微納米氣泡曝氣技術(shù)在河道治理中的應(yīng)用

  微納米氣泡曝氣技術(shù)是指將微納米氣泡發(fā)生技術(shù)應(yīng)用于水處理中曝氣，是近年來發(fā)展的一種高效環(huán)保水處理技術(shù)。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，如比表面積大、表面帶電荷、水體中存在時(shí)間長、氣液傳質(zhì)率高、界面點(diǎn)位高、能自發(fā)產(chǎn)生自由基等。在水處理中常應(yīng)用于懸浮物的吸附去除、難降解有機(jī)污染物的氧化分解、向水體復(fù)氧促進(jìn)生物活性以及減少底泥內(nèi)源污染等方面。本文探討了微納米氣泡曝氣技術(shù)在河道治理上的應(yīng)用方式及其前景。

  河流是人們最珍貴的自然資源之一，是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分。我國自20世紀(jì)50年代以來，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)水環(huán)境的保護(hù)工作卻重視不足，大量工業(yè)廢水、生活污水以及農(nóng)業(yè)廢水無序肆意排入河流湖泊。由于污染物的累積，河道的生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到嚴(yán)重破壞，削弱了自然系統(tǒng)對(duì)水體的自凈能力。導(dǎo)致河道水體中溶解氧嚴(yán)重不足，水生生物快速降低，水質(zhì)逐步惡化，出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象，且這類現(xiàn)象季節(jié)性及常年性的發(fā)生。河道的黑臭現(xiàn)象不僅影響城市景觀建設(shè)，還會(huì)引發(fā)缺水性危機(jī)，對(duì)居民生活產(chǎn)生惡劣影響，對(duì)人體健康造成威脅。

    近年來，對(duì)黑臭河道的治理愈加重視，一些黑臭成因和分析方法的研究逐步發(fā)展。根據(jù)《“十三五”污水處理及再生建設(shè)》意見，“十三五”期間，全國城市黑臭水體整治規(guī)模達(dá)2032個(gè)，總長度5882.2公里，地級(jí)及以上城市黑臭水體得到整治控源。另外，《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的通知》，到2020年地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體比例均控制在10%以內(nèi)，其他城市力爭(zhēng)大幅度消除重度黑臭水體。

   因此，河道治理任重而道遠(yuǎn)，對(duì)河流進(jìn)行整治的時(shí)候，要詳細(xì)分析河流的污染源、污染物的特征、水文情況等諸多因素，制定合理完整的方案，并且根據(jù)各個(gè)階段所指定的治理任務(wù)，選擇合適有效的方法，除采用常規(guī)的水處理技術(shù)外，還應(yīng)引入系列先進(jìn)水處理技術(shù)，進(jìn)行綜合治理，最終達(dá)到恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)的效果。

   黑臭河道治理與修復(fù)的出發(fā)點(diǎn)是水環(huán)境有機(jī)整體，目標(biāo)定位為控制源頭、凈化水質(zhì)以及恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，總體思路是“截污-減負(fù)-凈化-修復(fù)”。常用的治理及修復(fù)技術(shù)包括：底泥疏浚、化學(xué)絮凝沉淀、人工增氧和生物生態(tài)凈化等。由于黑臭河道污染源復(fù)雜，治理過程通常需要多種治理修復(fù)方式的聯(lián)合使用。

2.1底泥疏浚

該技術(shù)的適用水深一定、大量有機(jī)污染物的類型。底泥疏浚主要通過工程方法將堆積在河床上的污染物質(zhì)（底泥）移除，使河床環(huán)境得到改善。主要達(dá)到的效果是：使懸浮狀態(tài)的重金屬和有機(jī)污染物等最少；對(duì)污染物進(jìn)行徹底清除，避免產(chǎn)生二次污染；在清除底泥的過程中，最大程度上的保護(hù)原生態(tài)，盡量還原河道原本的生態(tài)系統(tǒng)。由于不同的河道受到的污染不一樣，受污染的時(shí)間、程度不同、淤泥的底泥厚度和成分也不相同，且底泥疏浚會(huì)用到很多大型工程機(jī)械，耗時(shí)耗力。因此，在進(jìn)行底泥疏浚前，必須了解疏挖的范圍、規(guī)模、工程量、機(jī)械配置等情況。

2.2化學(xué)絮凝沉淀

由于鐵、錳的膠體及腐殖質(zhì)的膠體混合物的存在，使水體色度與濁度增大，這些混合物體積很小，通過濾料或者重力沉淀的方法很難去除掉?；瘜W(xué)絮凝能夠破壞膠體顆粒的穩(wěn)定性，把膠體凝聚成大的團(tuán)體物質(zhì)，然后將其去除。常用的絮凝劑主要分為無機(jī)、有機(jī)和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合等幾種類型。利用絮凝劑可以快速的使水體中的懸浮物質(zhì)與膠體物質(zhì)得到去除，凈化水質(zhì)。但絮凝作用持續(xù)時(shí)間較短，且費(fèi)用比較昂貴，有些絮凝劑在使用的過程可能會(huì)有生物毒性，造成二次污染。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需根據(jù)水體的性質(zhì)以及特點(diǎn)，嚴(yán)格控制絮凝劑的使用量，根據(jù)實(shí)際水量確定投加絮凝劑的量，才能達(dá)到水體凈化的相應(yīng)效果。

2.3人工增氧

在自然條件下，河流的復(fù)氧速率比較緩慢，尤其是河道的污染情況比較嚴(yán)重時(shí)，有機(jī)物的含量比較高，復(fù)氧速率更低，水體長期處于缺氧或厭氧狀態(tài)。因此需要通過人工增氧的途徑加快復(fù)氧速度，增強(qiáng)水體的自凈能力從而恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

人工增氧在河道治理中作用主要表現(xiàn)為：加速水體復(fù)氧的過程，增強(qiáng)了水體中好氧微生物的活性；好氧菌分解水體的有機(jī)物，減少水體的黑臭；提高水體紊動(dòng)性，便于氧氣的擴(kuò)散、傳遞以及液體的混合；使底泥釋放磷的速率降低。

根據(jù)河道的水質(zhì)改善指標(biāo)、水力條件、水體功能、污染源特征的不同，人工增氧采用的增氧設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示：

2.4生物生態(tài)凈化

水生植物及微生物對(duì)于黑臭河道的水質(zhì)凈化具有極其重要的作用。水生植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，一方面可以滿足自身呼吸作用的需要，另一方面還可向水體供氧，且隨光合作用增強(qiáng)，水體溶解氧量增加；根部能夠吸收溶解態(tài)的含N/P的物質(zhì)，使顆粒污染物的截留-吸附-沉降作用加速；同時(shí)，微生物可以附著在根系，綜合利用不同生長類型的水生植物，對(duì)水質(zhì)起到凈化作用。

生物生態(tài)凈化主要分為以下幾種方法：

（一）人工濕地：一種綜合性水質(zhì)凈化技術(shù)；

（二）生物浮島：控制水生植物的生長范圍由浮床的浮力所承載，也是利用各物種間的共生關(guān)系，充分的利用空間和營養(yǎng)物質(zhì)，最終達(dá)到凈化水質(zhì)的效果；（三）微生物法：主要包含生物膜法、固化微生物法、生物床、生物濾池等，主要利用微生物對(duì)水體進(jìn)行凈化。

氣泡的性質(zhì)因氣泡大小、表面特征和氣泡壽命不同而具有差異，依據(jù)氣泡大小作為分類標(biāo)準(zhǔn)，將氣泡直徑在數(shù)百nm～10μm之間的泡沫稱為微納米氣泡。微納米氣泡具有一些特殊的物理化學(xué)性質(zhì)：比表面積大，具有超常的氣體溶解能力，極大促進(jìn)氣液之間的反應(yīng)速度；上升速度慢，在水中具有較長的滯留時(shí)間；表面帶有負(fù)電荷，對(duì)水中微小粒子具有增強(qiáng)吸附的作用；自身增壓溶解，激發(fā)大量的自由基，可以發(fā)揮出強(qiáng)大的氧化性和殺菌性；微納米氣泡具有極高的氣泡密度與橫向的擴(kuò)散性；具有顯著的生理活性。由于這些特殊的理化性質(zhì)，使得微納米氣泡具有廣泛的應(yīng)用。

微納米氣泡曝氣技術(shù)與傳統(tǒng)的曝氣技術(shù)相比較有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（一）氣泡直徑小，氣液傳質(zhì)的比表面積大、效率高；

（二）氣泡上升速度慢，水中停留時(shí)間長，有利于增加水中溶解氧的濃度；（三）微納米曝氣可實(shí)現(xiàn)底泥的削減。

微納米曝氣技術(shù)在黑臭河道治理中改善水質(zhì)的作用包括：

（1）污水中懸浮物的吸附去除，由于微納米氣泡表面帶電荷且ζ電位高，對(duì)污水中的油類以及懸浮物就有優(yōu)越的吸附效果，對(duì)于COD、氨氮及TP也具有較好的去除效果，從而減少水中有機(jī)質(zhì)，使水體透明度明顯提高，改善水色。

（2）促進(jìn)生物凈化功能，向污染的缺氧水域中進(jìn)行微納米氣泡曝氣時(shí)，隨著氣泡內(nèi)溶解氧的消耗不斷向水中補(bǔ)充活性氧，可增強(qiáng)水中好氧微生物、浮游生物以及水生動(dòng)物的生物活性，加速其對(duì)水體及底泥中污染物的生物降解過程，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。

（3）難降解有機(jī)污染物的強(qiáng)化分解，微納米氣泡破裂時(shí)能釋放出的大量的羥基自由基，具有氧化性，可分解很多有機(jī)污染物，為了促使微氣泡在水中能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，常采用其它強(qiáng)氧化手段進(jìn)行協(xié)同作用，如紫外線、純氧以及臭氧等強(qiáng)氧化手段，以更好地發(fā)揮對(duì)廢水中有機(jī)污染物的氧化分解作用。

（4）減少底泥內(nèi)源污染，微納米氣泡曝氣使得河湖底質(zhì)表層含氧量增加，好氧微生物代謝活動(dòng)趨強(qiáng)，有效抑制湖底厭氧菌的有機(jī)質(zhì)分解過程，減少水底氮、磷營養(yǎng)鹽的釋放量，阻斷內(nèi)源污染。

4.1微納米氣泡快速發(fā)生裝置

微納米氣泡快速發(fā)生裝置把氣體（如空氣，氧氣臭氧等）用高速旋回切割方式溶入水中，快速、高效地制取微納米氣泡水，迅速提高水體的溶解氧。產(chǎn)生的微納米氣泡粒徑在100納米到10微米之間。該裝置采用PLC控制，并預(yù)留以太網(wǎng)接口可納入物聯(lián)網(wǎng)管理，操作簡(jiǎn)便，節(jié)省人工；設(shè)備預(yù)留外氣源接口，實(shí)現(xiàn)氣源多樣化，氣源管路耐腐蝕。

微納米氣泡快速發(fā)生裝置用于水質(zhì)改善，主要是利用微納米氣泡的高效增氧、促進(jìn)生物活性、改善水體流動(dòng)條件的特性，防止厭氧環(huán)境產(chǎn)生惡臭，與配套的綠植生物浮島技術(shù)，改善富營養(yǎng)化水體的物質(zhì)循環(huán)，達(dá)到水質(zhì)凈化和整體水域生態(tài)修復(fù)的目的。運(yùn)行一段時(shí)間后，可以明顯看出水質(zhì)得到一定的凈化改善。溶解氧最高達(dá)5.2mg/L。微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然條件下和普通氣泡處理過的水體的自凈能力。該設(shè)備可自動(dòng)運(yùn)營，操作管理方便；運(yùn)行費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4.2微納米增氧曝氣協(xié)同生物凈化河道治理系統(tǒng)

微納米增氧曝氣協(xié)同生物凈化河道治理系統(tǒng)，包括預(yù)處理模塊、微納米曝氣增氧模塊、固化微生物模塊、水生植物凈化模塊、在線監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程控制模塊。

可實(shí)現(xiàn)黑臭河的增氧、NP、COD和異味的去除、河道原位修復(fù)和系統(tǒng)的自動(dòng)化控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控，核心技術(shù)采用微納米曝氣技術(shù)，氧傳遞系數(shù)為1.1754/min，普通曝氣的氧傳遞系數(shù)為0.7535/min，其效率約為普通增氧設(shè)備的2倍，停留時(shí)間是普通增氧設(shè)備的10倍，大大的提高了氧利用率；在水體內(nèi)部布置了密集的固化微生物載體，便于微生物的附著和繁殖，大大的提高了生物凈化效率；植物凈化模塊，發(fā)揮生物生態(tài)凈化協(xié)同作用；采用自動(dòng)化控制，便于管理，節(jié)省勞動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.3水環(huán)境綜合治理船

水環(huán)境綜合治理船，包括船體，垃圾收集系統(tǒng)，垃圾輸送系統(tǒng)，微納米曝氣系統(tǒng)，藥劑添加系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)等。能高效收集河道垃圾，并通過微納米曝氣裝置配合化學(xué)藥劑及微生物菌劑對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行全方位的治理，可以使黑臭河道變清，可以殺菌滅藻，有效改良河道流域面貌。而且僅需一人在駕駛室操作，即可完成聚攏、收集、濾水、輸送、存儲(chǔ)、卸載、航行、曝氣、加藥等工作，具有強(qiáng)大的垃圾打撈功能兼有水質(zhì)凈化功能，對(duì)各種漂浮垃圾均能順利打撈，對(duì)各種水質(zhì)的河道均能有效治理。該船對(duì)保障河道航運(yùn)安全、美化城市水域景觀、保護(hù)水源地、凈化水質(zhì)都具有重要意義[7]。

微納米氣泡曝氣技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種高效水處理技術(shù)，與普通曝氣技術(shù)相比，微納米氣泡曝氣技術(shù)產(chǎn)生的氣泡直徑小，具有更大的比表面積、更高的傳氧效率和更長的停留時(shí)間。微納米氣泡曝氣技術(shù)能夠在水體中快速大量的產(chǎn)生微納米氣泡，用于河道治理和修復(fù)中時(shí)通過吸附去除懸浮物、氧化分解難降解有機(jī)污染物、向水體復(fù)氧促進(jìn)生物活性以及減少底泥內(nèi)源污染等作用，改善水質(zhì)和水體生態(tài)環(huán)境，從而快速消除水體黑臭現(xiàn)象。

為了達(dá)到更好的治理效果，在實(shí)際的治理和修復(fù)實(shí)施中，微納米氣泡曝氣技術(shù)通常與多種治理方法相結(jié)合，比如底泥疏浚、化學(xué)絮凝沉淀、人工增氧和生物生態(tài)凈化等。將微納米氣泡快速發(fā)生裝置與自動(dòng)化控制、微生物凈化以及水生植物凈化等集成，開發(fā)微納米增氧曝氣協(xié)同生物凈化河道治理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的凈化治理效果。將微納米氣泡發(fā)生裝置集成于水環(huán)境綜合治理船中，能夠在大水域范圍實(shí)現(xiàn)更多功能的修復(fù)和治理。

來源：環(huán)保項(xiàng)目工程技術(shù)中心

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