摘要：采用国产微米气泡发生装置，对比研究了微米气泡曝气与普通曝气对黑臭河水的处理效果。监测的出水水质指标包括土臭素[Geosmin(蔡烷醇类)]和2一甲基异莰醇[2-MIB(冰片烷醇类)]，以及CODcr 、NH3－N，TP，色度和浊度。结果表明，在相同的曝气强度下，微米气泡曝气技术可产生更高的溶解氧(DO)浓度，60min时水体的DO浓度达到9.87mg/L，而普通曝气在100min时才达到6.54mg/L。在试验期问，微米气泡曝气在60～80min内就能达到或非常接近其对污染物最高的处理效率，而普通曝气要在80min后才能达到。另外，微米气泡曝气对CODcr、NH3一N，Geosmin和2-MIB的最大去除率分别比普通曝气高12％ ，10％ ，16％和12％ 。而由于气体的搅动，在曝气前期2种曝气方式下色度和浊度均有升高，6O～80 min后才低于初始水平。

关键词：微米气泡；曝气；黑臭水体；容解氧

随着我国农村城市化与城市工业化的加速，以及环保措施的滞后，导致大量污染物排人河流，由于河流水温和pH的变化、生物分解、河水流动的扰动等作用形成了季节性或终年性的河水黑臭现象。严重破坏了周围的自然景观，造成重大经济损失，甚至危害周围居民的健康 。臭味的来源是有机物腐败，有机物分解为氨氮、腐殖质、硫化氢和硫醇等多种发臭物质，还会向水体大量释放出如土臭素[Geosmin(蔡烷醇类)]和2－甲基异莰醇[2－MIB(冰片烷醇类)]这样致臭的异味物质。报道指出，我国城市黑臭河越来越多，黑臭化越来越严重，已成为我国城市水环境中普遍存在的问题之一，河流黑臭污染的治理已迫在眉睫。

对于黑臭河水的治理，最常应用的技术有底泥清淤、生态修复和河道曝气复氧，但是前2种所需的工程费用较高，并且处理效果不够稳定。20世纪六七十年代以来，河道曝气技术作为一种投资少、见效快、无二次污染的河流污染治理技术，在很多国家被优先采用 J。研究发现，对黑臭河流曝气会使溶解氧显著提高。而充氧设备的不断改进也成为人们关注的焦点，微米气泡曝气作为新一代的高效节能环保技术，与普通曝气技术相比，其产生的气泡直径小(一般直径小于50μm)，具有更大的表面积、更高的传氧速率、更长的停留时间，并且由于巨大的内部压力使其能沉降到水底直接氧化底泥中的污染物质，改善厌氧环境。对于微米气泡曝气技术在环保领域的研究还刚刚起步，因此有必要对其曝气效果、处理效率、机理等方面进行全面深入的研究。

1 设备和方法

1．1 设备

微米气泡发生器由北京本洲纳米科技有限公司生产，气泡直径为5—30μm (占气泡总体积的95％～98％)；普通曝气装置所产生的气泡直径为0.5～1.0mm。主要分析设备有哈希DRS000紫外可见分光光度计，岛津UV－1700紫外可见分光光度计，安捷伦6890/5973气相色谱－质谱联用仪，YSIDO200便携式溶解氧仪，Thermo orion 3-Star pH计等。

1．2 试验设计

为了比较微米气泡曝气技术和普通曝气技术对黑臭水体的处理效果，试验装置共分为2组，分别用微米气泡发生装置和普通鼓风曝气机连接微孔曝气头作为普通曝气装置进行曝气，另设1组无曝气作为对照组。曝气反应器由有机玻璃制成，有效容积4OL，高50cm。试验用黑臭水样采自北京市立水西桥下小清河中，试验开始前利用虹吸法向反应器内注入2OL黑臭河道原水作为试验水体。微米气泡发生装置以及普通曝气装置的进气量均设置为0.2L/min。设置曝气时间共100min，分别在第0，20，40，60，80和100分钟取水样进行分析。以上试验均重复进行3次，以尽量减小误差。

Romano在1963年指出，表征水体黑臭的指示物质是由放线菌在有机污染物存在下所产生的土臭素[Geosmin(蔡烷醇类)]和2－甲基异莰醇[2一MIB(冰片烷醇类)]，因而土臭素的含量可以定量描述水体黑臭的程度。水体中高含量的CODcr，NH3－N和TP是产生土臭素的主要水质因素。因此选取具有代表性的2种异味化合物——土臭素(Geosmin)和2－甲基异莰醇(2一MIB)作为试验的研究对象，同时检测了CODcr,NH3-N以及磷含量随时间的变化。

1．3 水质分析方法

对于2种异味化合物— —土臭素(Geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)浓度的测定，采用顶空固相微萃取法，使用活性炭分子筛-聚二甲基硅氧烷涂层纤维(75μm，Carboxen／PDMS)对其进行萃取。样品的分析使用安捷伦6890/973气相色谱一质谱联用仪，色谱柱选用DB-WAX弹性石英毛细管柱(30m×0.25 mm，0.25μm)。载气为高纯氦气，进样口温度230℃ ，无分流进样，GC炉温采用程序升温，其升温程序为60℃保持2min，以8℃/min升温至240℃，保持5min。用SCAN扫描模式确定每个标样的特征峰和保留时间，样品分析时用SIM扫描模式，根据特征峰和保留时间进行定性分析，根据基峰面积进行定量分析。用于2-甲基异莰醇、土臭素的定量基峰m/z分别是95和l12 。

其他水质指标及分析方法见表1。

2 结果与分析

2．1 对DO浓度的影响

从图1可以看出，微米气泡曝气方式对水体的充氧能力明显好于普通曝气方式和无曝气方式。微米气泡曝气可以在短时间内迅速充氧，水体中的溶解氧在前60min内不断增加，60min时水体DO浓度达到9.87mg/L，是初始值的4.6倍，此时达到最大。而普通曝气方式的最大充氧能力仅为6.54mg/L，是初始值的3倍。这是因为微米气泡直径小，气泡上升速度较普通气泡慢，因此在水中停留时间长，其氧转移能力更强。

2．2 对CODcr的去除效果

水体CODcr，随曝气时间的变化如图2所示。从图2可以看出，微米气泡曝气方式对水体CODcr的降解效率高于普通曝气方式。在水体DO浓度得到较大提升后，水体环境得到了改善，经过其中一些微生物的作用，黑臭水体中的有机物得以降解，CODcr也不断下降。在100min的曝气时间段内，微米气泡曝气在前60min时CODcr下降显著，由开始的74.58mg/L降至45.43mg/L，去除率为39.1％，60min后CODcr没有显著变化；普通曝气在80min时CODcr所达到的最大去除率为28.7％，对照组的最大去除率仅为13％ 。

2．3 对NH3-N的去除效果

黑臭水体中的NH3-N浓度变化如图3所示。2种曝气方式在前20 min内对NH3-N的降解效率基本持平；但随着反应的进行，微米气泡曝气技术的优势逐渐显现，水体NH3-N浓度下降明显，微米气泡曝气60min时NH3-N去除率达到40.3％ ，之后基本保持不变；而普通曝气技术对NH3-N的去除率到试验结束时(100min)仍明显低于微米气泡曝气。

2．4 对TP的去除效果

如图4所示，2种曝气方式对TP的总去除率不是很高，但微米气泡曝气方式优于普通曝气方式，而对照组水体TP浓度基本没有减少。微米气泡曝气方式在前20min对TP的去除率为21.4％ ，与普通曝气方式(为11.8％)相比有一定的优势。但总体去除率较低，TP浓度仍然在0.7 mg/L以上。相对于普通曝气方式，微米气泡曝气对TP的去除率要高约10％，这可能是由于其充氧能力更强，有利于一些微生物对磷酸盐的吸收。

2．5 对异昧物质的去除效果

水中异味物质土臭素(Geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)浓度随曝气时间变化如图5，图6所示。Geosmin和2-MIB是2种典型的异昧物质，多为底栖和浮游蓝藻、真菌或放线菌的代谢物。在黑臭水体中，2-MIB和Geosmin的产生源主要为厌氧状态下的放线菌 J。当水体经过曝气后，厌氧菌因DO浓度提高而受到抑制或毒害，从而释放出胞内的异味物质，因此在前20min内，水体中异味物质浓度的降幅较小。而随着不断对水体进行曝气充氧，有效提高了水体的DO浓度，为这2种有机物的降解提供了有利的条件。    

从图5，图6可以看出，微米气泡曝气对Geosmin的去除在60min时达到最大值，Geosmin浓度由开始的22.43 ng/L降至l2.44 ng／L，去除率为43.5％；对2-MIB的去除在100min时达最大，其浓度从18.42ng/L降至l3.48ng/L，此时去除率为26.8％。由于2-MIB是难降解有机物，因此其去除率相对于Geosmin要低。普通曝气方式对2种异味物质的去除率最高为27.0％和15.8％,明显低于微米气泡曝气方式。

2．6 对色度和浊度的去除

不同曝气时间下水体色度和浊度的变化如图7，图8所示。在曝气初期，水体色度和浊度都有一定的上升，这是由于气泡对水体的强烈扰动所致。取回的原水明显呈黑褐色，里面的成分较为复杂，但随着曝气的进行，水体中有机物等不断得到降解，一些悬浮物也随之絮凝，水体的色度和浊度均有所降低，但总体降低程度不明显。从图7，图8可以看出，开始时微米气泡曝气方式比普通曝气方式对水体扰动更大，但60～80min时，由于微米气泡曝气充氧效果更好，因此对水体色度和浊度的处理效果相对更佳。  

2．7 最大去除率的比较

根据试验结果可知，与普通曝气方式相比，微米气泡曝气方式可以使DO浓度增加2～3 mg/L。由于微米气泡非常好的充氧能力，使得水样中DO浓度得到了较大幅度的提升，因此在水样CODcr,NH3-N，TP，异味物质，色度和浊度的去除效果上相对于普通曝气方式有明显的优势(图9)。其中，CODcr和2-MIB的最大去除率均提高了12％ ，NH3-N提高了10％ ，Geosmin提高了16％，且水体的色度和浊度也有一定程度的改善。另外，微米气泡发生装置在60或80min的曝气时间内对黑臭水体的CODcr,TN，NH3-N和Geosmin的去除率达到或接近峰值，此后各自的浓度变化不大。

3 讨论

微米气泡曝气方式与普通曝气相比，对DO浓度的提高、污染物的去除以及去除时间上都有明显的优势。这一结果也在近期其他水处理研究中有所报道，例如，陈致泰等应用纯氧．微米气泡曝气处理甲醇废水，发现与普通活性污泥工艺相比，效率可提高20％ ～40％ ，建设投资可节省30％左右，处理每m 污水可节电25％ 。另外，Liu等应用微米气泡处理印染废水，发现与普通曝气相比，微米气泡能显著降低絮凝剂的用量，并且处理效率明显提高，CODcr,色度，油脂的去除率分别提高了30％ ，110％和40％ 。微米气泡曝气所产的气泡还能有效提高污泥处理系统中的悬浮污泥的比率，增加与氧气或臭氧的接触时间，从而获得更高的处理效率，Chu等的研究表明，微米气泡曝气与臭氧联合，在80min的反应时间内，所产生的臭氧气泡对污染物的去除率能达到99％。

研究认为，微米气泡在水中较长的停留时间是该技术在水处理中获得明显优势的主要原因之一，Liu等指出，较长的停留时间导致了更高的氧传递速率，微纳米气泡的氧传递系数为1.1754min－1，而普通曝气的氧传递系数为0.7535min－1。另外，微米气泡曝气还改变了水体污染物的可生物降解性，可比普通曝气提高20％ ，从而利于污染物被微生物分解，进一步提高去除效率 。微米气泡曝气所带来的高的DO浓度，促进了好氧微生物的活性，提高污染物降解效率也是重要原因之一。Choi等的研究表明，微米气泡对缺氧底泥增氧8d后，微生物对多环芳烃的降解率达到30％以上，而无微米气泡的对照组对多环芳烃无明显降解 。微米气泡曝气作为水处理技术的研究仍处于起步阶段，有许多方面的认知还远远不足。微米气泡的稳定性源于气泡本身的高压力、高密度，对于微米气泡传递的高压氧分子在水环境中的特殊作用尚不明了，尤其是对周边微生物生理的影响。另外，当前的研究均处于实验室水平，在野外的实际应用的可行性还需进一步确定。

4 结论

从各种指标分析来看，用微米气泡曝气处理黑臭水体具有很好的效果。对黑臭污水的处理效果由高到低依次为微米气泡曝气>普通曝气>无曝气方式；微米气泡曝气方式与普通曝气方式相比，对水样DO浓度提高2～3 mg/L；对CODcr、 NH3-N和TP的去除率分别高12％，10％和9％；对土臭素(Geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)的去除率分别高16％和12％；对水体色度和浊度的改善效果更好。

来源：《环境工程技术学报》