摘要:于2013年4月至6月在杭州城市河道对微纳米气泡改善河道水生态环境进行了持续的原位监测实验。结果表明，与对照区相比，试验区水体温度平均升高0.7℃，pH 增大0.2，溶解氧增加1.0 mg /L，而TDS浓度降低42mg/L;水质污染指标高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷平均浓度分别降低了8.45 mg/L、6.78 mg/L、8.90 mg/L 和0.58 mg/L。由此可推测微纳米气泡在一定程度上能有效净化水质，为恢复良好水生生态环境提供新的方法和技术手段。
关键词:微纳米气泡;城市河道;水质指标
微纳米气泡通常是指直径在50μm以下的气泡，其中直径大于1μm的微小气泡被称为微气泡(micro－bubble) ，而直径小于1μm且大于1nm的超微小气泡则称为纳米气泡(nano－bubble)。近几年来，微纳米气泡技术已逐渐成为环境污染控制领域中一个新的研究热点，其在环境污染治理与水环境污染修复中，表现出了传质效率高、处理效果好、运行成本低等优点。例如日本学者在中国国际工业博览会上介绍了微纳米气泡发生装置在水产养殖、水处理等领域的良好应用; 靳民伟等利用日本超微细气泡曝气机进行实验研究，发现该技术能很好提高水中的溶解氧并有效的消解底泥有机物，减低底泥厚度，从而实现水体的修复;徐彬等利用微纳米气泡改善太湖入湖河道水质，结果表明化学需氧量、氨氮、总磷的平均去除率分别达到36.8%、42.4%，49.1%。
国内外关于微纳米气泡的实验多集中在受控河道，比如截污纳管、底泥疏浚等，而对研究过程中水体理化指标并未进行深入分析和讨论。因此，本研究选择在未作试验条件控制的河道中，利用微纳米气泡技术开展水体生态环境改善试验，着重分析水温、溶解氧、高锰酸钾指数等水体理化指标的相关变化，以期能全面掌握该技术在治理污染河道中的实际作用，同时也为政府相关职能部门提供科学依据及技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验区域及装置概况
2013 年4月～ 6月，选取杭州市江干区九号港作为试验河道，如图1所示。该河道宽约9 m，水流呈西北东南走向，水流缓慢。两岸驳坎采用水泥硬化，但截污纳管不彻底，沿岸有众多污水口。河道做过生态修复试验，但并未取得良好的效果。淤泥堆积较厚约30cm～40cm，常水位约1m，水体呈墨绿色，散发恶臭。
微纳米气泡发生装置由法国萨德公司(SADE)提供，总功率1.5kw，气泡发生器直径21mm，气泡直径小于5um，可处理10000m3的水量。
1.2 试验方法
微纳米气泡发生装置放置于河道2#中部区域，使气泡朝向水流一侧，调节设备气压至0.06Mpa，确保设备生成微纳米气泡。同时设置两个采样点，1#为对照区，位于试验装置上游50m处; 2#为试验区。整个装置调试结束后，现场记录pH、水温、溶解氧、总溶解固体( Total dissolved solids，缩写TDS) 等指标，采样频率为间隔1～5天不等。每隔15天采集一次水样，带回实验室测定高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷等化学指标。试验过程中，注意设备压力变化，每月进行2～3次管嘴孔检查，看是否堵塞。用水冲洗外围固定框，明确水泡状况有无异音，确认真空计量表的指示值，并确保机器在设定压力值下正常运转。试验周期为60天。
1.3 参数测定
pH值、水温、溶解氧、TDS值的测定采用YSIProPlus手持式野外测量仪测定; 下列指标分析方法均为国家标准或行业标准，高锰酸盐指数的测定采用( GB/T11892－1989)方法，氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法( HJ535－2009)，总磷的测定采用钼酸铵分光光度法( GB/T11893－1989)，总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度法( HJ636－2012)。试验设备采用恒温水浴锅( HJ2009－S－18)，SP－721 型可见分光光度计( HJ2009－S－04)，SP－752 紫外分光光度计( HJ2009－S－05) 。
1.4 数据处理
利用Excel和SPSS 17.0进行统计分析。显著性水平设置为: ①极其显著性相关，P ＜ 0.01; ②显著性相关，0.01＜P＜0.05; ③无显著性相关，P＞ 0.05。
2 结果
2.1 水体物理环境指标的变化
图2所示为实验期间水温、pH值、溶解氧(dissolvedoxygen，DO) 、TDS、水温4项水体生物环境指标的变化情况。从图1a可以看出，对照点1#和试验点2#水温总体变化一致，相关系数为0.986，在0. 01水平上呈显著相关，呈上升趋势。1#、2# 平均水温分别为23. 5℃、24. 2℃，试验点2# 平均高0.7℃，这可能由于纳米气泡与水分子摩擦产生的热量释放所致。图1c显示pH 值在5月中下旬出现明显的上升趋势，试验点2#pH 平均值7.40，对照点1#pH平均值7.20，pH平均增大0. 2。图1b显示实验初始阶段，水体DO浓度较低，试验点2#为0.06 mg/L，对照点1#为0.31mg/L，在实验前10天，单因素方差分析表明，两者差异不明显。但随后试验点2# 溶解氧浓度明显高于对照点1#点，试验点2#、对照点1# 溶解氧浓度平均分别为4.17mg/L、3.14 mg/L，2#比1#平均增加1.0 mg/L，表明纳米气泡可以实现水体的增氧作用，这与其它研究者的结果一致。但在试验期间，溶解氧浓度均出现阶段性高点和低点，可能是由于试验河流为开放系统，受雨水冲击较大，无法保持稳定性和统一性。
TDS 为溶解性固体总量，它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高，表示水中含有的杂质越多。图1d表明水体中TDS 浓度对照点1#、试验点2#点总体上均呈现出下降趋势，二者相关系数0. 719，在0.01水平上显著相关，试验点2#点、1#点TDS 浓度平均为689 mg/L、731mg/L，试验点2#比对照点1#多降低42mg/L。
2． 2 水体环境污染指标的变化分析
试验分析了高锰酸盐指数、总氮、氨氮和总磷4项常规污染指标。图3a 反映了高锰酸盐指数的变化趋势，该指标是反映水体受到有机物污染程度的一项水质指标，该指数越高，水体受到有机污染越严重。由图中可见，对照点1#、试验点2#高锰酸盐指数总体变化趋势一致，均随着时间推移呈下降趋势，相关系数0.982，在0.01水平上显著相关。在试验期末，试验点2#高锰酸盐指数浓度去除率为81.2%，对照点1#去除率为46. 5%，试验点2#高锰酸盐指数浓度的去除率为对照点1#的1.7倍。图3b～3d反映了对照点1#、试验点2#氨氮、总氮和总磷浓度的变化趋势，与高锰酸盐指数浓度变化相似。在试验期末，试验点2#氨氮、总氮和总磷浓度去除率为89.4%、82.0%、82.1%，对照点1#去除率分别为46.4%、46.6%、46.8%，试验点2#氨氮、总氮和总磷浓度的去除率为对照点1#的1．7、1.9 和1．6倍。从指标浓度平均变化值上看，试验点2#与对照1#相比，高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷浓度分别降低了8.45mg/L、8.90 mg/L、6.78mg/L 和0.58mg/L。
3 讨论
在不受控河道进行纳米气泡改善水质试验，研究结果易受到外界环境影响，从对照点1#和试验点2#各项指标结果来看，两者均具有相似的变化趋势，相关性分析研究表明，两者均存在着显著相关，表明外环境(气象条件)对试验系统结果构成了决定性的影响。试验系统在晴天期间，可以持续构建其生态系统，水体观感、各项指标均有向好趋势，但在下雨期间，由于雨水携裹污水直接入河，导致原有水生生态系统被破坏，因此，试验生态系统整体处于构建——破坏——再构建的恶性循环，截污仍然是河道水质改善的先决条件。
试验结果也表明，水量和流速的增加可以改善水体的水质，随着夏季的到来，雨水增多，试验系统多次出现河水暴涨现象，各项水质指标数据也显示，随着时间的推移，无论是对照点还是试验点，均呈下降趋势，因此，加强引配水，对改善河道水质有积极的作用。
试验结果还表明，纳米气泡可以改善试验水体水质，经过各项试验指标的对比，试验点2#各项数据的下降幅度均要明显优于对照点1#，在同一个试验系统中，纳米气泡改善了试验水体的物理环境，增加了水体中的溶解氧，促进了TDS 的降解，高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷等指标与对照相比，均有显著下降。因此，向污染的缺氧水域中鼓入微气泡时，随着气泡内溶解氧的消耗不断向水中补充活性氧，可增强水中好氧微生物、浮游生物以及水生动物的生物活性，加速其对水体污染物的生物降解过程，实现水质净化目的。
4 结论
( 1)纳米气泡可以改善水体物理环境，促使水体温度升高，增大pH值，提高了水体溶解氧含量，降低水体中TDS含量。
( 2)纳米气泡有效降低水体污染物质含量，从指标浓度平均变化值上看，试验点2#与对照1#相比，高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷浓度分别降低了8.45mg/L、8.90mg/L、6.78mg/L 和0.58mg/L。
( 3)纳米气泡实际工程应用受外环境影响较为显著，存在着系统性控制风险，引配水工程是改善河道水质现状的措施之一，可结合实际灵活运用。
( 4) 河道水质改善的关键环节是截污纳管，关键技术手段是水体复氧，微纳米气泡技术具有推广使用的价值。
来源：《环境科学与管理》