摘要：采用囯产微纳米气泡发生装置，对比研究不同的曝气量对黑臭河道废水的处理效果。进气量分别设为0.2L/min ,0.3L/min和0.4L/min三种不同的进气量，监测的出水水质指标包括异味物质（土臭素），COD,氨氮，TP,和浊度。结果显示，0.3L/min的气量下，90min时达到最大值11.96mg/l,是初始值的5.8倍。三种气量相比， 0.3L/min的气量下，对污染物的去除效率高，在90min时，去除率达到最大值，COD,氨氮,TP和土臭素的去除率分别是51.4%、55.8%、31.0%和48.3%。由于气体的扰动，三种气量下的曝气开始时浊度都有所增加，90min后才低于初始水平。虽然，0.4L/min的气量比较大， 但对污染物的去除却不是最好。说明并不是气量越大对污染物的去除越好，由于气量大，气泡对废水的搅拌越大，和污染物的接触时间比较短，去除的效果不高。因此，处理一定体积的废水，适当的曝气量是个关键的问题。
关键词：微纳米气泡 曝气 溶解氧 黑臭废水处理
河道黑臭主要是由于过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果,水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等臭恶臭物质以及铁、猛硫化物等黑色物质。河流的黑臭不仅会影响生态环境的和谐美观，加剧水资源危机， 加重水资源的短缺， 使生态环境恶化； 而且会危害当地居民的身体健康； 还会由于河流污染严重使得地面水不足， 促使过度开采地下水引起生态问题，地下水水质下降， 硬度和硝酸盐含量大面积升高。因此消除黑臭、改善感观，美化城市，已是河流治理中首要解决的问题。
由于水体供氧和耗氧失衡是引起水体发生黑臭的主要原因之一， 所以曝气复氧被认为是治理河道污染的一种措施,曝气复氧作为河道废水的处理技术在国内外已有许多研究和应用，且对消除水体黑臭的良好效果已被国内一些实验室试验及河道曝气中试所验证。它可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复。曝气效果的好坏不仅极大地影响生物处理系统的效率，而且曝气是一个非常耗能的过程。曝气则会涉及到对水体中溶解氧的增加，气泡的大小则会影响氧的传质效率。根据Young-la-place方程， 球形气泡内气体存在一个附加压力， 与气泡表面张力成正比,与气泡半径成反比。当时，气泡内气体的压力会随着气泡尺寸的减小而增加，粒径较小的微纳米气泡可以大幅度提高其传递的推动力。微气泡的直径很小，一般小于50um，气泡浮出水面的时间大幅度延长，并在上升过程中逐渐收缩， 微气泡直径很小，气体内部压力的加速效应在收缩过程中很明显。当微气泡发生器产生的大量微气泡溶于水中时， 增大了气液传质的比表面积， 从而进一步提高了气液传质的效率。Liu等指出，增加停留时间可以提高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，而且微气泡缓慢的上升速度也增加了气液接触面积、接触时间，有利于气泡溶于水中，增加水中溶解氧的浓度；在一定程度上克服了氧气难溶于水的缺点。
因此，研究开发并推广使用高效节能的专用微孔曝气器是污水生物处理领域的重要课题。微曝气作为一种新型引入的曝气方式，它不但能产生大量的微米级粒径的气泡，还能引入大量的羧基、羟基等含氧基团，同时快速提高水体内DO浓度，强化曝气过程的氧化作用， 提高对污染物质的去除效率。但是，曝气过程中，进气量的控制也很关键。曝气量过大，则会造成浪费，曝气量过小则达不到治污的目的，甚至会加熏水体的污染。因此，本研究以北京市水西桥下小清河为研究对象，探讨不同的曝气量对水体进行曝气，其对水体中氮、磷化合物以及异昧物质和有机物的影晌。
1材料与方法
1.1实验装置
本研究采用水力旋转剪切微气泡发生装置（北京本洲纳米科技有限公司，中国），该装置空气流量范围为0－2Ｌ/min，功率为370W,气——水混合后高速旋转，利用水力剪切作用产生微气泡。曝气反应器由有机玻璃制成，有效容积80Ｌ，高60cm。微气泡曝气系统示意图如图1所示，实验装置如图2所示。
1.2实验设计
实验开始前利用虹吸法向反应器内法入60Ｌ黑臭柯道原水作为试验水体。（黑臭水样采自北京市立水西桥下小清河）。连续曝气， 进气量分别设为0.2Ｌ/min，0.3Ｌ/min 和0.4Ｌ/min；设置曝气时间共150min,分别在第0，30，60，90，120和150分钟取水样进行水质分析，以上实验均重复进行3次，以尽量减小误差。
在控制了水体的ＢＯＤ5以及ＣＯＤ值之后，仍然不能消除水体的黑臭现象，重要原因是在于由细菌和藻类（主要为放线菌和蓝绿细菌）等繁萬生长过程中所产生的次生代谢产物也使水体产生嗅味的，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－甲基异蔌醇（2－ＭＩＢ冰片烷醴类）。因此本研究将土臭素的含量作为定量描述水体黑臭的程度的指标。
1.3水质分析方法
水质指标及分析方法见表2。
2 结果与讨论
2.1 ＤＯ及浊度隨曝气时间的变化
由图3可以得知，微纳米曝气对水体的充氧能力很强，它可以在短时间内对水体迅速充氧，在前30minDO则大约由2mg/L上升至6mg/L。三种气量下，DO的上升趋势大致相同，在90min在时达到最大值，水体的DO浓度达到饱和状态，然后趋于平缓。0.3L/min 的气量下， 达到最大值11.96mg/L,是初始值的5.8倍，水体中的DO达到这么高的值，可能是由于微米气泡直径小，在水中的停留时间较长，氧转移能力强， 所以水体可以保持一个较高的浓度。
由图4可以看出，浊度的大致趋势是先上升后下降。在曝气前30min，水体浊度有一定的上升，在进气量0.2L/min、0.3L/min和0.4L/min下，由最初的24.7NTU分别上升为50.1NTU、63.8 NTU、66.2 NTU，这是由于气泡对水体的强烈扰动所致，而且进气量0.4L/min时反应器中的浊度值最高，对水体的扰动最大，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，水体的浊度有所降低，但相对于最初的值，总体降低程度不是很明显。
2.2 污染负荷去除效果分析
2.2.1 COD去除
水体中COD的去除效果见图5。由图5可知， 曝气过程中DO浓度上升， 微生物大量形成，对有机质的降解速度加快，反应器中水体COD浓度能快速下降，当曝气90min时，COD浓度降到最低值，此时，DO浓度达到最大值。从图中可以看出，三种进气量下，COD的变化趋势大致相同，先降低后趋于平缓。很明显气流量是0.3L/min与0.2L/min相比，COD的去除效果更好。而进气量是0.3L/min和0.4L/min相比，两者对COD的去除并没有明显的差异，且低流量处理在节约能源方面表现出极大优势。
2.2.2 氨氮去除
通过不同进气量氨氮的去除效果的比较（见图6）可知，反应器中的氨氮浓度都能迅速下降到10mg/L左右。主要是因为曝气时水体始终处于较高的溶氧状态，水体的硝化菌菌落形成较快，氨氮在水体中较快转为硝态氮。由图6可知，氨氮的去除趋势也大致相同，90min后趋于平稳，去除效果相差不大。
2.2.3 TP去除
如图7所示，三种进气量下对TP的总去除效率并不是很高。虽然有一定的去除，可能是由于曝气过程中，DO浓度高，有利于一些微生物对磷酸盐的吸收，但是总体去除率较低，TP浓度仍然在0.7mg/L以h上。
2.3 对异味物质的去除效果分析
土臭素是典型的异味物质，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，土臭素的产生源主要为厌氧状态下的放线菌。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，从而释放胞内的异味物质，因此在前30min内水体中土臭素浓度的降幅较小，甚至还有上升的趋势。而随着不断对水体进行曝气充氧，DO浓度得到了大幅度的提升，为土臭素的降解提供了有利的条件。
由图8可以看出，土臭素的去除在90min时达到最大值，进气量为0.2L/min、0.3L/min和0.4L/min下，土臭素的浓度由开始的20.2mg/L、22.1 mg/L和19.7 mg/L降至12.7 mg/L、10.9 mg/L和13.2 mg/L，去除率分别为37.1%、50.7%和33.0%。
3 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，适当曝气量处理污水既能处理效果达到最佳，也能降低能耗。本研究比较了气量为0.2L/min、0.3L/min和0.4 L/min时，对污染物的去除情况，得出气流量为0.3L/min时，对污染物去除的比较好。三种气量相比，0.3L/min的气量下，对污染物的去除效率高，都是在90min时，去除率达到最大值，分别是51.4%、55.8%、31.0%和48.3%。虽然，0.4L/min的气量比较大，增加曝气量可以明显改善水体的溶解氧水平，降低水体的生化需氧量和氨氮指标，但下降幅度不大，且能耗较大。说明并不是气量越大对污染物的去除越好，由于气量越大，气泡对废水的搅拌越大，和污染物的接触时间比较短，所以去除的效果不能达到最佳。
纵观国内外，曝气复氧技术在对黑臭河流的治理方面取得了很好的成效，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有较好的效果。
来源：《中国环境科学学会学术年会论文集》