酈智明，陳永山，酈蘇浩

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一、研究應(yīng)用背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多河流受到污染，城市河流不僅提供水源、交通航運(yùn)、防洪排澇等，還可以調(diào)節(jié)氣候，由于其易污染、水環(huán)境容量小、水體自凈能力差等特點(diǎn)，很容易成為居民生活污水、雨水及垃圾的受納體，從而導(dǎo)致河流黑臭，黑臭的城市河流已嚴(yán)重影響了居民生活質(zhì)量、城市形象和生態(tài)環(huán)境。早在五六十年代，國(guó)外很多發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始考慮如何解決河道污染，但至今河道污染的治理仍是一大難題。

“黑臭”問(wèn)題是由水體的有機(jī)物產(chǎn)生厭氧分解而出現(xiàn)的一種化學(xué)現(xiàn)象。有機(jī)物所含有的死亡菌體具有蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)所耗氧分解生成了豐富的碳，致使厭氧微生物大量繁殖，這也是河道問(wèn)題難于根治的原因之一。很多國(guó)家優(yōu)先釆用河道曝氣技術(shù)治理河流污染，目前主要使用傳統(tǒng)高能耗的機(jī)械曝氣設(shè)備來(lái)提高水體的溶解氧濃度，但這些傳統(tǒng)曝氣方式難以適應(yīng)改善水環(huán)境的需求，而且能耗高、氣泡大、在水中停留時(shí)間短、曝氣后水中溶解氧含量不高、動(dòng)力效率比較低，同時(shí)安裝麻煩、投資成本高。因此，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能優(yōu)越、適用范圍廣泛、低能耗、高動(dòng)力效率的新型河道專用曝氣設(shè)備，具有巨大的市場(chǎng)前景。我們現(xiàn)已成功研發(fā)了一體式結(jié)構(gòu)的微氣泡曝氣機(jī)河道治理專用設(shè)備并實(shí)際應(yīng)用，其中ZL201720254969.0《微氣泡擴(kuò)散及發(fā)生裝置》、ZL201821717110.X《自清洗微納米氣泡釋放器》取得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利證書(shū)，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集兩相流曝氣機(jī)主機(jī)、壓力罐、氣泡霧化器等等于一體，不需配備壓力溶氣罐、循環(huán)泵等附屬設(shè)備，減少了設(shè)備占地面積，節(jié)省投資，使用管理方便，適用范圍廣，更重要的是高效節(jié)能，產(chǎn)生的氣泡直徑≤20μm（微米），并且能大面積釋放氣含率高、氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)的微納米氣泡,直接對(duì)水中污染物發(fā)揮氧化降解作用。

二、微氣泡曝氣機(jī)詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容

（一）總體思路

1.河道曝氣技術(shù)治理河流污染的原理分析

河道曝氣充氧凈化是通過(guò)曝氣裝置往水體中充入純氧或空氣的方法，以此來(lái)提高水體中溶解氧的比例，加快好氧菌繁殖，增強(qiáng)河流的自身凈化水平，降低藻類植物以及厭氧菌在水體中的繁殖，達(dá)到去除河流黑臭的效果。其主要原理是：充入到水體中的溶解氧和污染物質(zhì)之間在曝氣下發(fā)生的氧化還原反應(yīng),消除有機(jī)物污染和黑臭，減少水體營(yíng)養(yǎng)的鹽含量，消除水華現(xiàn)象，改善水色及透明度，消除底泥內(nèi)源污染。特別是曝氣技術(shù)反應(yīng)速率較快，原因在于污染物質(zhì)的耗氧量亦是化學(xué)耗氧量的一部分，消除該部分物質(zhì)的同時(shí)也減少了水體的化學(xué)耗氧量。河道的充氧使河道表層厭氧狀態(tài)的松散底泥轉(zhuǎn)化為較密實(shí)的好氧狀態(tài)的表層底泥，減慢深層底泥中的污染物向上復(fù)水體的擴(kuò)張。

2.設(shè)計(jì)思路

空氣中氧的轉(zhuǎn)移是曝氣系統(tǒng)技術(shù)的重點(diǎn)，曝氣系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生的氣泡將氣體擴(kuò)散至液體中的方式轉(zhuǎn)移氧到缺氧水體中。國(guó)內(nèi)外研究表明：微氣泡曝氣可獲得較高的氣含率和氣泡停留時(shí)間，微氣泡曝氣中氧的總體積傳質(zhì)系數(shù)明顯高于傳統(tǒng)氣泡曝氣，所以氣泡直徑越小，溶氧性越強(qiáng)，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）微氣泡體小，密度大，壓力高，氣泡表面張力大，表面張力大于氣泡的浮力，因此，氣泡在水中停留時(shí)長(zhǎng)；（2）微氣泡能量非常高，包括高速動(dòng)能、電離能、氣泡暴烈的爆破能，以及帶電粒子形成的電場(chǎng)能量等，這種能量足以直接打破有機(jī)物分子化學(xué)鍵，促成有機(jī)物分解；（3）使用高能氧微氣泡，可以迅速使水體達(dá)到氧飽和，甚至過(guò)飽和的溶解氧狀態(tài)，使水質(zhì)具有超強(qiáng)活性，直接對(duì)水中污染物發(fā)揮氧化降解作用。

然而，微氣泡不是微孔曝氣產(chǎn)生的氣泡，微氣泡是由較大氣泡(0.5mm以上粒徑)經(jīng)過(guò)高壓液體循環(huán)(液體內(nèi)部高壓壓縮而成)產(chǎn)生的具有高能量的微小氣泡，必須是粒徑在0.5nm（納米）—50μm（微米）之間的氣泡數(shù)量占全部氣泡比例的90%以上。但目前世界上用于曝氣的設(shè)備能產(chǎn)生的氣泡99%大于80μm（微米），而能夠產(chǎn)生直徑在50μm（微米）和數(shù)十納米之間的微納米氣泡的曝氣系統(tǒng)(或裝置、設(shè)備等)，國(guó)內(nèi)尚屬空白。

3.研究攻關(guān)的重點(diǎn)

（1）在結(jié)構(gòu)上采用一體。即集兩相流曝氣機(jī)主機(jī)、壓力罐、氣泡霧化器等于一體，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需配備壓力溶氣罐、循環(huán)泵等附屬設(shè)備，減少設(shè)備占地面積，節(jié)省投資，使用管理方便，適用范圍廣。

（2）在性能上達(dá)到高效節(jié)能，產(chǎn)生的氣泡直徑≤20μm，且能大面積釋放氣含率高和氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)的微納氣泡,直接對(duì)水中污染物發(fā)揮氧化降解作用。

（二）技術(shù)方案

河道專用微氣泡曝氣機(jī),是由兩相流曝氣機(jī)主機(jī)、壓力罐、氣泡霧化器等組成，并構(gòu)成一個(gè)整體(如圖所示1)，主要用于河道、湖泊的曝氣充氧，也可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。其工作原理是：采用氣液兩相流理論進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的曝氣機(jī)主機(jī)的水力部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)吸入一定比例的空氣和水，在曝氣機(jī)主機(jī)內(nèi)首先形成氣水混合液，然后輸送到壓力罐內(nèi)，在壓力罐內(nèi)高壓的作用下，利用高壓紊流狀態(tài)下的溶氣技術(shù)和溶氣裝置，形成大量過(guò)飽和高壓溶氣水，再由氣泡霧化器進(jìn)行霧化釋放，形成含有大量微氣泡的優(yōu)質(zhì)溶氣水，通過(guò)管道將這些含有大量微氣泡的溶氣水輸送到被處理的河道底部，達(dá)到河道曝氣充氧的目的。由于氣泡霧化器出來(lái)的微氣泡直徑很?。馀葜睆健?0μm），因此很不易破碎，在水中可以停留較長(zhǎng)時(shí)間，可以隨水流漂到較遠(yuǎn)的地方，被氣泡接觸到的污水都獲得了溶解氧，而且由于溶氣水中的空氣氣泡直徑很小，比表面積大，氧的利用率很高，處理效果很好。

圖1 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)

新產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用兩相流理論進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的曝氣機(jī)主機(jī)，其主要水力部件——離心式葉輪不但可以自動(dòng)吸入一定比例的氣體和液體，而且還可進(jìn)行氣液的混合輸送，打破了傳統(tǒng)的離心葉輪不能進(jìn)行氣液混送的理論界限，與傳統(tǒng)的旋渦式水力部件相比，相同功率可以大幅度提高溶氣水量，即充入氧量。

（2）采用一體式結(jié)構(gòu)，不需要使用輔助高壓水泵、空壓機(jī)、外置壓力溶氣罐等裝置。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝方便、噪聲低、性能可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）曝氣機(jī)壓力罐內(nèi)可預(yù)先設(shè)定氣、水吸入量分配比例，并設(shè)有高壓紊流溶氣裝置，一開(kāi)機(jī)就可直接形成優(yōu)質(zhì)超飽和溶氣水，產(chǎn)生的微氣泡直徑≤20μm，且具有釋放氣量多、無(wú)須人工監(jiān)控、調(diào)試操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于氣泡直徑小，不易破碎，在河道中可以隨水流漂到很遠(yuǎn)的地方，具有服務(wù)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于河道、湖泊等水體面積較大的場(chǎng)合。

（4）兩相流曝氣機(jī)主機(jī)動(dòng)力采用自主設(shè)計(jì)的專用潛水電機(jī)，電機(jī)與泵頭同軸，電機(jī)安裝于壓力罐內(nèi)，泵頭部分安裝于壓力罐外，潛水電機(jī)實(shí)際采用的是分離式干式安裝方法，泵頭和電機(jī)分別由機(jī)械密封和油封進(jìn)行密封；泵頭部分的機(jī)械密封即使損壞，液體直接流到外面而不會(huì)進(jìn)入到電機(jī)腔內(nèi)損壞電機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有機(jī)械損耗低，過(guò)載能力強(qiáng)，安全可靠，能進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)。

（5）氣泡霧化器采用抗堵塞一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能將氣泡霧化成微小的特細(xì)氣泡，具有釋放效率高、擴(kuò)散面積大、接觸污水效果好、吸附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，霧化器直接安裝在壓力罐出口處，結(jié)構(gòu)緊湊，排堵非常方便，能大面積釋放氣含率高和氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)的微納氣泡。

三、與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)的比較

目前國(guó)內(nèi)外一般采用鼓風(fēng)曝氣和機(jī)械曝氣兩種形式，機(jī)械曝氣又分為推流式曝氣器、射流曝氣設(shè)備和輪式增氧機(jī)三種形式。（見(jiàn)表1）

表1 各類河道曝氣充氧設(shè)備的特點(diǎn)和適用范圍表