摘要：对比研究鼓风曝气技术和微米曝气技术对黑臭水体的曝气处理效果, 结果表明: 微米曝气技术可快速提高水体中溶解氧含量。空气微米曝气组对COＤcr、NH4+-3N、TP、土臭素、2-甲基异茨醇(2一MIB) 的去除效果高于臭氧鼓风曝气组和空气鼓风曝气组, 臭氧微米曝气组对黑臭水体的处理效果最好, 水样中CODcr 、NH3-N、TP、土臭素、2一甲基异茨醇、色度和浊度的去除率分别为:52.82% 、46.89%、19.54% 、61.30%、40.88%、68.18% 和67.6 3%。
关键词：微米曝气 黑臭水体 臭氧
我国河流污染日益严重, 城市河流黑臭现象已成为我国城市河流普遍存在问题, 消除城市河道黑臭现象, 改善城市河道水环境, 保障人们的健康的生活环境, 已迫在眉睫。水体中溶解氧含量不足是造成黑臭物质的产生, 引起自然水体发生黑臭现象的主要原因之一。国内外大量的实践证明, 人工曝气增氧方式可有效提高水体溶解氧含量, 有助于河道微生物区系由厌氧向好氧转化, 促使河道水生植物的生长, 形成河道水体自然复氧系统, 恢复河道水生生态, 间接达到生物修复的目的。普通鼓风曝气产生的气泡直径在几百微米到几十毫米之间不等, 通常气泡的粒径越小越有利于得到较大的传质比表面积, 气泡传质比表面积越大, 越有利于气一液界面氧气的传质过程, 普通曝气方式产生的气泡在水中上升速度快, 自发趋向于合成大气泡, 氧分子传质效率低。微米曝气技术利用高速旋转产生的剪切力, 可产生5—30μm的微小气泡和少量的纳米气泡, 这些微米级气泡, 比表面积大、上升速率小, 可提高曝气过程中气泡与水体的接触时间和气体传质效率, 降低传统曝气方式中存在的能源消耗。臭氧具有很强的氧化性(氧化还原电位为-2.07V ), 在水处理领域常用于除臭、除味、去色度、矿化有机物、毒物脱毒等,作用时间短, 氧化去除率高, 无二次污染, 因此在污水的深度处理中得到广泛应用。
本文利用普通鼓风曝气和微米曝气技术, 使用空气和臭氧两种进气方式对比研究受污染水体的复氧能力和污染物的去除效果, 旨在找到一种高效、经济的曝气方式, 为城市景观水体中黑臭河流治理提供参考。
一、材料与方法
(一) 试验水样
实验分别采用空气和臭氧两种不同栽气, 利用鼓风曝气和微米曝气技术比较不同曝气组合方式对黑臭水体的处理效果, 试验装置共分为四组: 以空气作为载气的鼓风曝气和微米曝气, 以臭氧为载气的鼓风曝气和微米曝气。实验水样取自北京清河某段受污染的黑臭河流。
(二) 实验方法
试验开始前向反应器内注人20L黑臭河道原水作为试验用水。实验时间l00min, 分别在第0、20、40、60 、80 和l00min 进行水质分析。以上试验均重复进行3次, 以尽量减小误差。DO:便携式溶解氧仪； CODcr:重铬酸钾法; NH3一N:纳氏试剂光度法；ＴＰ: 铝酸钱分光光度法;土臭素[Ge os m in (蔡烷醇类)]；气相色谱一质谱联用仪; 2 一甲基异茨醇[2 一MIB (冰片烷醇类) ]；气相色谱一质谱联用仪; 色度；稀释倍数法; 和浊度；浊度仪。
二、结果
(一) 水体充氧效果比较
采用鼓风曝气和微米曝气分别对受污染的河道水进行10Omin的曝气, 方差分析结果表明, 微米曝气效果显著( Ｐ< 0.01 ) 好于鼓风曝气效果。如图1所示, 微米曝气技术, 在20min 时, 水体中溶解氧含量达到7.27mg/L, 在曝气进行到60min 时, 溶解氧含量达到最大值9.87 mg/L。而在鼓风曝气条件下,20min、60min时水中溶解氧含量分别是5.23mg/L、6.0lmg/L, 充气效果低于微米曝气。
(二) CODcr去除效果的比较
对比四组不同曝气条件下CODcr的去除效果,如图2所示。分别以空气和臭氧为栽气, 利用微米曝气技术经过100min的曝气后, CODcr 的去除率分别为40.86%、52.82% ,高于鼓风曝气所达到的效果, CODcr的去除率分别为27.48% 、35.71% 。利用微米曝气技术在60min时, 空气微米曝气对CODcr的去除率达到了39.09% ,臭氧微米曝气达到了52.65% , 即在60min时, 利用微米曝气技术即可达到高效的去除效率, 同比鼓风曝气大大减少了曝气时间, 提高了CODcr 的去除效果。
(三) NH4+-N、ＴＰ去除效果的比较
水体中存在大量的氮、磷营养盐是造成水体富营养化的重要原因, 利用曝气技术在一定程度上减少水体中氮、磷营养盐的含量, 可以改善水体富营养化的状态。如图3所示, 在相同载气条件下, 利用微米曝气技术对NH4+-N和TP的去除效果均高于鼓风曝气的去除效果。在l00min时,各种曝气方式对NH4+-N的去除率分别为:臭氧微米曝气46.89%、空气微米曝气43.07%。臭氧鼓风曝气36.45% , 空气鼓风曝气30.94%；对ＴＰ的去除率为：臭氧微米曝气19.54%、空气微米曝气24.49% , 臭氧鼓风曝气8.42%、空气鼓风曝气15.05%。
(四) 色度、浊度去除效果的比较
不同曝气方式对黑臭水体色度、浊度的去除效果如图4 所示, 在曝气初期, 水体的色度和浊度值升高, 随着曝气的进行, 水体中色度和浊度开始降低, 在曝气进行的80min内水体中色度和浊度下降效果明显, 已趋于平衡, 实验进行l00min结束时水体中的色度、浊度值变化不大。在实验后期, 微米曝气好于鼓风曝气。
(五) 嗅味物质去除效果的比较
实验表明, 空气鼓风曝气能在一定程度上去除嗅味物质, 但效果不明显, 土臭素去除率为27.05% , 2－MIB为14.84% 。利用微米曝气技术产生的微米气泡能大大提高两者的去除效果,以空气进气的微米曝气组对土臭素最大去除率为47.93%,对2一MIB的去除率为26.82% ,为鼓风曝气方式去除率的1.7－1.8倍。同时,空气微米曝气组的去除效果, 要高于臭氧鼓风曝气组,而臭氧微米曝气组对土臭素和2－MIB的去除效果最好: 61.30%、40.88% 。
三、分析与讨论
(一) 微米曝气技术原理分析
陈如燕等研究发现, 鼓风曝气产生的气泡在水中受浮力作用而呈上升的趋势, 在此过程中发生复杂、不稳定的聚并和破裂过程。发生合并后的气泡比表面积增大, 不利于水中溶解氧的传递, 并且气泡体积的增大其必然所受浮力也增大, 加快上升速度、使气泡停留时间减少。在曝气过程中溶解氧浓度的变化不仅和氧亏值成正比, 而且和气液相界面面积成正比,微米气泡比表面积大, 增大了气液相界面面积, 可有效提高氧传递速率。张建生等研究表明,在静水中水泡上升的速度与其线度密切相关。对于很小的气泡, 其运动规律是线性的, 随着气泡半径的减小,气泡的上升速度也在减小。当达到微米级气泡时, 上升速度已经很慢。程文等的实验也证实了气泡上升速度与气泡半径符合这种规律, 且较大气泡上升速度较快, 上升过程中易发生变形现象。根据有关对水中气泡上升或悬浮其直径大小阀值的力学分析计算, 当气泡直径大于25μm时则气泡上升而逸出水面, 当小于等于25μm时, 气泡就停留、悬浮于水中川。当气泡的直径小于3μm的时候, 这种气泡具有普通气泡所没有的理化作用特性, 而且这种气泡的表面能很大可与水分子紧密结合, 能够实现气泡在水中的沉降。微米气泡尺寸为5一30μm之间,气泡较小, 所受浮力小, 表面张力大使其上升速度慢, 在水中停留时间长, 有利于长时间保持水体中的高含量的溶解氧, 因此在对黑臭河水进行处理时, 微米曝气效果好于鼓风曝气。
在气泡在水中的上升过程中, 由于气泡的尺寸变小而使得其上升的速率减小, 那么到达水面的时间必定变长。有研究表明相对于传统曝气过程中气泡在水中停留时间短、氧气利用率低,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。
(二) 微米曝气技术除污机理分析
微米曝气方式产生的微米气泡相对于鼓风曝气方式有明显的优势, 微米气泡体积小、表面积大其表面具有较强的张力, 且微米气泡自身具有的趋于缩小的性质, 使得其在水中不断收缩而形成表面积更大的超微气泡, 直至最后湮灭。在此过程中微米气泡逐渐缩小, 其内部必然产生很高的压力, 当气泡崩溃的瞬间会在其周围极小的空间范围内产生高温和高压并伴有强烈的冲击波和微射流等现象, 产生类似于空化气泡的空化效应而产生HO·,并且使得气泡表面层的水分子形成超临界水, 有利于化学反应速率的增加,从而达到快速、高效降低CODcr、NH4+-N 、TP、异味物质浓度和降低水体色度和浊度的效果。
由于曝气对水体的搅动作用和曝气作用会使得水体中一些颗粒性物质溶解到水体, 加之微米气泡尺寸较小, 有利于好氧微生物的吸收利用, 使得有机物降解速率加快, 同时微米气泡对一些悬浮物进行絮凝, 因此在曝气进行的20min中内会使得水体中的色度和浊度有一定程度的短暂上升。
当水体水质恶化、水体溶解氧含量较低时, 会滋生大量的鱼腥藻、硅藻、放线菌等, 这些藻类和放线菌等会产生土臭素仁[Geosmin (蔡烷醇类)]和2-甲基异茨醇[2-MIB (冰片烷醇类)]等致嗅物质。Romano等研究表明使水体发生黑臭的是由于放线菌在有机污染物存在下所产生的土臭素和2-MIB,水体中两者的含量可以定量描述水体黑臭的程度。对黑臭水体进行曝气一方面可以对水体起到补充氧气的作用, 使水体由厌氧状态转变为有氧状态抑制厌氧生物的生长从而抑制致臭物质的产生, 另一方面曝气可以去除原水体中的致嗅物质, 直接改善水质。
实验表明, 四种曝气方式均能降低水体中嗅味物质的含量, 改善水质。但是利用微米曝气技术, 在60min时已经达到对土臭素和2 -MIB较高的去除效果, 之后随着反应的进行去除率的上升趋势并不明显。因此微米曝气技术不仅去除效果明显, 且可缩短反应时间, 这也证明微米曝气技术对黑臭水体净化效果的优越性。
(三) 微米曝气技术强化臭氧氧化能力
实验表明, 臭氧微米曝气比空气微米曝气具有更好的去除污染物效果。这是因为臭氧在水中具有较高的氧化还原电位(2.07V), 具有很强的氧化性, 可直接降解污染物。刘春等的研究也表明微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间, 有效提高表面曝气时氧气的总转移系数, 可以强化气一水的氧传质过程。本实验利用微米曝气技术产生的臭氧微米气泡来增加臭氧-水的接触面积, 提高臭氧的传质速度和氧化能力, 增强了臭氧对水体中污染物的去除效果。初里冰等的研究也表明采用微米气泡不仅可以提高臭氧在水中的传质速度, 提高臭氧的利用率,还可以强化臭氧的氧化能力。因此利用臭氧微米曝气技术不仅提高了臭氧的氧化能力和停留时间, 提高了臭氧的利用率, 而且可以降低臭氧的使用成本。
四、结论
(l) 微米曝气技术可快速增加水体中的溶解氧含量, 且微米气泡在水体中的停留时间要远远高于鼓风曝气。
(2 ) 对黑臭河流水体的实验中, 以空气和臭氧分别进行鼓风曝气技术和微米曝气。在相同的进气条件下, 微米曝气技术能更有效提高水体中DO含量, 增加CODcr、NH4+-N、TP、异味物质的去除效果以及有效降低水体色度和浊度。
(3) 人工曝气复氧技术应用于城市黑臭河流的治理在国内外取得了很好的成效, 利用空气微米曝气技术可以达到高效、快速治理污染河流的目的。对于黑臭河流水质较高色度、浊度以及难降解的污染物质的去除时, 采用联合臭氧微米曝气技术进行处理能起到很好的效果。
《中国环境科学学会学术年会论文集》