微纳米气泡曝气技术是指将微纳米气泡发生技术应用于水处理中曝气，是近年来发展的一种高效环保水处理技术。相较于普通大气泡，微纳米气泡具有独特的物理化学特性，如比表面积大、表面带电荷、水体中存在时间长、气液传质率高、界面点位高、能自发产生自由基等。在水处理中常应用于悬浮物的吸附去除、难降解有机污染物的氧化分解、向水体复氧促进生物活性以及减少底泥内源污染等方面。本文探讨了微纳米气泡曝气技术在河道治理上的应用方式及其前景。

  河流是人们最珍贵的自然资源之一，是生态环境系统的重要组成部分。我国自20世纪50年代以来，随着工业化进程的不断发展和城镇规模不断扩大，对水环境的保护工作却重视不足，大量工业废水、生活污水以及农业废水无序肆意排入河流湖泊。由于污染物的累积，河道的生态系统平衡遭到严重破坏，削弱了自然系统对水体的自净能力。导致河道水体中溶解氧严重不足，水生生物快速降低，水质逐步恶化，出现发黑发臭的现象，且这类现象季节性及常年性的发生。河道的黑臭现象不仅影响城市景观建设，还会引发缺水性危机，对居民生活产生恶劣影响，对人体健康造成威胁。

    近年来，对黑臭河道的治理愈加重视，一些黑臭成因和分析方法的研究逐步发展。根据《“十三五”污水处理及再生建设》意见，“十三五”期间，全国城市黑臭水体整治规模达2032个，总长度5882.2公里，地级及以上城市黑臭水体得到整治控源。另外，《“十三五”生态环境保护规划的通知》，到2020年地级及以上城市建成区黑臭水体比例均控制在10%以内，其他城市力争大幅度消除重度黑臭水体。

   因此，河道治理任重而道远，对河流进行整治的时候，要详细分析河流的污染源、污染物的特征、水文情况等诸多因素，制定合理完整的方案，并且根据各个阶段所指定的治理任务，选择合适有效的方法，除采用常规的水处理技术外，还应引入系列先进水处理技术，进行综合治理，最终达到恢复河道生态系统的效果。

   黑臭河道治理与修复的出发点是水环境有机整体，目标定位为控制源头、净化水质以及恢复水生态系统，总体思路是“截污-减负-净化-修复”。常用的治理及修复技术包括：底泥疏浚、化学絮凝沉淀、人工增氧和生物生态净化等。由于黑臭河道污染源复杂，治理过程通常需要多种治理修复方式的联合使用。

2.1底泥疏浚

该技术的适用水深一定、大量有机污染物的类型。底泥疏浚主要通过工程方法将堆积在河床上的污染物质（底泥）移除，使河床环境得到改善。主要达到的效果是：使悬浮状态的重金属和有机污染物等最少；对污染物进行彻底清除，避免产生二次污染；在清除底泥的过程中，最大程度上的保护原生态，尽量还原河道原本的生态系统。由于不同的河道受到的污染不一样，受污染的时间、程度不同、淤泥的底泥厚度和成分也不相同，且底泥疏浚会用到很多大型工程机械，耗时耗力。因此，在进行底泥疏浚前，必须了解疏挖的范围、规模、工程量、机械配置等情况。

2.2化学絮凝沉淀

由于铁、锰的胶体及腐殖质的胶体混合物的存在，使水体色度与浊度增大，这些混合物体积很小，通过滤料或者重力沉淀的方法很难去除掉。化学絮凝能够破坏胶体颗粒的稳定性，把胶体凝聚成大的团体物质，然后将其去除。常用的絮凝剂主要分为无机、有机和有机-无机复合等几种类型。利用絮凝剂可以快速的使水体中的悬浮物质与胶体物质得到去除，净化水质。但絮凝作用持续时间较短，且费用比较昂贵，有些絮凝剂在使用的过程可能会有生物毒性，造成二次污染。在实际应用过程中，需根据水体的性质以及特点，严格控制絮凝剂的使用量，根据实际水量确定投加絮凝剂的量，才能达到水体净化的相应效果。

2.3人工增氧

在自然条件下，河流的复氧速率比较缓慢，尤其是河道的污染情况比较严重时，有机物的含量比较高，复氧速率更低，水体长期处于缺氧或厌氧状态。因此需要通过人工增氧的途径加快复氧速度，增强水体的自净能力从而恢复生态系统的平衡。

人工增氧在河道治理中作用主要表现为：加速水体复氧的过程，增强了水体中好氧微生物的活性；好氧菌分解水体的有机物，减少水体的黑臭；提高水体紊动性，便于氧气的扩散、传递以及液体的混合；使底泥释放磷的速率降低。

根据河道的水质改善指标、水力条件、水体功能、污染源特征的不同，人工增氧采用的增氧设备及其优缺点如下表所示：

2.4生物生态净化

水生植物及微生物对于黑臭河道的水质净化具有极其重要的作用。水生植物通过光合作用产生氧气，一方面可以满足自身呼吸作用的需要，另一方面还可向水体供氧，且随光合作用增强，水体溶解氧量增加；根部能够吸收溶解态的含N/P的物质，使颗粒污染物的截留-吸附-沉降作用加速；同时，微生物可以附着在根系，综合利用不同生长类型的水生植物，对水质起到净化作用。

生物生态净化主要分为以下几种方法：

（一）人工湿地：一种综合性水质净化技术；

（二）生物浮岛：控制水生植物的生长范围由浮床的浮力所承载，也是利用各物种间的共生关系，充分的利用空间和营养物质，最终达到净化水质的效果；（三）微生物法：主要包含生物膜法、固化微生物法、生物床、生物滤池等，主要利用微生物对水体进行净化。

气泡的性质因气泡大小、表面特征和气泡寿命不同而具有差异，依据气泡大小作为分类标准，将气泡直径在数百nm～10μm之间的泡沫称为微纳米气泡。微纳米气泡具有一些特殊的物理化学性质：比表面积大，具有超常的气体溶解能力，极大促进气液之间的反应速度；上升速度慢，在水中具有较长的滞留时间；表面带有负电荷，对水中微小粒子具有增强吸附的作用；自身增压溶解，激发大量的自由基，可以发挥出强大的氧化性和杀菌性；微纳米气泡具有极高的气泡密度与横向的扩散性；具有显著的生理活性。由于这些特殊的理化性质，使得微纳米气泡具有广泛的应用。

微纳米气泡曝气技术与传统的曝气技术相比较有三个优势：

（一）气泡直径小，气液传质的比表面积大、效率高；

（二）气泡上升速度慢，水中停留时间长，有利于增加水中溶解氧的浓度；（三）微纳米曝气可实现底泥的削减。

微纳米曝气技术在黑臭河道治理中改善水质的作用包括：

（1）污水中悬浮物的吸附去除，由于微纳米气泡表面带电荷且ζ电位高，对污水中的油类以及悬浮物就有优越的吸附效果，对于COD、氨氮及TP也具有较好的去除效果，从而减少水中有机质，使水体透明度明显提高，改善水色。

（2）促进生物净化功能，向污染的缺氧水域中进行微纳米气泡曝气时，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，加速其对水体及底泥中污染物的生物降解过程，实现水质净化目的。

（3）难降解有机污染物的强化分解，微纳米气泡破裂时能释放出的大量的羟基自由基，具有氧化性，可分解很多有机污染物，为了促使微气泡在水中能够产生更多的羟基自由基，常采用其它强氧化手段进行协同作用，如紫外线、纯氧以及臭氧等强氧化手段，以更好地发挥对废水中有机污染物的氧化分解作用。

（4）减少底泥内源污染，微纳米气泡曝气使得河湖底质表层含氧量增加，好氧微生物代谢活动趋强，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，阻断内源污染。

4.1微纳米气泡快速发生装置

微纳米气泡快速发生装置把气体（如空气，氧气臭氧等）用高速旋回切割方式溶入水中，快速、高效地制取微纳米气泡水，迅速提高水体的溶解氧。产生的微纳米气泡粒径在100纳米到10微米之间。该装置采用PLC控制，并预留以太网接口可纳入物联网管理，操作简便，节省人工；设备预留外气源接口，实现气源多样化，气源管路耐腐蚀。

微纳米气泡快速发生装置用于水质改善，主要是利用微纳米气泡的高效增氧、促进生物活性、改善水体流动条件的特性，防止厌氧环境产生恶臭，与配套的绿植生物浮岛技术，改善富营养化水体的物质循环，达到水质净化和整体水域生态修复的目的。运行一段时间后，可以明显看出水质得到一定的净化改善。溶解氧最高达5.2mg/L。微纳米气泡处理过的水的净化能力远远高于自然条件下和普通气泡处理过的水体的自净能力。该设备可自动运营，操作管理方便；运行费用较低，经济效益明显。

4.2微纳米增氧曝气协同生物净化河道治理系统

微纳米增氧曝气协同生物净化河道治理系统，包括预处理模块、微纳米曝气增氧模块、固化微生物模块、水生植物净化模块、在线监测模块、数据分析和远程控制模块。

可实现黑臭河的增氧、NP、COD和异味的去除、河道原位修复和系统的自动化控制及远程监控，核心技术采用微纳米曝气技术，氧传递系数为1.1754/min，普通曝气的氧传递系数为0.7535/min，其效率约为普通增氧设备的2倍，停留时间是普通增氧设备的10倍，大大的提高了氧利用率；在水体内部布置了密集的固化微生物载体，便于微生物的附着和繁殖，大大的提高了生物净化效率；植物净化模块，发挥生物生态净化协同作用；采用自动化控制，便于管理，节省劳动力，能够实现远程监控。

4.3水环境综合治理船

水环境综合治理船，包括船体，垃圾收集系统，垃圾输送系统，微纳米曝气系统，药剂添加系统，动力系统等。能高效收集河道垃圾，并通过微纳米曝气装置配合化学药剂及微生物菌剂对河道水质进行全方位的治理，可以使黑臭河道变清，可以杀菌灭藻，有效改良河道流域面貌。而且仅需一人在驾驶室操作，即可完成聚拢、收集、滤水、输送、存储、卸载、航行、曝气、加药等工作，具有强大的垃圾打捞功能兼有水质净化功能，对各种漂浮垃圾均能顺利打捞，对各种水质的河道均能有效治理。该船对保障河道航运安全、美化城市水域景观、保护水源地、净化水质都具有重要意义[7]。

微纳米气泡曝气技术是近年来出现的一种高效水处理技术，与普通曝气技术相比，微纳米气泡曝气技术产生的气泡直径小，具有更大的比表面积、更高的传氧效率和更长的停留时间。微纳米气泡曝气技术能够在水体中快速大量的产生微纳米气泡，用于河道治理和修复中时通过吸附去除悬浮物、氧化分解难降解有机污染物、向水体复氧促进生物活性以及减少底泥内源污染等作用，改善水质和水体生态环境，从而快速消除水体黑臭现象。

为了达到更好的治理效果，在实际的治理和修复实施中，微纳米气泡曝气技术通常与多种治理方法相结合，比如底泥疏浚、化学絮凝沉淀、人工增氧和生物生态净化等。将微纳米气泡快速发生装置与自动化控制、微生物净化以及水生植物净化等集成，开发微纳米增氧曝气协同生物净化河道治理系统能够实现较好的净化治理效果。将微纳米气泡发生装置集成于水环境综合治理船中，能够在大水域范围实现更多功能的修复和治理。

来源：环保项目工程技术中心

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