推流式微納米氣泡增氧水環(huán)境修復(fù)生物浮島技術(shù)

馬 駿 楊 昆 張學(xué)發(fā) 李 江

近年我國湖泊富營養(yǎng)化問題日益突出，從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在的近40年間，全國湖泊富營養(yǎng)化面積增長(zhǎng)了約60倍。水體富營養(yǎng)化的危害主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是富營養(yǎng)化造成水的透明度降低，陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放，同時(shí)浮游生物大量繁殖，消耗了大量的氧，使水中溶解氧嚴(yán)重不足，而水面植物的光合作用則可能造成局部溶解氧的過飽和。溶解氧過飽和以及水中溶解氧少，都對(duì)水生動(dòng)物(主要是魚類)有害，造成魚類大量死亡。二是富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素(如石房蛤毒素)也會(huì)傷害水生動(dòng)物。三是富營養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長(zhǎng)期飲用會(huì)導(dǎo)致中毒致病等。

根治湖泊的富營養(yǎng)化是一個(gè)國際難題，具有長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復(fù)雜和困難的問題。首先，污染源的復(fù)雜性給控制污染源帶來了困難；其次，至今還沒有任何單一的生物學(xué)、化學(xué)和物理措施能夠徹底去除水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，通常的二級(jí)生化處理方法只能去除30%～50%的氮和磷。

當(dāng)前國外的富營養(yǎng)化防治設(shè)備多為大型高能耗環(huán)保設(shè)備，造價(jià)高，運(yùn)行成本高，操作控制復(fù)雜，國內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用于富營養(yǎng)化防治的專門設(shè)備基本處于空白狀態(tài)。而未來5～15年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，伴隨我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，水資源與水環(huán)境質(zhì)量問題仍然是制約我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸。因此，如何利用創(chuàng)新性的實(shí)用技術(shù)手段減少水體富營養(yǎng)化，力求從根源上徹底治理污染，還原水域的標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)，并能夠長(zhǎng)期維護(hù)水域水質(zhì)潔凈狀態(tài)是一個(gè)重要課題。

國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外去除水體富營養(yǎng)化的方法主要分為藥劑法、生物法和工程法。藥劑法主要是通過加藥抑制水體中氮、磷元素的析出，藥劑投加量大，且存在有效分布問題，對(duì)于大面積和較深水體富營養(yǎng)化的治理存在難度；生物法主要面臨生物活性低和水體溶氧量低且分布不均勻問題；現(xiàn)有工程性措施主要包括挖掘底泥沉積物、進(jìn)行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設(shè)塑料等。現(xiàn)有的曝氣工程中，人們多使用機(jī)械攪拌或曝氣來提高水的溶氧量。然而水體中氧的主要來源是水生植物的光合作用，并且富營養(yǎng)化水體表面并不缺氧，是表面下水體因被藻類遮蓋得不到陽光而缺氧。由于一般的曝氣設(shè)備產(chǎn)生的氣泡直徑較大，上升速度很快，即使在深層水體中注入氣體產(chǎn)生氣泡，增氧后的水體也會(huì)隨氣泡的上升而不能留存在深水缺氧位置，而且不能使增氧后的水體與周圍缺氧水體充分混合，收效甚微；另外，通過全層曝氣結(jié)合機(jī)械攪拌來推動(dòng)富營養(yǎng)化水體流動(dòng)混合的方法，由于需要使水域中的大部分水體產(chǎn)生流動(dòng)，能耗很高，并且破壞了自然水體中的溫度躍層，改變了整個(gè)水域的生態(tài)環(huán)境，由此引發(fā)的生態(tài)鏈條的調(diào)整變化難以預(yù)料，所以應(yīng)用范圍只能限制在小規(guī)模的封閉水域。

傳統(tǒng)的幾種水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)各有側(cè)重，但富營養(yǎng)化水體治理是一個(gè)綜合問題，采用任何單一方法在長(zhǎng)期治理效果方面都不明顯，且易出現(xiàn)反復(fù)。所以，能綜合考慮水體流動(dòng)、增加溶解氧、促進(jìn)生物活性的適于長(zhǎng)期運(yùn)行的節(jié)能型富營養(yǎng)化防治裝備與技術(shù)的研發(fā)成為當(dāng)前最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

推流式微納米氣泡增氧水環(huán)境修復(fù)生物浮島技術(shù)

推流式微納米氣泡增氧水環(huán)境修復(fù)生物浮島技術(shù)是以微納米曝氣技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的一種可船載的推流式微納米氣泡水質(zhì)改善裝置，是利用微納米氣泡的高效增氧、促進(jìn)生物活性、改善水體流動(dòng)條件等特性，集成現(xiàn)有生物治理技術(shù)研制的高效、可行、具有創(chuàng)新性的實(shí)用技術(shù)與設(shè)備。

技術(shù)原理

微納米氣泡技術(shù)利用特別設(shè)計(jì)的發(fā)生器，進(jìn)入發(fā)生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的液體和氣體在適當(dāng)?shù)膲毫ο聫奶貏e設(shè)計(jì)的噴射口噴出時(shí)，由于噴口處混合氣液超高的旋轉(zhuǎn)速度與氣液密度比（1∶1000）在力學(xué)上的相乘效果，在氣液接觸界面產(chǎn)生高速強(qiáng)力的剪切及高頻率的壓力變動(dòng)，形成人造極端條件，生成大量微米、納米級(jí)氣泡的同時(shí)具有打碎聚合分子團(tuán)，形成小分子團(tuán)活性水的效果，并能夠?qū)⑿〔糠炙肿与婋x分解，可以在微納米氣泡空間中產(chǎn)生活性氧、氧離子、氫離子和氫氧離子等自由基離子，尤其氫氧自由基有超高的還原電位，具有超強(qiáng)氧化效果，可以分解富營養(yǎng)化水體中正常條件下也難以分解的污染物，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。

該設(shè)備以旋回式微納米曝氣裝置為核心，結(jié)合水生植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并調(diào)整環(huán)境中的水體流動(dòng)，改善水中生物生存條件，形成以該生物浮島為核心的局部良性循環(huán)水環(huán)境，以點(diǎn)帶面，從而逐步改善整個(gè)水域生態(tài)環(huán)境。

功能效果

考慮到微納米氣泡橫向易擴(kuò)散、縱向上浮速度慢的特性，配合適當(dāng)?shù)乃椒较虻乃w攪拌裝置，可擴(kuò)大微納米氣泡在水平方向上的分布范圍，最大可能地與周圍水體充分混合，進(jìn)行氧化反應(yīng)，使水與底泥界面之間不出現(xiàn)厭氧層，經(jīng)常保持有氧狀態(tài)，有利于抑制底泥磷的釋放。增氧后大量微納米氣泡可長(zhǎng)時(shí)間保持在水中，具緩釋性，可隨時(shí)補(bǔ)充水中氧氣的消耗，對(duì)水質(zhì)凈化起到事半功倍的效果；由于微納米氣泡上升速度慢，并且多數(shù)微納米氣泡在上升過程中溶解到周圍的水體中，而不會(huì)像毫米、厘米級(jí)氣泡那樣上升到水面，不會(huì)破壞原有水體的生態(tài)結(jié)構(gòu)，并從根本上改變深層水體的生物生存環(huán)境，讓微生物的好氧生化效率發(fā)揮到最佳狀態(tài)，這是現(xiàn)有的曝氣增氧技術(shù)所不能比擬的。

以推流式微納米氣泡發(fā)生技術(shù)為核心的生物浮島可改變富營養(yǎng)化水體的流動(dòng)，促進(jìn)貧氧水體和富氧水體的交換，并具有以下附加效果：①可將水面的藻類隨微納米氣泡水吸引到深水區(qū)，抑制藻類生長(zhǎng)，并將藻類在深水區(qū)分解，減少水華現(xiàn)象的發(fā)生；②可通過浮島的隔離吸附打撈功能攔截部分藻類，直接減少水中的營養(yǎng)物質(zhì)含量；③通過在裝置上安置水生植物來吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，圍繞水生植物群落形成適于微生物以及大小魚類生存的環(huán)境，從根本上改善富營養(yǎng)化水體的物質(zhì)循環(huán)。

此外，該產(chǎn)品采用的新型微納米曝氣裝置和獨(dú)特的水流控制設(shè)計(jì)可減少能耗，可進(jìn)行定點(diǎn)精密加藥控制，減少試劑投放量。使用時(shí)需要考慮富營養(yǎng)化水體的季節(jié)性、周期性及突發(fā)性等各種因素，增強(qiáng)裝置的輔助及綜合功能，從而確定水環(huán)境治理、恢復(fù)的最佳方案。該技術(shù)集成了水力學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)的低能耗，高效能，環(huán)境友好等特點(diǎn)，符合水體富營養(yǎng)化治理技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)。