摘要:介绍一种新型的人工水体曝气技术——微纳米曝气技术，分析了该技术的特性及作用，并结合水环境治理工程，对其应用效果进行了分析研究。结果表明，微纳米气泡发生装置与传统的曝气装置相比，在形成气泡的浓度、均匀性及节能耗电方面具有明显优势，应用前景广阔。
关键词:污染水体 曝气 微纳米气泡发生装置 溶解氧
１ 概述
中国是水资源严重短缺的国家，水环境问题极为突出。为了满足人类社会可持续发展的需要，污染水体修复研究和实践成为当前研究的热点问题。对于日益严重的河湖污染问题，水体曝气作为一种投资少、见效快的河湖污染治理技术，被广泛采用。目前，我国通常采用的曝气设备，难以产生微纳米级的细小气泡，溶氧率低、能耗高。而微纳米气泡发生装置能够生产直径在50μm和数十纳米之间的微小气泡，可快速的溶解于水体中，溶氧效率大大提高。微纳米气泡发生装置主要由发生装置、微纳米曝气头及连接管件组成。通过水泵加压，曝气头内部的曝气石高速旋转，在离心作用下，使其内部形成负压区，空气通过进气口进入负压区，在容器内部分成周边液体带和中心气体带，由高速旋转的气石出气部将空气均匀切割成5-30μm直径微纳米气泡。由于气泡细小，不受空气在水中溶解度的影响和温度、压力等外部条件的限制，可以在污水中长时间停留，具有良好的气浮效果。微纳米曝气技术作为一种新型水体曝气技术，在水环境治理中应用前景极为广阔。
２ 微纳米曝气技术特性分析
水体中氧的传递是利用空气和污水中氧气的浓度梯度，使氧气由高密度的空气向低密度的污水中转移，因此，氧气浓度梯度和接触面积决定了曝气效果。在氧气浓度梯度不变的条件下，空气与水体接触面积是决定曝气效果好坏的关键因素。微纳米气泡技术有效地解决了气泡在水体中的接触面积问题，因为微纳米气泡的表面积能有效增大，如0.1cm的大气泡分散成100nm微气泡，其表面积可增大10000倍，因此可以大大提高溶氧效率。同时，由于气泡细小，具有良好的气浮性，可以在污水中长时间停留，所以能够达到较好曝气的目的。
微纳米气泡发生装置工作原理与常规曝气装置有很大的不同，该装置产生的微纳米气泡具有以下
特点：
（１）电离现象。气体在水中的溶解度受气压影响较大，但电解质的离子化水，让溶入的微纳米气泡表面形成双层电离子，并随着表面积的不断减少而急剧收缩，让气泡内的气体散逸得以抑制，从而大大提高了溶解度。
（２）超声波性。微纳米气泡由于高能破裂而产生超声波，这种超声波具有较强的杀菌作用。
（３）带电性。微纳米气泡表面带有负电荷，所以气泡间很难合为一体，在水体中能产生非常浓密而细腻的气泡，不会像常规气泡一样融合增大而破裂。通常微纳米气泡的表面电位为-30～-50mv，可以吸附水体中带正电的物质。利用表面电荷对水体微粒的吸附性，可以把水体中的有机悬浮物固定和分离，因此，该技术在提高溶解氧的同时，也具有一定的水质净化效果。
（４）滞留性。微纳米气泡在水体中上升速度非常缓慢，似香烟雾在水中弥漫，如１０μｍ的气泡，以１００μｍ／ｓ的速度上升，在水体中上升１ｍ，需要３ｈ，所以微纳米气泡会长时间的逗留在水中，该特性也是其具有高度溶解效率的核心所在。这种滞留性的产生除与该气泡微小浮力减少有关外，更重要是由它的电性所致，如果采用极板进行观察，随着电极的转换，可以看到小气泡的极性运动和Ｚ字形缓慢上升的现象。
3 微纳米曝气技术对改善水质的主要作用
溶解氧是水体净化的重要因素之一。溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解缓慢。微纳米曝气技术对改善水质的作用主要有以下几个方面：
（１）消除有机物污染和黑臭。由于微纳米气泡具有很强的滞留性，能够提供更加充足的氧气，在好氧微生物丰富的条件下，有机物污染指标ＣＯＤ和ＢＯＤ明显下降，黑臭现象消失。水体底部的有机物降解所产生的甲烷、硫化氢等有毒和有害气体被去除。
（２）减少水体营养盐含量。由于微纳米气泡具有很强的气浮性、滞留性和扩散性，其气泡上升作用弱，水体充氧后，可有效抑制湖底厌氧菌的有机质分解过程，减少水底氮、磷营养盐的释放量。
（３）消除藻类水华。微纳米曝气具有较强的复氧功能，可提高水生动物的生存环境，从而抑制藻类的生长。
（４）改善水色及透明度。污染水体中的多种无机和有机悬浮物、活的浮游植物及死亡的残骸、大型水生植物碎屑、分解的有机体碎屑等，是影响水体颜色和透明度的主要物质。微纳米曝气能够更加有效地促进水生生物的生长，从而减少水中有机质，使水体透明度明显提高，改善水色。
（５）减少底泥内源污染。微纳米曝气增氧后，河湖底质表层含氧量增加，好氧微生物活动趋强，基于微生物的代谢过程促进底泥有机污染物的降解，逐步形成无机化底质覆盖层，阻断内源污染。
４ 微纳米曝气技术应用效果分析
微纳米曝气技术在天津城市水环境改善与水源保护示范工程中得到应用，通过对微纳米曝气装置和常规射流曝气装置的运行监测，就曝气效果进行如下分析。
４．１ 微纳米曝气效果与常规曝气效果的比较分析
从水体中溶解氧的监测结果可以得出，采用纳米曝气技术曝气后，溶解氧总体平均值为9.88mg/L，而射流曝气溶解氧总体平均值为6.37 mg/L，前者曝气效果较后者高35.5％。微纳米曝气后，水体中溶解氧最高值达到18.85 mg/L，主要原因是产生的大量微纳米级的气泡悬浮于水体中，随着水体一起运动，形成超饱和状态。而常规射流曝气难以产生微小气泡，大量气泡在水体中迅速上升，到达水面后消失，不能形成超饱和状态，溶氧效果较低。
４．２ 微纳米曝气系统运行效果分析
自微纳米曝气系统运行以来，每周进行一次溶解氧监测。针对近一年的水质监测，分析如下：
（１）曝气设备运行期间，水体水质改善显著，曝气后的溶解氧（ＤＯ）均值为9.16 mg/L，比曝气前的ＤＯ值增加了4.73 mg/L。总体来说曝气设备运行稳定，曝气效果较好，满足后续水处理工程的需要。
（２）将曝气前和曝气后的ＤＯ值相比较，二者变化趋势一致，曝气后的ＤＯ值随水源ＤＯ值的变化而变化，说明曝气系统运行非常稳定。
（３）水源水质不稳定，个别时段也出现了水源水质极端恶化的现象，随着曝气设备的正常运行，源水ＤＯ为0.72mg/L的情况下，曝气后ＤＯ值为5.41 mg/L，说明经过曝气，水中溶解氧有了很大的提高，满足后续水处理工程的需要。
总之，水体经曝气后，溶解氧增加，为耗氧生物提供了充足的氧，同时还可以促进水体的流动，改变了水体的自然状态，使水体的层流得以交换，有利于保护水质，所以水体会得到明显改善。
５ 结论
微纳米气泡发生装置产生的微小气泡在污染水体中具有很强的除杂质、除色、除臭、不堵塞、阻止藻类和细菌增生的特点。该装置不仅对于水体增氧效果好，还可有效地净化水质，具有很强的实用性。
微纳米气泡发生装置是一项新兴技术，应用范围广泛，和传统的曝气装置相比，在形成气泡的浓度、均匀性及节能耗电方面具有明显优势，属于国内空白、世界领先的新一代高效节能环保技术，具有巨大的发展潜力。
来源：《现代水务》