环保角度分析河道治理问题——以微气泡曝气机为例

郦智明，陈永山，郦苏浩

1.浙江永立环保股份有限公司；2.浙江创盛环保科技有限公司；3.浙江永立环保股份有限公司

一、研究应用背景

随着我国经济的快速发展，很多河流受到污染，城市河流不仅提供水源、交通航运、防洪排涝等，还可以调节气候，由于其易污染、水环境容量小、水体自净能力差等特点，很容易成为居民生活污水、雨水及垃圾的受纳体，从而导致河流黑臭，黑臭的城市河流已严重影响了居民生活质量、城市形象和生态环境。早在五六十年代，国外很多发达国家就开始考虑如何解决河道污染，但至今河道污染的治理仍是一大难题。

“黑臭”问题是由水体的有机物产生厌氧分解而出现的一种化学现象。有机物所含有的死亡菌体具有蛋白质与其他物质所耗氧分解生成了丰富的碳，致使厌氧微生物大量繁殖，这也是河道问题难于根治的原因之一。很多国家优先釆用河道曝气技术治理河流污染，目前主要使用传统高能耗的机械曝气设备来提高水体的溶解氧浓度，但这些传统曝气方式难以适应改善水环境的需求，而且能耗高、气泡大、在水中停留时间短、曝气后水中溶解氧含量不高、动力效率比较低，同时安装麻烦、投资成本高。因此，开发结构创新、性能优越、适用范围广泛、低能耗、高动力效率的新型河道专用曝气设备，具有巨大的市场前景。我们现已成功研发了一体式结构的微气泡曝气机河道治理专用设备并实际应用，其中ZL201720254969.0《微气泡扩散及发生装置》、ZL201821717110.X《自清洗微纳米气泡释放器》取得国家知识产权局的专利证书，与传统设备相比，它结构简单，集两相流曝气机主机、压力罐、气泡雾化器等等于一体，不需配备压力溶气罐、循环泵等附属设备，减少了设备占地面积，节省投资，使用管理方便，适用范围广，更重要的是高效节能，产生的气泡直径≤20μm（微米），并且能大面积释放气含率高、气泡停留时间长的微纳米气泡,直接对水中污染物发挥氧化降解作用。

二、微气泡曝气机详细技术内容

（一）总体思路

1.河道曝气技术治理河流污染的原理分析

河道曝气充氧净化是通过曝气装置往水体中充入纯氧或空气的方法，以此来提高水体中溶解氧的比例，加快好氧菌繁殖，增强河流的自身净化水平，降低藻类植物以及厌氧菌在水体中的繁殖，达到去除河流黑臭的效果。其主要原理是：充入到水体中的溶解氧和污染物质之间在曝气下发生的氧化还原反应,消除有机物污染和黑臭，减少水体营养的盐含量，消除水华现象，改善水色及透明度，消除底泥内源污染。特别是曝气技术反应速率较快，原因在于污染物质的耗氧量亦是化学耗氧量的一部分，消除该部分物质的同时也减少了水体的化学耗氧量。河道的充氧使河道表层厌氧状态的松散底泥转化为较密实的好氧状态的表层底泥，减慢深层底泥中的污染物向上复水体的扩张。

2.设计思路

空气中氧的转移是曝气系统技术的重点，曝气系统通过产生的气泡将气体扩散至液体中的方式转移氧到缺氧水体中。国内外研究表明：微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间，微气泡曝气中氧的总体积传质系数明显高于传统气泡曝气，所以气泡直径越小，溶氧性越强，其优点在于：

（1）微气泡体小，密度大，压力高，气泡表面张力大，表面张力大于气泡的浮力，因此，气泡在水中停留时长；（2）微气泡能量非常高，包括高速动能、电离能、气泡暴烈的爆破能，以及带电粒子形成的电场能量等，这种能量足以直接打破有机物分子化学键，促成有机物分解；（3）使用高能氧微气泡，可以迅速使水体达到氧饱和，甚至过饱和的溶解氧状态，使水质具有超强活性，直接对水中污染物发挥氧化降解作用。

然而，微气泡不是微孔曝气产生的气泡，微气泡是由较大气泡(0.5mm以上粒径)经过高压液体循环(液体内部高压压缩而成)产生的具有高能量的微小气泡，必须是粒径在0.5nm（纳米）—50μm（微米）之间的气泡数量占全部气泡比例的90%以上。但目前世界上用于曝气的设备能产生的气泡99%大于80μm（微米），而能够产生直径在50μm（微米）和数十纳米之间的微纳米气泡的曝气系统(或装置、设备等)，国内尚属空白。

3.研究攻关的重点

（1）在结构上采用一体。即集两相流曝气机主机、压力罐、气泡雾化器等于一体，力求结构简单，不需配备压力溶气罐、循环泵等附属设备，减少设备占地面积，节省投资，使用管理方便，适用范围广。

（2）在性能上达到高效节能，产生的气泡直径≤20μm，且能大面积释放气含率高和气泡停留时间长的微纳气泡,直接对水中污染物发挥氧化降解作用。

（二）技术方案

河道专用微气泡曝气机,是由两相流曝气机主机、压力罐、气泡雾化器等组成，并构成一个整体(如图所示1)，主要用于河道、湖泊的曝气充氧，也可用于水产养殖业。其工作原理是：采用气液两相流理论进行水力设计的曝气机主机的水力部件运转时会自动吸入一定比例的空气和水，在曝气机主机内首先形成气水混合液，然后输送到压力罐内，在压力罐内高压的作用下，利用高压紊流状态下的溶气技术和溶气装置，形成大量过饱和高压溶气水，再由气泡雾化器进行雾化释放，形成含有大量微气泡的优质溶气水，通过管道将这些含有大量微气泡的溶气水输送到被处理的河道底部，达到河道曝气充氧的目的。由于气泡雾化器出来的微气泡直径很小（气泡直径≤20μm），因此很不易破碎，在水中可以停留较长时间，可以随水流漂到较远的地方，被气泡接触到的污水都获得了溶解氧，而且由于溶气水中的空气气泡直径很小，比表面积大，氧的利用率很高，处理效果很好。

图1 产品整体结构

新产品的创新点：

（1）采用两相流理论进行水力设计的曝气机主机，其主要水力部件——离心式叶轮不但可以自动吸入一定比例的气体和液体，而且还可进行气液的混合输送，打破了传统的离心叶轮不能进行气液混送的理论界限，与传统的旋涡式水力部件相比，相同功率可以大幅度提高溶气水量，即充入氧量。

（2）采用一体式结构，不需要使用辅助高压水泵、空压机、外置压力溶气罐等装置。具有结构紧凑、体积小、安装方便、噪声低、性能可靠、运行经济等优点。

（3）曝气机压力罐内可预先设定气、水吸入量分配比例，并设有高压紊流溶气装置，一开机就可直接形成优质超饱和溶气水，产生的微气泡直径≤20μm，且具有释放气量多、无须人工监控、调试操作简单、运行稳定可靠等优点。同时由于气泡直径小，不易破碎，在河道中可以随水流漂到很远的地方，具有服务范围广的优点，非常适用于河道、湖泊等水体面积较大的场合。

（4）两相流曝气机主机动力采用自主设计的专用潜水电机，电机与泵头同轴，电机安装于压力罐内，泵头部分安装于压力罐外，潜水电机实际采用的是分离式干式安装方法，泵头和电机分别由机械密封和油封进行密封；泵头部分的机械密封即使损坏，液体直接流到外面而不会进入到电机腔内损坏电机，不仅结构紧凑，而且具有机械损耗低，过载能力强，安全可靠，能进行连续运行等特点。

（5）气泡雾化器采用抗堵塞一体式结构设计，能将气泡雾化成微小的特细气泡，具有释放效率高、扩散面积大、接触污水效果好、吸附性强等优点，雾化器直接安装在压力罐出口处，结构紧凑，排堵非常方便，能大面积释放气含率高和气泡停留时间长的微纳气泡。

三、与当前国内外同类技术的比较

目前国内外一般采用鼓风曝气和机械曝气两种形式，机械曝气又分为推流式曝气器、射流曝气设备和轮式增氧机三种形式。（见表1）

表1 各类河道曝气充氧设备的特点和适用范围表