微纳米气泡曝气对泵站放江污染的治理效果研究

虞英杰

(昆山市水利水务工程质量与安全监督站，江苏 昆山 213300)

0 引 言

泵站放江污染是指在降水条件下，雨水和径流冲刷城市地面，使溶解的或固体污染物从非特定的地点汇入受纳水体，引起的水体污染[1-3]。城市暴雨径流中包含有大量的污染物，使得其初期径流产生的污染负荷远高于水体自净能力，导致水体溶解氧急剧消耗，加上泵站放江冲刷水体底部，使得底泥上翻，形成水体黑臭现象。目前，由面源引起的水环境污染已成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一[3]。

研究表明，通过对河道进行曝气，不仅可以提高河道中溶解氧浓度，还可以提升河道中微生物活性，形成以兼性微生物为主的底泥环境，从而抑制底泥中氮磷等营养物质的释放，降低水体中有机污染物浓度，改善水体黑臭环境[4-5]。近些年，微气泡(microbubbles，MBs，指直径大于10 μm小于100 μm的气泡)以及纳米气泡(nanobubbles，NBs，指直径小于1 μm的气泡)由于其独特的性质，逐渐运用于水处理领域[6-7]。相较于普通大气泡，微纳米气泡具有以下优点：①在液体中停留时间更长、内压更大；②表面带电(可以用ζ电位表示)，可以影响水体中的无机物、有机物以及生物质等与微纳米气泡之间的相互作用，如结合作用、化学反应以及排斥作用等；③传质效率高；④破裂时可产生自由基等。

为研究微纳米气泡曝气对泵站放江引起的河道污染的影响，本研究以某工程中一段受泵站放江影响的河道为例，探究泵站放江前后以及引入微纳米气泡曝气前后，河道中各项常规指标的变化情况，并提出泵站放江污染控制的关键因素。

1 材料与方法

1.1 样点设置

本研究地点为某工程中受泵站放江污染的一段河道，试验监测范围为1 km，其中试验区长度为600 m；分别在试验区上游200 m和下游200 m设置监测点，在试验区终点附近抽水，进行微纳米气泡曝气过程，并在试验区起点释放含氧河水。整个试验流程及取样点设置见图1。

图1 微纳米气泡治理黑臭河道试验方案

图1中，黑臭河道试验段水流方向由西向东，在试验河道末端，采用潜水泵将污染河水提升至设备间，进入微纳米气泡曝气装置进行气液混合，形成含氧河水投入到试验段前端。微纳米气泡曝气装置中采用现场制备的纯氧进行曝气。

1.2 样品采集及分析

本试验共设置5个样品采集点，采样点位分布见图1。其中，采集点1设置在控制断面上游200 m，测定数据可作为背景值；采集点2-4均匀敷设在控制断面600 m范围内，沿水流方向；采集点5设置在控制断面下游200 m。本试验样品采集时间段包括：①泵站放江前，测定数据可作为河道水质对照值；②泵站放江后，分析泵站放江对河道水环境质量的影响；③泵站放江前曝气；④泵站放江后曝气，考查微纳米气泡曝气对泵站放江污染的控制效果。分别测定不同时段样品的DO、COD、NH3-N和TP等指标。

1.3 测定方法

1.3.1 水质测定

本试验河道水质参数按照《水和废水监测分析方法》(第4版)相关要求测定。

1.3.2 微纳米气泡性质测定

为研究微纳米气泡发生装置在不同泵压条件下产生气泡的平均直径、直径分布以及气泡数量等信息，本研究采用日本HORIBA科学仪器事业部生产的LA-960激光散射粒度分布分析仪，对微纳米气泡性质进行测试。LA-960激光散射粒度分布分析仪采用米氏散射理论，其量程为0.01～5 000 μm，准确度在±0.6%以内，采用双固体光源——LD(650 nm，5 mW)和LED(405 nm，3 mW)配置，87个对数交叉排布的检测器，从而实现最高的分辨率。LA-960的数据采样速度可达5 000次/s，可在1 min内实现加液、调整光轴、空白、加样、除气泡、检测。本文测定微纳米气泡粒度实验过程中，为保证气泡粒度不受影响，LA-960测定过程中搅拌速率为零。实验过程中，每个条件下气泡粒度测定过程最少重复3次。

2 试验结果

2.1 微纳米气泡曝气装置运行条件确定

2.1.1 曝气压力

首先对不同泵压下水中微气泡的直径和浓度进行表征，结果分别见图2、图3。

图2 不同曝气压力下产生的气泡直径

图3 不同曝气压力下产生的含气泡水透光率

由图2可知，不同曝气压力条件(0.1～0.4 MPa)下产生的微气泡平均直径均在50 μm以下，泵压为0.1和0.2 MPa时的微气泡平均直径较大，分别为41.75和39.17 μm；泵压为0.3和0.4 MPa时产生的微气泡平均直径较小，分别为27.18和23.96 μm。

由图3可知，随着微纳米气泡发生装置曝气压力的增大，产生的含微气泡水的透光率逐渐降低，而透光率在一定程度上表征了水中微气泡的数量，微气泡数量越多，溶液透光率越低，说明曝气压力越大，产生的微气泡越多。综合上述，微纳米气泡发生装置曝气压力越大，产生的气泡直径越小，数量越多。

2.1.2 平衡DO浓度

在曝气压力为0.4 MPa时，分别采用纯氧和空气作为微纳米气泡曝气装置的气源进行曝气，并测定连续10 min内水中DO浓度，结果见图4。

由图4可知，纯氧曝气时，水中溶解氧的平衡浓度为22 mg/L左右，高于以空气作为气源时水中的溶解氧浓度(15 mg/L左右)，但均远高于常温状态下水中的饱和溶解氧浓度(8.25 mg/L)，说明微纳米气泡曝气可以显著提升水中溶解氧浓度，来缓解受污染河道因溶解氧不足引发的黑臭现象。

图4 采用不同气源进行微纳米气泡曝气时的平衡DO浓度

综上所述，微纳米气泡曝气可以有效提升水体溶解氧浓度，曝气压力越大，产生的微气泡数量越多，直径越小。同时，以纯氧作为气源时，对溶解氧的提升作用更为明显。因此，本研究的试验条件为：曝气压力为0.4 MPa，气源为纯氧(现场制备)。

2.2 微纳米气泡曝气对黑臭河道水质恢复效果

本节试验分别测定放江前后以及微纳米曝气前后，试验段河道的水质变化情况，分析泵站放江及微纳米气泡曝气对河道水质的影响情况。

2.2.1 不同时段河道DO浓度

试验过程中，各监测点溶解氧在不同试验阶段的变化趋势见图5。

图5 不同时段河道溶解氧随位置变化

由图5可知，在泵站放江前，河道溶解氧浓度基本维持在4 mg/L以上，高于地表水V类标准值。同时，引入微纳米气泡曝气会极大地提高河道溶解氧浓度，能有效提升河道的抗冲击负荷。泵站放江后，随着污染物涌入，河道溶解氧迅速被消耗，试验段溶解氧浓度基本处于V类水体临界值，2号-5号采样点溶解氧浓度均低于2 mg/L；引入微纳米气泡曝气后，河道溶解氧得到明显提升，特别在2号采样点(含氧河水释放点)，溶解氧浓度达到6.13 mg/L，随后沿水流方向逐渐下降，但均高于3.44 mg/L。上述结果表明，微纳米气泡曝气技术对于由泵站放江引起的河道溶解氧下降现象有很好的缓解作用。

2.2.2 不同时段河道COD含量

试验过程中，各监测点COD在不同试验阶段的变化趋势见图6。

图6 不同时段河道COD含量随位置变化

由图6可知，泵站放江前，试验段5个监测点位的COD含量均明显低于地表水V类水标准，最高COD含量仅为34.38 mg/L。泵站放江后，试验段河道COD含量均超过40 mg/L，高于地表水V类水标准；引入微纳米气泡曝气后，各监测点COD含量出现明显下降，COD含量均低于地表水V类水标准。并且，沿水流方向，COD浓度不断减小，说明微纳米气泡曝气工艺的引入，可以有效提升河道溶解氧水平，快速降解由于泵站放江引入的有机污染物，恢复河道水质。

2.2.3 不同时段河道NH3-N含量

试验过程中，各监测点NH3-N浓度在不同试验阶段的变化趋势见图7。

图7 不同时段河道NH3-N浓度随位置变化

由图7可知，泵站放江前，试验段5个监测点位的NH3-N浓度均明显低于地表水V类水标准(<2 mg/L)，最高NH3-N浓度仅为0.75 mg/L。泵站放江后，试验段河道NH3-N浓度均超过2 mg/L(2.00～2.18 mg/L)，高于地表水V类水标准；引入微纳米气泡曝气后，各监测点NH3-N浓度出现明显下降，NH3-N浓度为0.64～1.89 mg/L，均低于地表水V类水标准。并且沿水流方向，NH3-N浓度不断减小，说明微纳米气泡曝气工艺的引入，可以快速削减由于泵站放江引入NH3-N超标，恢复河道水质。

2.2.4 不同时段河道TP含量

试验过程中，各监测点TP浓度在不同试验阶段的变化趋势见图8。

图8 不同时段河道TP浓度随位置变化

由图8可知，泵站放江前，试验段5个监测点位的TP浓度均明显低于地表水V类水标准(<0.4 mg/L)，最高TP浓度仅为0.32 mg/L。泵站放江后，试验段河道TP浓度均超过0.4 mg/L(0.69～0.78 mg/L)，高于地表水V类水标准；引入微纳米气泡曝气后，各监测点TP浓度出现明显下降，TP浓度为0.31～0.65 mg/L，并且沿水流方向，NH3-N浓度不断减小。1号、2号采样点TP浓度分别为0.65和0.50 mg/L，高于地表水V类标准，3号-5号采样点浓度低于0.38 mg/L，低于地表水V类标准，说明微纳米气泡曝气工艺的引入，可以有效削减由于泵站放江引入TP超标，恢复河道水质。

综上所述，泵站放江会极大地影响河道水质，导致溶解氧、COD、NH3-N和TP等指标出现不同程度的超标，致使河道水质呈劣V类。微纳米气泡曝气技术是一种有效的黑臭河道治理技术，它可以通过向河道中补充溶解氧，实现污染物的快速削减，恢复河道水质，减少泵站放江对河道及其周围环境带来的不利影响。

3 结论与展望

本文主要探究了泵站放江对河道水质的影响，并引入微纳米气泡曝气过程，探究微纳米气泡曝气对泵站放江污染的控制效果，主要研究结果如下：

1)泵站放江会导致水体各项指标超过地表水V类标准，引起黑臭。

2)微纳米气泡曝气可以对受污染河道进行快速充氧，实现污染物的快速削减，恢复河道水质，减少泵站放江带来的不利影响。

造成泵站放江污染的原因复杂多样，仅通过“先污染，后治理”的手段难以真正解决泵站放江造成的水环境污染问题。因此河道水环境的保护，不仅需要开发新技术、新装备来进行有效的治理，还需要从源头做起，加强排水系统的管理建设，从根本上控制泵站放江污染。