作用

溶解氧是水体净化的重要因素之一。溶解氧高，有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解缓慢。微纳米曝气技术对改善水质的作用主要有以下几个方面。

（1）消除有机物污染和黑臭：由于微纳米气泡具有很强的滞留性，能够提供更加充足的氧气，在丰富好氧微生物的条件下，有机物污染指标COD和BOD明显下降，黑臭现象消失。同时，水体底部的有机物降解所产生的甲烷、硫化氢等有毒和有害气体被去除。

（2）减少水体营养盐含量：由于微纳米气泡具有很强的气浮性、滞留性和扩散性，其上升作用弱，水体充氧后可有效抑制湖底厌氧菌的有机质分解过程，减少水底氮、磷营养盐的释放量。

（3）消除藻类水华：微纳米曝气具有较强的复氧功能，可提高水生动物的生存环境，从而抑制藻类的生长。

（4）改善水色及透明度：被污染水体中的多种无机和有机悬浮物、活的浮游植物及死亡的残骸、大型水生植物碎屑、分解的有机体碎屑等是影响水色和透明度的主要物质。微纳米曝气能够更加有效地促进水生生物的生长，从而减少了水中有机质，使水体透明度明显提高，改善水色。

（5）减少底泥内源污染：微纳米曝气增氧后，河湖底质表层含氧量增加，好氧微生物活动趋强，通过微生物的代谢过程促进底泥有机污染物的降解，逐步形成无机化底质覆盖层，阻断内源污染。

3 微纳米曝气试验研究

3.1 试验目的

通过微纳米曝气技术的现场试验，对水体溶解氧含量、持续时间、节能以及对水质处理效果等方面进行分析，对该项技术进行安全性、有效性及经济性的综合评价，为今后治理河湖水体的水环境工程建设提供技术参数。

3.2 试验地点

微纳米曝气装置安装在天津市 “城市水环境改善与水源保护示范工程研究”项目示范基地的进水池内，水源为外环河，为后续水处理工程的运行提供充足氧源。

3.3 试验方法

采用微纳米曝气装置和射流曝气装置，通过工程的运行和监测，进行曝气效果的对比分析。

3.4 水质监测指标

2008年5月正式运行，同时进行连续的水质监测，主要监测指标为溶解氧（DO）、水温、气温等。

3.5 试验成果分析

（1）与常规曝气效果的比较分析。微纳米曝气前、后溶解氧的变化与射流曝气前、后溶解氧的变化对比状况，如图1所示。

通过上述两种曝气技术的应用，从水体中溶解氧的监测结果中可以看出，采用纳米曝气技术曝气后溶解氧总体平均值为9.88 mg/L，而射流曝气溶解氧总体平均值为6.37 mg/L，前者曝气效果总体高于后者的35.5%。纳米曝气后，水体中溶解氧最高值达到18.85 mg/L，主要原因是产生的大量微纳米级的气泡悬浮于水体中，随着水体一起运动，形成超饱和状态。而常规射流曝气难以产生微小气泡，大量气泡在水体中迅速上升，到达水面后消失，不能形成超饱和状态，溶氧效果较低。

（2）微纳米曝气运行效果分析：微纳米曝气系统自2008年10月运行开始监测，每周1次，测试时间截至2009年8月，主要监测曝气前、后溶解氧（DO）的变化。曝气前、后溶解氧相对关系曲线，如图2所示。

通过近一年的水质监测，分析如下：①曝气设备运行期间，水体水质改善显著，曝气后的DO平均值为9.16 mg/L，平均比曝气前的DO值增加了4.73 mg/L左右。总体来说，曝气设备运行稳定，曝气效果较好，满足后续水处理工程的需要。②将曝气前和曝气后的DO值相比较，二者变化趋势一致，曝气后的DO值随水源DO值的变化而变化，说明曝气系统运行非常稳定。③水源水质不稳定，个别时段也出现了水源水质极端恶化的现象。随着曝气设备的正常运行，源水DO为0.72～0.78 mg/L的情况下，曝气后DO值为5.41和4.81 mg/L，说明经过曝气，水中溶解氧有了很大的提高，满足后续水处理工程的需要。

总之，水体经曝气后溶解氧增加，为耗氧生物提供了充足的氧，同时还可以促进水体的流动，改变了水体的自然状态，使水体的层流得以交换，有利于保护水质，所以水体会得到明显改善。

4 结论

微纳米气泡发生装置产生的微小气泡在被污染水体中，具有很强的除杂质、除色、除臭、不堵塞、阻止藻类与细菌增生的特点。该装置在水体增氧效果好的同时，还可有效地净化水质，具有很强的实用性。

微纳米气泡发生装置是一项新兴技术，应用范围广泛，与传统的曝气装置比较，在形成气泡的浓度、均匀性及节能耗电方面具有明显优势，属于国内空白、世界领先的新一代高效节能环保技术，具有巨大的发展潜力。

[1]郭迎庆.城市景观水体的污染控制和修复技术[J].环境科学与技术，2005（S1）：26.

[2]张永吉.厌氧预处理对曝气耗氧量的削减作用和机理[J].给水排水，1994（4）：7-9.