超微细气泡水体修复技术
    
    摘要：随着科学技术发展的日新月异，水污染问题越来越严重。如何解决水污染问题已经成为社会关注的焦点。超微细气泡水体修复技术在国际上是属于最前沿科技。本工作对超微细气泡水体修复技术的机理等进行了研究并利用日本的超微细气泡曝气机进行了实验研究，结果表明该技术能很好的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，实现水体的修复。
    关键词：超微细；气泡；水体修复技术
    引言
    随着科学技术发展的日新月异，水污染问题越来越严重。在21世纪这个倡导人与自然和谐相处的世纪，如何解决水污染问题已经成为社会和国家关注的一个焦点。国家环保局2004年6月23日公布(2003年中国环境状况公报》‘1|：七大水系407个重点监测断面中，38．1％的断面满足I一Ⅲ类水质要求，32．2％的断面属Ⅳ、V类水质，29．7％的断面属劣V类水质。其中七大水系干流的1 18个国控断面中，I一Ⅲ类水质断面占53．4％，1V、V类水质断面占37．3％，劣V类水质断面占9．3％。各水系干流水质好于支流水质。全国的水污染十分严重，目前700多个主要河道、2000多个湖泊需要治理。全国大部分城市的河流污染严重，加之淤泥深厚大量的污染物积聚在底泥中，基本丧失水体自净能力。各地政府投入巨资治理城市河流，虽然排入城市河流中的污水多已节流，但由于水体自净能力丧失，多数城市河流依然摆脱不了黑、臭的命运。植物性营养物(N、P)的输入口3及溶解氧状况对水体水质的影响巨大，并逐渐成为水体不断恶化的重要原因；同时底泥∞1的污染是导致水体恶化的另一重要原因。国内外的研究表明，水体的修复必须靠人工创造较好的基础环境才能发挥相应技术的作用，尤其是中、下层水体的基础环境尤其重要，其中溶解氧的增加与保持、底泥有机污染物的降解、底泥的无机化及保持尤其关键。研究同时表明，超微细气泡水体修复技术在这些方面能发挥很重要的作用。
    1 研究现状
    超微细气泡水体修复技术在国际上是属于前沿科技。自上世纪80年代以来，世界各国的科研工作者都试图将直径更小的气泡应用与水体修复，因为气泡的直径变小可大大增加了空气与水的接触面积，同时气泡表面能、气一液界面上氧分子所占比例、气泡的寿命都会大幅度的增加，各种反应速度也相应增加，氧转移率大大提高。
    
      Fig．1 Super micro buuble generation system made in Japan
    图1 日本研制的超微细气泡曝气设备
    
    至上个世纪末，欧美国家研究人员已能将直径在100um左右的气泡充入水中，大大提高氧转移效率。2002年日本的研究人员已将直径小于3um的气泡充入水体中。
    2  超微细气泡水体修复机理
    普通的气泡在水中呈上升状态。在静水中，水泡上升的速度与其线度密切相关。根据大量的实验数据和理论分析，得出气泡上升速度与气泡半径之间的关系曲线如图2所示．
    
    Fig．2 Relation of radius and rise velocity of bubble
    图2气泡上升速度与气泡半径关系
    
    由图中可以看出在气泡半径小于0．1cm时，随着气泡半径的减小，气泡的上升速度也在减小。当气泡的直径小于3um的时候，我们把这种气泡称为超微细气泡，由于尺度效应的影响，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。
    
    2．1 超微细气泡水体修复技术的机理
    
    由上面可以知道，超微细气泡能够实现在水中的沉降，而且这种气泡具有普通气泡所没有的理化作用特性：
    
    1．超微细气泡比普通气泡表面积增大很多，如1 cm的普通气泡分散成1 um的超微细气泡，表面积增加1万倍，气泡表面能也从lO-5cal增加到0．1cal，表面能的增大，气泡内能量增大可以加强表面氧化反应，提高氧的利用率。同时，这种气泡大大增加了空气与水的接触面积，使得气一液界面上氧分子所占的比例、气泡的寿命都增加了几个数量级。各种反应速度也相应增加了几万倍，氧转移率大大提高。
    2．沉降的大量气泡最终降落到底泥中，实现了对底泥的直接充氧，由于接触面积大、停留时间长使其有充分的机会与时间与底泥反应，并充分激活底泥耗氧生物的活性，有效的消解了底泥中的有机污染物，较好地矿化了底泥彻底改善了底泥地生态环境，从而实现了对污染水体地修复。
    
    2．2气泡大小对水体修复效果的影响
    
    1．曲率半径与表面气压成反比，即P=2σ／r    其中：
    P表示弯曲表面下的压力
    σ表示表面张力
    r表示气泡的半径
     (1)式表明气泡的尺寸越小，P就越大，气泡的寿命就越长，相互作用的时间就越长、能量就越大。
    2．根据双膜理论和亨利定律，我们可以得出氧转移公式： 
    式中，是液相主体中溶解氧浓度变化速率(或氧移速率)，kgO2／(m3•h)，是饱和溶解氧浓度，kgO2／m3，为氧的传质推动力，kgO2／m3，是氧总转移系数，其大小如(3)式所示：
    其中，D为扩散常数，A表示面积，x为液膜的厚度，y为气泡的体积，假设其他的条件不变，气泡的尺寸越小，那么气泡的表面积A就会增大，由上式可知   就会相应的增大，从而氧的利用率就会大大提高了。
    综上1、2可知，超微细气泡的尺寸影响着水体修复的效果，气泡的尺寸越小，水体修复的效果就越好。
    3  实验研究
    本实验采用的是日本的超微细气泡曝气机，实验河段为苏州市竹辉路桂花新村居民小区内苗家河的一段，该河段水中的溶解氧含量只有0．85mg／1，气温高时散发一股难闻的臭味。其示意图如图3所示。
    
    Fig．3 Sketch of experiment reach
    图3试验河段示意图
    
    具体的实验方法是在放置了日本超微细气泡曝气机之后分别在图4的C点和E点底面往上50cm处从第6天开始每隔2天测量溶解氧的变化并在每隔一周后测量D点的淤泥厚度。得到的结果如图4和5所示。
    
    
    Fig．4 Graph of variation of dissolved oxygen
    图4溶解氧的变化曲线图
    Fig．5 Histogram of variation of thickness of the bottom mud
    图5底泥厚度变化柱状图
    
    由图上可以看出，在用了一段时间以后，水中的溶解氧明显得到了提高，由原来的0．85mg／l提升到了7．6mg／l，底泥的厚度也由原来的40cm降低到了15cm，有效的实现了对水底的直接充氧，消解了底泥的有机物，实现了水体的修复。
    
    4  结论与展望
     (1)通过实验可以看出，该技术能有效的提高水体中的溶解氧的含量，实现了对水体的充氧并能有效的降低污染水体底泥的厚度，消除底泥中的有机物，实现对水体的修复功能；
     (2)超微细气泡的尺寸影响着水体修复的效果，气泡的尺寸越小，水体修复的效果就越好。
     (3)超微细气泡水体修复技术作为一项新的解决水体污染的方法和技术，它由于是利用气泡的沉降来解决水污染问题，所以能有效的解决问题而且对生态系统无害，因此这种方法有可能成为未来解决水污染问题的一种有效的方法。