超氧納米氣泡對河道水質(zhì)提升效果研究

張曉雷，熊 壯，甘雁飛，張建國

（中交上海航道局有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著人們對生活環(huán)境的重視，河道污染治理情況越來越成為公眾關(guān)注的焦點，各級政府也充分認識到加強城區(qū)河道污染治理工作的緊迫性，積極采取有效措施，加大城市水環(huán)境的治理力度。經(jīng)過多年的截污、清淤、活水等治污工程的實施，水環(huán)境已得到較大改善；但由于存在截污難以徹底、雨期污水溢流、河道運營維護措施不完善、河道水質(zhì)提升及維護時采用的工藝套用環(huán)境工程中活性污泥法等問題，實際上較多河道可生化性不強且無法營造出適應(yīng)好氧菌、厭氧菌及缺氧菌等微生物的生存環(huán)境，也無法解決底泥中因活性污泥的使用與攪動水體底泥帶來向水體中釋放物的問題。僵硬照搬環(huán)境工程手段根本達不到消減水體中污染物的目的。現(xiàn)實中許多河道經(jīng)過治理或維護后，河道中污染物濃度消減量非常有限。另有些河道盲目增氧，在底部布設(shè)曝氣管擾動底泥，但表曝效率較低，使得許多曝氣設(shè)備成了面子工程，結(jié)果導(dǎo)致較多河道水質(zhì)不達標，甚至發(fā)生返黑臭現(xiàn)象。為了使湖泊達到地表水III 類以上標準，需對進湖河道水質(zhì)進行提升，針對日常水質(zhì)尚可但未達到相關(guān)水質(zhì)標準要求的河道需結(jié)合多種工藝。臭氧對河道水質(zhì)指標有一定的改善作用[1]。目前，市場上河道治理及維護大多使用空氣曝氣，極少采用純氧曝氣，這對雨期有污水溢流或面源污染等問題的河道治理效果有限。臭氧是水處理常用的氧化劑之一，由于其具有氧化性強、反應(yīng)速度快和無二次污染等優(yōu)點，使得臭氧在污水深度處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。但近年來，由于傳統(tǒng)曝氣方式下臭氧的傳質(zhì)效率和氧化效率較低，運行成本較高且其對有機物的氧化具有選擇性，無法分解一些難降解有機物等，限制了該技術(shù)在水處理領(lǐng)域的進一步推廣應(yīng)用[3]。因此，使得復(fù)合氧化技術(shù)尤其是納米氣泡復(fù)合臭氧在河道水質(zhì)提升方面的應(yīng)用前景更加廣泛[4]。

微孔曝氣是一種高效曝氣技術(shù)。早在1915 年，英國發(fā)明了第一個多孔盤曝氣裝置，于20 世紀30～40 年代逐漸流行。20 世紀70 年代能源危機后，微孔曝氣技術(shù)因其通氣量大、充氧能力強、節(jié)約能耗的特點，再次受到關(guān)注。美國Ridgewood 污水處理廠將大孔曝氣器改裝成微孔曝氣器，可將氧利用率提高50%，能耗降低約28%。與大、中氣泡的曝氣系統(tǒng)相比，微孔曝氣系統(tǒng)可節(jié)約能耗約50%，但微孔曝氣的氧利用率僅小于20%～30%，且能耗較高。微納米氣泡具有停留時間長、傳質(zhì)效率高、產(chǎn)生羥基自由基等優(yōu)勢，可強化臭氧傳質(zhì)效率和氧化效率，提升臭氧對難降解有機物的去除效果[5]。微納米氣泡通常是指直徑在50 μm 以下的氣泡，其中直徑小于1μm 且大于1 nm的超微小氣泡則被稱為納米氣泡（nano bubble）[6]。目前，使用微納米氣泡曝氣的污水處理廠大多因為能耗太高，經(jīng)常不開機運行，導(dǎo)致設(shè)備使用效率不高，水質(zhì)維護效果得不到保障。因此，對增強DO 濃度、降低污染物濃度、在保證水質(zhì)達標基礎(chǔ)上降低能耗、提升效能、水質(zhì)維護時間長的智能曝氣方式進行研究有著極其重要意義。

1 背景

1.1 綜合整治工程概況

安徽省滁州市天長高郵湖水環(huán)境綜合整治工程PPP 項目建設(shè)目的是確保銅龍河、楊村河、王橋河3條河流域Ⅲ類水水質(zhì)達標。該項目主要通過削減外源污染和去除部分內(nèi)源污染來提升河道水質(zhì)，工程措施存在以下問題：截污納管無法徹底實現(xiàn)雨、污分流，雨季部分污水仍會入河污染；新建尾水濕地只能將污水處理廠尾水提升至Ⅳ類標準；河道清淤和生態(tài)河道建設(shè)對水質(zhì)提升效果有限。

對此，該項目目前主要采用超氧納米氣泡曝氣技術(shù)對銅龍河、楊村河、王橋河有旁支流入的雨水口下游部分河段進行強化處理，提升水質(zhì)。超氧納米氣泡曝氣技術(shù)不僅可用于該項目，也可在其他類似小流域污染治理項目上推廣使用。同時在示范研究的基礎(chǔ)上還可進一步完善已有技術(shù)，逐步形成技術(shù)導(dǎo)則，開發(fā)出新產(chǎn)品，提升其應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。

1.2 超氧

臭氧又稱三氧、超氧，因具有較強的氧化能力，在降解水體中有機物方面效果良好。

1.3 納米氣泡的特性

1.3.1 停留時間長

因納米氣泡直徑較小，故在水中受到的浮力要比其它直徑較大的氣泡受到的浮力小[7]。所以，其在水中比其他氣泡上浮速度慢，停留時間也較長。試驗證明，納米氣泡在水體中停留時間長約280 s。

1.3.2 氣液傳質(zhì)效率高

氣體的傳質(zhì)效率由液體中氣體體積和直徑共同決定[8]。當氣泡收縮到一定程度時，氣泡里壓力將接近無窮大，直徑為20 nm 氣泡內(nèi)部的超壓為14.5 MPa[9]，從而使納米氣泡溶解于水或在水面處破裂消失[10]。以上過程中，水中氣體溶解率將達到飽和，實現(xiàn)了氣、液傳質(zhì)且效率較高。

1.3.3 產(chǎn)生羥基自由基

納米氣泡破裂時，氣、液界面的消失使得界面上高濃度正、負離子積蓄的能量被釋放，從而產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基氧化能力極強，可降解正常情況下難以分解的污染物。

1.4 超氧納米氣泡特性

①臭氧在水中溶解度高（其溶解度是氧氣的10倍）且分解速率快，但實際使用過程中，遵守亨利定律，臭氧溶解度與體系中分壓和總壓成比例。臭氧在空氣中的含量及分壓極低，迫使水中臭氧從水和空氣界面上溢出；②臭氧穩(wěn)定性差，在水中易分解成氧氣，降低了其氧化能力[11-12]。而臭氧與納米氣泡結(jié)合后，具備納米氣泡所有優(yōu)勢特性，減少了大氣泡及微孔氣泡含量，增加了效能比；③由于納米氣泡破裂時間比其他類型氣泡長，所以降低了因氣泡上浮至水面后揮發(fā)出水面的臭氧氣量，提升了臭氧使用率；④納米氣泡停留時間長對水體水質(zhì)維護效果相較于其他氣泡好；⑤界面電位高，增強了氣泡吸附能力，表面電荷對水體微粒的吸附性可將水體中有機懸浮物固定并分離，通過對漂浮于水面污物的收集，實現(xiàn)固、液分離，使水質(zhì)得以改善[13]；⑥自身增壓溶解，有效提高了傳質(zhì)系數(shù)，從而促進了臭氧的溶解，增加溶解性臭氧濃度；⑦氣泡直徑小，延長了臭氧氣泡停留時間；產(chǎn)生的羥基自由基克服了臭氧大氣泡曝氣的難分解有機物缺陷，增強了氧化能力。

1.5 超氧納米發(fā)生系統(tǒng)

根據(jù)微納米氣泡產(chǎn)生的不同機制可將納米氣泡產(chǎn)生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、點解法、化學(xué)法等。超聲空化法、點解法、化學(xué)法主要用于所需氣泡的數(shù)量較少、尺寸精度要求高的領(lǐng)域，分散空氣法和溶氣釋氣法常用在水處理方面。本工程項目為提升水質(zhì)專門設(shè)計發(fā)明了超氧納米氣泡水質(zhì)提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種高效的氣、液混合曝氣裝置，系統(tǒng)工藝流程及具體裝置分別見圖1 和圖2。由圖1 可以看出，該裝置以加壓溶氣、減壓釋氣的方法為主線，在溶氣泵或水泵上根據(jù)最佳汽、水比進氣和水后進行混合，汽、水混合物進入溶氣罐，相較與微納米氣泡發(fā)生裝置，納米氣泡發(fā)生裝置優(yōu)化了工藝結(jié)構(gòu)，增加了溶氣罐內(nèi)機械切割及高空化數(shù)釋放器內(nèi)的切割氣泡裝置；調(diào)整進氣氣壓及汽、水比，減少微孔氣泡含量，增加納米氣泡在氣泡中百分比含量。根據(jù)實際水質(zhì)調(diào)節(jié)氣量，保證系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境水質(zhì)狀況調(diào)整納米氣泡形式，可結(jié)合純氧、臭氧或空氣，該裝置可根據(jù)水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)自動智能調(diào)節(jié)曝氣方式，選擇微納米或納米氣泡、太陽能微孔對水體進行曝氣，也可根據(jù)河道在線檢測的水深變化智能調(diào)節(jié)曝氣深度。

圖1 超氧納米氣泡水質(zhì)提升系統(tǒng)工藝流程

圖2 王橋河中運行的超氧納米氣泡曝氣裝置

2 試驗過程

在天長市高郵湖進湖干流、支流銅龍河、楊村河、王橋河上布置21 套超氧納米氣泡發(fā)生裝置，利用臭氧分別對試驗區(qū)進行納米氣泡曝氣。2023 年2月24 日開始曝氣，試驗工作1 個月，每天曝氣6 h，根據(jù)系統(tǒng)配置的水質(zhì)在線檢測結(jié)果及取樣檢測的水質(zhì)化驗結(jié)果進行比較分析，每隔4 d 在每次開機前及曝氣6 h 后各采集一次水質(zhì)數(shù)據(jù)。對運行曝氣裝置后的水質(zhì)提升效果以未運行曝氣裝置的工況為本底進行對比，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超氧納米氣泡對河道水質(zhì)提升的可行性，尤其對于常態(tài)時水質(zhì)相對較好，但未達到地表水Ⅲ類水指標的河道處理效果；針對常規(guī)可能發(fā)生的污水進河導(dǎo)致水質(zhì)變差的突發(fā)情況，超氧納米氣泡技術(shù)對于河道水質(zhì)保障可性。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 楊村河水質(zhì)提升效果

楊村河試驗點的地理位置處于楊村河中段，2月28 日前，大暴雨使得天長污水處理廠出水超量，污水溢流進入楊村河，導(dǎo)致水體中的各項污染指標瞬時升高且持續(xù)幾天COD 質(zhì)量濃度高峰時達到60 mg/L；暴雨后DO 質(zhì)量濃度在開機前為1.9 mg/L。采用5 臺超氧納米氣泡曝氣運行一個月，水質(zhì)指標變化規(guī)律見圖3。

圖3 楊村河曝氣后水質(zhì)指標變化規(guī)律

由圖3 可以看出，開機前、后COD 指標總體變化趨勢一致，隨著時間推移呈下降趨勢，COD 平均去除率為43.96%（對于非黑臭水體該去除率較高）；在每次開機前受上游來水的水質(zhì)影響及示范試驗點前天采用超氧納米曝氣的綜合影響，檢測出COD 濃度整體呈下降趨勢，出水中COD 質(zhì)量濃度為19 mg/L，DO 質(zhì)量濃度升至7 mg/L，平均增幅達82.58%。后期待人工濕地運行，可滿足項目水質(zhì)需求。

3.2 銅龍河水質(zhì)提升效果

銅龍河采用超氧納米氣泡曝氣后COD，NH3-N，TP 指標的變化趨勢見圖4。

圖4 銅龍河曝氣后水質(zhì)指標變化規(guī)律

由于天長市銅城鎮(zhèn)截污不徹底，導(dǎo)致農(nóng)村合流水進入銅龍河道，該河道同樣面臨下雨污水進河、污染指標升高的情況，但經(jīng)過超氧納米起泡發(fā)生系統(tǒng)開啟后，水質(zhì)明顯提升。由圖4 可以看出，COD，NH3-N，TP 在開機前、后質(zhì)量濃度分別為39 和19，4.04 和0.8，0.46 和0.13 mg/L，平均去除率分別為44.72%，56.56%和55.48%，滿足銅龍河水質(zhì)穩(wěn)定達標要求。由于該河的排水功能，使得其水流動性較好，超氧納米曝氣后經(jīng)過夜晚排水，水質(zhì)指標對于第二天的影響較小，受上游來水的影響較大。

3.3 王橋河水質(zhì)提升效果

王橋河使用超氧納米氣泡裝置曝氣后水質(zhì)指標變化規(guī)律見圖5。

圖5 王橋河曝氣后水質(zhì)指標變化規(guī)律

由圖5 可以看出，王橋河采用超氧納米氣泡曝氣后，水質(zhì)明顯提升，COD，NH3-N，TP 指標的變化趨勢一致，均隨時間推移呈下降趨勢。

王橋河主要面臨一些面源污染，另支流口有污水處理泵站的出水口，故河道水質(zhì)僅受泵站出水影響，但相比于另2 條河道，王橋河水質(zhì)相對較好且較穩(wěn)定。目前，有較多類似河道的水質(zhì)已擺脫黑臭，但如需提升水質(zhì)難度很大。王橋河試驗可知，使用超氧納米氣泡曝氣裝置曝氣對水體的充氧能力比較強，它可在短時間內(nèi)對水體迅速充氧，在前30 min 內(nèi)DO 質(zhì)量濃度由2 mg/L 升至約5.5 mg/L，在100 min時DO 質(zhì)量濃度達到最大值（11.86 mg/L），水體中DO 濃度達到超飽和狀態(tài)，由于納米氣泡羥基自由基的作用，在超氧納米氣泡曝氣狀態(tài)下，水體中DO 濃度可處于超飽和狀態(tài)，再繼續(xù)曝氣趨于平緩。曝氣6 h 后停止曝氣，直至次日上午9:00 開機曝氣前，DO 濃度逐漸降低，但由于納米氣泡在水中停留時間較長，氧轉(zhuǎn)移能力也較強，所以水體可保持一個較高的DO 濃度。雨后因污水廠污水溢流直排進入河道，導(dǎo)致DO 檢測濃度趨于降低，天晴后，無污水入河，水體中DO 濃度又快速升高，直至DO 濃度飽和甚至超飽和。由于試驗在線檢測數(shù)據(jù)距離較遠，水體流速極低，導(dǎo)致檢測結(jié)果并非極精確，但整體趨勢值得參考。

4 結(jié)論

在高郵湖水環(huán)境綜合整治工程PPP 項目3 條河道采用超氧納米氣泡曝氣，并對其曝氣效果進行試驗研究，得出以下結(jié)論。

（1）超氧納米起泡可有效用于常態(tài)水質(zhì)較好的河道水質(zhì)提升或維護，同時，面對暴雨等突發(fā)狀況，超氧納米氣泡又可快速處理進入河道的污水，迅速提升河道水質(zhì)。

（2）超氧納米起泡可快速提高并維持水體中DO濃度；有效降低水體中COD，NH3-N，TP 及底泥中有機質(zhì)等污染物濃度；試驗河道的水質(zhì)參數(shù)COD，NH3-N，TP 的削減率分別為45%，60%，55%，且電耗為超氧微納米氣泡的65%；在人工濕地投入運營及配合其他物理截留措施，超氧納米氣泡技術(shù)可保障高郵湖支流河道達到III 類水標準。

（3）超氧納米起泡曝氣對河道水質(zhì)的提升效果受污水溢流、水流速度、溫度、pH 值、風(fēng)速等環(huán)境影響較為顯著，存在系統(tǒng)控制性風(fēng)險，需結(jié)合懸浮物物理清除、人工濕地等水質(zhì)提升方法系統(tǒng)應(yīng)用。另需完善截污系統(tǒng)。

（4）超氧納米氣泡技術(shù)具有推廣使用價值。

未來針對不同氣源及曝氣種類選擇情況下，可對超氧納米氣泡曝氣系統(tǒng)進行進一步最佳輸氣方式及應(yīng)用規(guī)律的研究，以在保障河道水質(zhì)達標情況下降低能耗，完善超氧納米氣泡曝氣系統(tǒng)硬件及控制軟件，為其他河湖水質(zhì)提升提供產(chǎn)品及技術(shù)借鑒。