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        微氣泡及其在有機(jī)物污水處理應(yīng)用的研究進(jìn)展

        2018-04-15 07:07:13唐瑞雪蔣文君
        東北水利水電 2018年2期
        關(guān)鍵詞:污染研究

        唐瑞雪,蔣文君

        (四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都 610065)

        0 引言

        水污染問題在世界范圍內(nèi)引起極大重視。在我國,近幾十年來隨著人口的增長、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,地表水、地下水污染問題變得尤為突出。河流、湖泊、水庫等地表水水質(zhì)污染狀況不容忽視。根據(jù)2012年中國環(huán)境狀況公報(bào)顯示,長江、黃河等全國地表水國控?cái)嗝婵傮w為輕度污染,在地表水資源不足的情況下,地下水的污染問題更加令人堪憂。污染水環(huán)境恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)我國國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,對水的修復(fù)工作勢在必行。

        微氣泡技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù),微氣泡一般指幾微米到幾十微米大小的微小氣泡,微氣泡粒徑小,上升速度慢,存在時(shí)間長,傳質(zhì)效果好,大幅提高了增氧效率,有效地改善了水體供氧,達(dá)到了修復(fù)水體的目的。文中對微氣泡的特性、產(chǎn)生原理、發(fā)生裝置以及微氣泡在有機(jī)污染水體的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

        1 微氣泡

        1.1 微氣泡的特性

        微氣泡具有一些不同于普通氣泡的行為特性,應(yīng)用較為廣泛的特性有四個(gè)方面,分別為存在時(shí)間長、傳質(zhì)效率高、存在ζ電位、產(chǎn)生自由基,這些特殊行為特性使得其在環(huán)境污染治理與水環(huán)境污染修復(fù)中表了傳質(zhì)效率高、處理效果好、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。

        1.2 微氣泡的產(chǎn)生裝置

        微氣泡發(fā)生裝置不斷得以改進(jìn)與發(fā)展,其有較為典型的研究。Sadatomi等[3]研制了一種流水管中具有球形體的微氣泡發(fā)生裝置,湍流從微氣泡發(fā)生器進(jìn)水口進(jìn)入,沖擊到球形體上,大氣泡被分解產(chǎn)生微氣泡。Sadatomi等[4]對此微氣泡發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn),將球形體改進(jìn)成了小孔,研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)成小孔后,其具備良好的微氣泡發(fā)生性能。應(yīng)用較多的微氣泡發(fā)生器主要為旋流微氣泡發(fā)生器、文丘里微氣泡發(fā)生器、噴射器型微氣泡發(fā)生器、加壓溶解型微氣泡發(fā)生器[5],微氣泡發(fā)生裝置所產(chǎn)生的微氣泡加快氧氣在水體中的傳輸速率,體現(xiàn)出了微氣泡的強(qiáng)化傳質(zhì)特性。

        國內(nèi)外學(xué)者對微氣泡發(fā)生裝置的研究仍在繼續(xù),但還普遍存在微氣泡發(fā)生裝置能耗高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等問題,同時(shí),微氣泡生產(chǎn)技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

        1.3 微氣泡的觀測

        陳福泰等[6]對氣浮工藝中的微氣泡進(jìn)行數(shù)碼顯微動態(tài)測量,能準(zhǔn)確且方便地測量出氣泡徑粒,為后續(xù)微氣泡的測量提供了有效參考。

        微氣泡直接進(jìn)行光學(xué)觀測是研究微氣泡物理性質(zhì)的重要手段,但微氣泡由于粒徑小、反光效果差,對觀測技術(shù)要求高,需要復(fù)雜的儀器設(shè)備。李恒震等[7]設(shè)計(jì)了一套微納米氣泡的光學(xué)觀測系統(tǒng),觀測微氣泡在水體中及多孔介質(zhì)中的徑粒分布、運(yùn)動速度和吸附特性等,為微氣泡在實(shí)際應(yīng)用中的測控提供有效參考。據(jù)觀測結(jié)果,50 μm以下的微納米氣泡在水體中以膠體形式運(yùn)移,運(yùn)動速度與水流速度相同。微納米氣泡在飽和多孔介質(zhì)中的運(yùn)動特性,是通過理論模型觀測出的,理論研究發(fā)現(xiàn)微氣泡在多孔介質(zhì)中也以膠體形式運(yùn)移,受到對流作用、機(jī)械彌散作用、吸附作用的影響[8]。這一研究結(jié)果向?qū)嶋H工程應(yīng)用提供改進(jìn)方向的參考,在設(shè)計(jì)中一定程度上避免影響,使得微氣泡能發(fā)揮其最佳性能。

        梁坤峰等[9]觀測超聲作用下水中微氣泡的運(yùn)動特性,當(dāng)氣泡的初始位置處于超聲場的不同位置處時(shí),氣泡運(yùn)動的方向相異,氣泡具有上下兩個(gè)方向的位移變化??蓪⒊晫ξ馀葸\(yùn)動的這一影響應(yīng)用到實(shí)際工程中,實(shí)現(xiàn)氣泡的定向移動,后期研究中可利用這一定向性實(shí)現(xiàn)微氣泡的再利用等潛在價(jià)值。

        2 有機(jī)物污染的修復(fù)

        2.1 地下水的修復(fù)

        2.1.1 地下水處理方法

        根據(jù)修復(fù)地點(diǎn)的不同,地下水的修復(fù)可以分為異位修復(fù)和原位修復(fù)兩大類。異位修復(fù)又叫做抽出處理修復(fù)技術(shù)(P&T技術(shù)),雖在短期內(nèi)處理效率高,但長期來看,許多溶解度極低的有機(jī)污染物很難通過水的抽出而出來,并且此法經(jīng)濟(jì)代價(jià)巨大;原位修復(fù)法又分為物理和化學(xué)兩大類方法,物理方法中地下水曝氣(以下簡稱AS技術(shù))是一種去除地下水中可揮發(fā)性有機(jī)物的新型最佳方式。但是現(xiàn)有的AS法產(chǎn)生的氣泡直徑都是毫米級,產(chǎn)生后迅速上浮,在水中停留時(shí)間短,影響范圍??;氣泡比表面積小,水氣交換效率低;氣泡內(nèi)壓強(qiáng)小,溶解慢,供氧效果較差,好氧微生物降解能力沒有得到充分發(fā)揮[8]。由前已知,微氣泡在水中存在時(shí)間長,傳質(zhì)效率高,影響范圍大,因此,將微氣泡結(jié)合在AS技術(shù)中,可彌補(bǔ)AS法中存在的不足。

        2.1.2 微氣泡在地下水曝氣中的應(yīng)用

        地下水曝氣法的原理:將潔凈的空氣以一定壓力注入受污染的地下水飽和區(qū)。在注入后,氣體與地下水中的污染物接觸,氣體上升時(shí),揮發(fā)性污染物隨同氣體一同溢出地表,接著用SVE系統(tǒng)回收處理,從而去除地下水污染物。同時(shí),由于曝氣,氧氣濃度的增加促進(jìn)了好氧微生物的生物降解作用,加快了污染物的去除[8]。

        李恒震等將微氣泡結(jié)合在地下水曝氣的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中,與傳統(tǒng)曝氣相比,一段時(shí)間(約兩周)后氣泡的破裂導(dǎo)致氧氣的持續(xù)擴(kuò)散,提高了曝氣的影響范圍;由于土壤屬于多孔介質(zhì),吸附能力提高的微氣泡存在時(shí)間更長,并能為好氧微生物供氧,提高其對有機(jī)污染物的降解率[8]。但是,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,氧氣的濃度增加較慢,甚至需要一年才能達(dá)到理想效果,如果能進(jìn)一步提高氧氣的濃度增加速率,將會是一種更優(yōu)的地下水修復(fù)技術(shù)。

        2.2 河水修復(fù)

        2.2.1 河水修復(fù)方法

        河道污水的處理方法也可分為原位和異位。以杭州河道治理為例,由于水量和環(huán)境處于不斷變化中,河水在不受控的情況下處理效果并不是很好,截污仍然是河道水質(zhì)改善的先決條件[10]。在有關(guān)部門加強(qiáng)對源頭監(jiān)管的同時(shí),對于污水的集中處理效果將更好,比如集中處理有機(jī)污染嚴(yán)重的黃河水的引黃水庫[12]。當(dāng)然,不排除極個(gè)別可以原位修復(fù)的河道情況[11]。

        2.2.2 微氣泡在河水有機(jī)物污染處理的應(yīng)用

        杭州城市河道的治理雖發(fā)現(xiàn)原位修復(fù)效果不是很顯著,但更確定納米氣泡可以實(shí)現(xiàn)水體的增氧作用,河道水質(zhì)改善的關(guān)鍵手段是水體復(fù)氧,微納米氣泡技術(shù)具有推廣使用的價(jià)值[10]。

        在傳統(tǒng)氣浮方法的基礎(chǔ)上,賈偉建等[12]人改進(jìn)出利用微氣泡的分級共聚氣浮方法,對引黃水庫中的黃河水進(jìn)行處理,該工藝對于相對分子質(zhì)量較大(>3×103)的有機(jī)物的去除率可達(dá)85%,之所以利用微氣泡能達(dá)到如此好的效果,是因?yàn)槲馀荼砻娴膸щ婋x子有有機(jī)物膠體電中和脫穩(wěn)凝聚,和微氣泡的吸附作用;但是隨著有機(jī)物相對分子質(zhì)量的減小,去除能力下降。

        在傳統(tǒng)曝氣法和膜生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上,張磊等[13]研究了基于SPG膜的微氣泡曝氣的生物膜反應(yīng)器,該法將傳統(tǒng)曝氣法的氧利用率提高至接近100%,并有較優(yōu)的COD處理能力。對河流污染來源是生活污水的情況有一定借鑒性。

        占明飛等[14]在重污染村鎮(zhèn)的河道治理中,利用微納米氣泡復(fù)氧系統(tǒng)、微氣泡復(fù)氧造流器系統(tǒng)結(jié)合其它生態(tài)方式,為好氧微生物提供了好的棲息環(huán)境,消除了村鎮(zhèn)河道水體的黑臭現(xiàn)象(有機(jī)物是導(dǎo)致水體產(chǎn)生色度和嗅味的主要來源),COD與氨氮等指標(biāo)均達(dá)到地表水Ⅳ~Ⅴ類排放標(biāo)準(zhǔn),為蘇南地區(qū)和黑臭河道治理提供一種借鑒模式。

        除上述介紹集中處理實(shí)例,利用微氣泡也可以在個(gè)別情況對河水進(jìn)行原位修復(fù),在太湖入湖河道,采用微納米氣泡氣液分散系統(tǒng)進(jìn)行原位凈化處理,COD去除率達(dá)到了36.8%,達(dá)到了30%~40%的平均水平,且該法的成本較低,每凈化一立方米水,大約消耗0.1元,具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[11]。

        對于由工業(yè)廢水排放引起的河流污染治理,可以借鑒張靜等[15]的臭氧微氣泡法和周清童等[2]的超微氣泡法。

        3 結(jié)語

        現(xiàn)研究階段對微氣泡發(fā)生裝置及微氣泡特性的研究普遍比較單一,將微氣泡發(fā)生技術(shù)和其他技術(shù)聯(lián)用的研究還未普及,存在成本高、能耗高等問題,后續(xù)的研究可以向這一方向發(fā)展。微氣泡發(fā)生裝置應(yīng)向低能耗、低成本、更簡化的方向發(fā)展,可列為未來的研究重點(diǎn)。

        在水體凈化中,將微納米氣泡與傳統(tǒng)凈水技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,可有效增強(qiáng)原有技術(shù)的處理效果,但與哪種方式聯(lián)用,采取原位還是異位修復(fù),需要據(jù)主要污水類型、有機(jī)污染程度、水體類別等實(shí)際情況而定。

        [1]楊麗,廖傳華,朱躍釗,等.微納米氣泡特性及在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展,2012,31(6):1333-1337.

        [2]周清童,童正明,許敏,等.超微氣泡對銅酞青污水處理的實(shí)驗(yàn)研究[J].能源研究與信息,2009,25(4):208-211.

        [3]M.Sadatomi,A.Kawahara,K.Kano,et al.Performance of a new micro-bubble generator with a spherical body in a flowing water tube[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2005(29):615-623.

        [4]M.Sadatomi,A.Kawahara,H.Matsuura,etal.Micro-bubble generation rate and bubble dissolution rate into water by a simple multi-fluid mixer with orifice and porous tube[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2012(41):21-30.

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        [6]陳福泰,王東升,欒兆坤.氣浮工藝中微氣泡的數(shù)碼顯微動態(tài)測量[J].中國給水排水,2003,19(13):120-121.

        [7]李恒震,胡黎明.微納米氣泡光學(xué)觀測系統(tǒng)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(10):112-116.

        [8]李恒震.微納米氣泡特性及其在地下水修復(fù)中的應(yīng)用[D].北京:清華大學(xué)水利水電工程學(xué)院,2014:1-149.

        [9]梁坤峰,王全海,阮春蕾,等.超聲作用下水中微氣泡的運(yùn)動特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,34(5):96-100.

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        [11]徐彬,鄭之奇,張珂.微納米氣泡改善太湖入湖河道水質(zhì)的工程實(shí)例研究——以蘇州南北華翔河水質(zhì)改善工程為例[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2013,5(1):15-16.

        [12]賈偉建,張克峰,張茜雯,等.分級共聚氣浮處理引黃水庫水效能及機(jī)理研究[J].水處理技術(shù),2015,41(4):99-103.

        [13]張磊,劉平,馬錦,等.基于微氣泡曝氣的生物膜反應(yīng)器處理廢水研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(6):2276-2282.

        [14]占明飛,李仁霞,鄭澤鑫,等.重污染村鎮(zhèn)河道水環(huán)境生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)與示范[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào),2013,25(3):5-8.

        [15]張靜,杜亞威,劉曉靜,等.臭氧微氣泡處理酸性大紅3R廢水研究[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(2):587-589.

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