微納米氣泡曝氣技術在河道治理中的應用

  微納米氣泡曝氣技術是指將微納米氣泡發生技術應用于水處理中曝氣，是近年來發展的一種高效環保水處理技術。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有獨特的物理化學特性，如比表面積大、表面帶電荷、水體中存在時間長、氣液傳質率高、界面點位高、能自發產生自由基等。在水處理中常應用于懸浮物的吸附去除、難降解有機污染物的氧化分解、向水體復氧促進生物活性以及減少底泥內源污染等方面。本文探討了微納米氣泡曝氣技術在河道治理上的應用方式及其前景。

  河流是人們最珍貴的自然資源之一，是生態環境系統的重要組成部分。我國自20世紀50年代以來，隨著工業化進程的不斷發展和城鎮規模不斷擴大，對水環境的保護工作卻重視不足，大量工業廢水、生活污水以及農業廢水無序肆意排入河流湖泊。由于污染物的累積，河道的生態系統平衡遭到嚴重破壞，削弱了自然系統對水體的自凈能力。導致河道水體中溶解氧嚴重不足，水生生物快速降低，水質逐步惡化，出現發黑發臭的現象，且這類現象季節性及常年性的發生。河道的黑臭現象不僅影響城市景觀建設，還會引發缺水性危機，對居民生活產生惡劣影響，對人體健康造成威脅。

    近年來，對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展。根據《“十三五”污水處理及再生建設》意見，“十三五”期間，全國城市黑臭水體整治規模達2032個，總長度5882.2公里，地級及以上城市黑臭水體得到整治控源。另外，《“十三五”生態環境保護規劃的通知》，到2020年地級及以上城市建成區黑臭水體比例均控制在10%以內，其他城市力爭大幅度消除重度黑臭水體。

   因此，河道治理任重而道遠，對河流進行整治的時候，要詳細分析河流的污染源、污染物的特征、水文情況等諸多因素，制定合理完整的方案，并且根據各個階段所指定的治理任務，選擇合適有效的方法，除采用常規的水處理技術外，還應引入系列先進水處理技術，進行綜合治理，最終達到恢復河道生態系統的效果。

   黑臭河道治理與修復的出發點是水環境有機整體，目標定位為控制源頭、凈化水質以及恢復水生態系統，總體思路是“截污-減負-凈化-修復”。常用的治理及修復技術包括：底泥疏浚、化學絮凝沉淀、人工增氧和生物生態凈化等。由于黑臭河道污染源復雜，治理過程通常需要多種治理修復方式的聯合使用。

2.1底泥疏浚

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

2.2化學絮凝沉淀

由于鐵、錳的膠體及腐殖質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。化學絮凝能夠破壞膠體顆粒的穩定性，把膠體凝聚成大的團體物質，然后將其去除。常用的絮凝劑主要分為無機、有機和有機-無機復合等幾種類型。利用絮凝劑可以快速的使水體中的懸浮物質與膠體物質得到去除，凈化水質。但絮凝作用持續時間較短，且費用比較昂貴，有些絮凝劑在使用的過程可能會有生物毒性，造成二次污染。在實際應用過程中，需根據水體的性質以及特點，嚴格控制絮凝劑的使用量，根據實際水量確定投加絮凝劑的量，才能達到水體凈化的相應效果。

2.3人工增氧

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

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

根據河道的水質改善指標、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備及其優缺點如下表所示：

2.4生物生態凈化

水生植物及微生物對于黑臭河道的水質凈化具有極其重要的作用。水生植物通過光合作用產生氧氣，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，水體溶解氧量增加；根部能夠吸收溶解態的含N/P的物質，使顆粒污染物的截留-吸附-沉降作用加速；同時，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，對水質起到凈化作用。

生物生態凈化主要分為以下幾種方法：

（一）人工濕地：一種綜合性水質凈化技術；

（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系，充分的利用空間和營養物質，最終達到凈化水質的效果；（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，主要利用微生物對水體進行凈化。

氣泡的性質因氣泡大小、表面特征和氣泡壽命不同而具有差異，依據氣泡大小作為分類標準，將氣泡直徑在數百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性質：比表面積大，具有超常的氣體溶解能力，極大促進氣液之間的反應速度；上升速度慢，在水中具有較長的滯留時間；表面帶有負電荷，對水中微小粒子具有增強吸附的作用；自身增壓溶解，激發大量的自由基，可以發揮出強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散性；具有顯著的生理活性。由于這些特殊的理化性質，使得微納米氣泡具有廣泛的應用。

微納米氣泡曝氣技術與傳統的曝氣技術相比較有三個優勢：

（一）氣泡直徑小，氣液傳質的比表面積大、效率高；

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

微納米曝氣技術在黑臭河道治理中改善水質的作用包括：

（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，對污水中的油類以及懸浮物就有優越的吸附效果，對于COD、氨氮及TP也具有較好的去除效果，從而減少水中有機質，使水體透明度明顯提高，改善水色。

（2）促進生物凈化功能，向污染的缺氧水域中進行微納米氣泡曝氣時，隨著氣泡內溶解氧的消耗不斷向水中補充活性氧，可增強水中好氧微生物、浮游生物以及水生動物的生物活性，加速其對水體及底泥中污染物的生物降解過程，實現水質凈化目的。

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

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

4.1微納米氣泡快速發生裝置

微納米氣泡快速發生裝置把氣體（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，并預留以太網接口可納入物聯網管理，操作簡便，節省人工；設備預留外氣源接口，實現氣源多樣化，氣源管路耐腐蝕。

微納米氣泡快速發生裝置用于水質改善，主要是利用微納米氣泡的高效增氧、促進生物活性、改善水體流動條件的特性，防止厭氧環境產生惡臭，與配套的綠植生物浮島技術，改善富營養化水體的物質循環，達到水質凈化和整體水域生態修復的目的。運行一段時間后，可以明顯看出水質得到一定的凈化改善。溶解氧最高達5.2mg/L。微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠遠高于自然條件下和普通氣泡處理過的水體的自凈能力。該設備可自動運營，操作管理方便；運行費用較低，經濟效益明顯。

4.2微納米增氧曝氣協同生物凈化河道治理系統

微納米增氧曝氣協同生物凈化河道治理系統，包括預處理模塊、微納米曝氣增氧模塊、固化微生物模塊、水生植物凈化模塊、在線監測模塊、數據分析和遠程控制模塊。

可實現黑臭河的增氧、NP、COD和異味的去除、河道原位修復和系統的自動化控制及遠程監控，核心技術采用微納米曝氣技術，氧傳遞系數為1.1754/min，普通曝氣的氧傳遞系數為0.7535/min，其效率約為普通增氧設備的2倍，停留時間是普通增氧設備的10倍，大大的提高了氧利用率；在水體內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，發揮生物生態凈化協同作用；采用自動化控制，便于管理，節省勞動力，能夠實現遠程監控。

4.3水環境綜合治理船

水環境綜合治理船，包括船體，垃圾收集系統，垃圾輸送系統，微納米曝氣系統，藥劑添加系統，動力系統等。能高效收集河道垃圾，并通過微納米曝氣裝置配合化學藥劑及微生物菌劑對河道水質進行全方位的治理，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、卸載、航行、曝氣、加藥等工作，具有強大的垃圾打撈功能兼有水質凈化功能，對各種漂浮垃圾均能順利打撈，對各種水質的河道均能有效治理。該船對保障河道航運安全、美化城市水域景觀、保護水源地、凈化水質都具有重要意義[7]。

微納米氣泡曝氣技術是近年來出現的一種高效水處理技術，與普通曝氣技術相比，微納米氣泡曝氣技術產生的氣泡直徑小，具有更大的比表面積、更高的傳氧效率和更長的停留時間。微納米氣泡曝氣技術能夠在水體中快速大量的產生微納米氣泡，用于河道治理和修復中時通過吸附去除懸浮物、氧化分解難降解有機污染物、向水體復氧促進生物活性以及減少底泥內源污染等作用，改善水質和水體生態環境，從而快速消除水體黑臭現象。

為了達到更好的治理效果，在實際的治理和修復實施中，微納米氣泡曝氣技術通常與多種治理方法相結合，比如底泥疏浚、化學絮凝沉淀、人工增氧和生物生態凈化等。將微納米氣泡快速發生裝置與自動化控制、微生物凈化以及水生植物凈化等集成，開發微納米增氧曝氣協同生物凈化河道治理系統能夠實現較好的凈化治理效果。將微納米氣泡發生裝置集成于水環境綜合治理船中，能夠在大水域范圍實現更多功能的修復和治理。

來源：環保項目工程技術中心

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