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不同曝氣條件對黑臭河水處理效果的研究
發布時間:2020/09/14 11:05:50  發布人admin

         摘要:對比研究鼓風曝氣技術和微米曝氣技術對黑臭水體的曝氣處理效果, 結果表明: 微米曝氣技術可快速提高水體中溶解氧含量。空氣微米曝氣組對CODcr、NH4+-3N、TP、土臭素、2-甲基異茨醇(2一MIB) 的去除效果高於臭氧鼓風曝氣組和空氣鼓風曝氣組, 臭氧微米曝氣組對黑臭水體的處理效果最好, 水樣中CODcr 、NH3-N、TP、土臭素、2一甲基異茨醇、色度和濁度的去除率分別為:52.82% 、46.89%、19.54% 、61.30%、40.88%、68.18% 和67.6 3%。

關鍵詞:微米曝氣 黑臭水體 臭氧
 
我國河流汙染日益嚴重, 城市河流黑臭現象已成為我國城市河流普遍存在問題, 消除城市河道黑臭現象, 改善城市河道水環境, 保障人們的健康的生活環境, 已迫在眉睫。水體中溶解氧含量不足是造成黑臭物質的產生, 引起自然水體發生黑臭現象的主要原因之一。國內外大量的實踐證明, 人工曝氣增氧方式可有效提高水體溶解氧含量, 有助於河道微生物區係由厭氧向好氧轉化, 促使河道水生植物的生長, 形成河道水體自然複氧係統, 恢複河道水生生態, 間接達到生物修複的目的。普通鼓風曝氣產生的氣泡直徑在幾百微米到幾十毫米之間不等, 通常氣泡的粒徑越小越有利於得到較大的傳質比表麵積, 氣泡傳質比表麵積越大, 越有利於氣一液界麵氧氣的傳質過程, 普通曝氣方式產生的氣泡在水中上升速度快, 自發趨向於合成大氣泡, 氧分子傳質效率低。微米曝氣技術利用高速旋轉產生的剪切力, 可產生5—30μm的微小氣泡和少量的納米氣泡, 這些微米級氣泡, 比表麵積大、上升速率小, 可提高曝氣過程中氣泡與水體的接觸時間和氣體傳質效率, 降低傳統曝氣方式中存在的能源消耗。臭氧具有很強的氧化性(氧化還原電位為-2.07V ), 在水處理領域常用於除臭、除味、去色度、礦化有機物、毒物脫毒等,作用時間短, 氧化去除率高, 無二次汙染, 因此在汙水的深度處理中得到廣泛應用。
 
本文利用普通鼓風曝氣和微米曝氣技術, 使用空氣和臭氧兩種進氣方式對比研究受汙染水體的複氧能力和汙染物的去除效果, 旨在找到一種高效、經濟的曝氣方式, 為城市景觀水體中黑臭河流治理提供參考。
一、材料與方法
(一) 試驗水樣
實驗分別采用空氣和臭氧兩種不同栽氣, 利用鼓風曝氣和微米曝氣技術比較不同曝氣組合方式對黑臭水體的處理效果, 試驗裝置共分為四組: 以空氣作為載氣的鼓風曝氣和微米曝氣, 以臭氧為載氣的鼓風曝氣和微米曝氣。實驗水樣取自北京清河某段受汙染的黑臭河流。
 
(二) 實驗方法
 
試驗開始前向反應器內注人20L黑臭河道原水作為試驗用水。實驗時間l00min, 分別在第0、20、40、60 、80 和l00min 進行水質分析。以上試驗均重複進行3次, 以盡量減小誤差。DO:便攜式溶解氧儀; CODcr:重鉻酸鉀法; NH3一N:納氏試劑光度法;TP: 鋁酸錢分光光度法;土臭素[Ge os m in (蔡烷醇類)];氣相色譜一質譜聯用儀; 2 一甲基異茨醇[2 一MIB (冰片烷醇類) ];氣相色譜一質譜聯用儀; 色度;稀釋倍數法; 和濁度;濁度儀。
 
二、結果
(一) 水體充氧效果比較
 
采用鼓風曝氣和微米曝氣分別對受汙染的河道水進行10Omin的曝氣, 方差分析結果表明, 微米曝氣效果顯著( P< 0.01 ) 好於鼓風曝氣效果。如圖1所示, 微米曝氣技術, 在20min 時, 水體中溶解氧含量達到7.27mg/L, 在曝氣進行到60min 時, 溶解氧含量達到最大值9.87 mg/L。而在鼓風曝氣條件下,20min、60min時水中溶解氧含量分別是5.23mg/L、6.0lmg/L, 充氣效果低於微米曝氣。
 
(二) CODcr去除效果的比較
 
對比四組不同曝氣條件下CODcr的去除效果,如圖2所示。分別以空氣和臭氧為栽氣, 利用微米曝氣技術經過100min的曝氣後, CODcr 的去除率分別為40.86%、52.82% ,高於鼓風曝氣所達到的效果, CODcr的去除率分別為27.48% 、35.71% 。利用微米曝氣技術在60min時, 空氣微米曝氣對CODcr的去除率達到了39.09% ,臭氧微米曝氣達到了52.65% , 即在60min時, 利用微米曝氣技術即可達到高效的去除效率, 同比鼓風曝氣大大減少了曝氣時間, 提高了CODcr 的去除效果。
 
(三) NH4+-N、TP去除效果的比較
 
水體中存在大量的氮、磷營養鹽是造成水體富營養化的重要原因, 利用曝氣技術在一定程度上減少水體中氮、磷營養鹽的含量, 可以改善水體富營養化的狀態。如圖3所示, 在相同載氣條件下, 利用微米曝氣技術對NH4+-N和TP的去除效果均高於鼓風曝氣的去除效果。在l00min時,各種曝氣方式對NH4+-N的去除率分別為:臭氧微米曝氣46.89%、空氣微米曝氣43.07%。臭氧鼓風曝氣36.45% , 空氣鼓風曝氣30.94%;對TP的去除率為:臭氧微米曝氣19.54%、空氣微米曝氣24.49% , 臭氧鼓風曝氣8.42%、空氣鼓風曝氣15.05%。
 
(四) 色度、濁度去除效果的比較
 
不同曝氣方式對黑臭水體色度、濁度的去除效果如圖4 所示, 在曝氣初期, 水體的色度和濁度值升高, 隨著曝氣的進行, 水體中色度和濁度開始降低, 在曝氣進行的80min內水體中色度和濁度下降效果明顯, 已趨於平衡, 實驗進行l00min結束時水體中的色度、濁度值變化不大。在實驗後期, 微米曝氣好於鼓風曝氣。
 
(五) 嗅味物質去除效果的比較
 
實驗表明, 空氣鼓風曝氣能在一定程度上去除嗅味物質, 但效果不明顯, 土臭素去除率為27.05% , 2-MIB為14.84% 。利用微米曝氣技術產生的微米氣泡能大大提高兩者的去除效果,以空氣進氣的微米曝氣組對土臭素最大去除率為47.93%,對2一MIB的去除率為26.82% ,為鼓風曝氣方式去除率的1.7-1.8倍。同時,空氣微米曝氣組的去除效果, 要高於臭氧鼓風曝氣組,而臭氧微米曝氣組對土臭素和2-MIB的去除效果最好: 61.30%、40.88% 。
 
三、分析與討論
(一) 微米曝氣技術原理分析
 
陳如燕等研究發現, 鼓風曝氣產生的氣泡在水中受浮力作用而呈上升的趨勢, 在此過程中發生複雜、不穩定的聚並和破裂過程。發生合並後的氣泡比表麵積增大, 不利於水中溶解氧的傳遞, 並且氣泡體積的增大其必然所受浮力也增大, 加快上升速度、使氣泡停留時間減少。在曝氣過程中溶解氧濃度的變化不僅和氧虧值成正比, 而且和氣液相界麵麵積成正比,微米氣泡比表麵積大, 增大了氣液相界麵麵積, 可有效提高氧傳遞速率。張建生等研究表明,在靜水中水泡上升的速度與其線度密切相關。對於很小的氣泡, 其運動規律是線性的, 隨著氣泡半徑的減小,氣泡的上升速度也在減小。當達到微米級氣泡時, 上升速度已經很慢。程文等的實驗也證實了氣泡上升速度與氣泡半徑符合這種規律, 且較大氣泡上升速度較快, 上升過程中易發生變形現象。根據有關對水中氣泡上升或懸浮其直徑大小閥值的力學分析計算, 當氣泡直徑大於25μm時則氣泡上升而逸出水麵, 當小於等於25μm時, 氣泡就停留、懸浮於水中川。當氣泡的直徑小於3μm的時候, 這種氣泡具有普通氣泡所沒有的理化作用特性, 而且這種氣泡的表麵能很大可與水分子緊密結合, 能夠實現氣泡在水中的沉降。微米氣泡尺寸為5一30μm之間,氣泡較小, 所受浮力小, 表麵張力大使其上升速度慢, 在水中停留時間長, 有利於長時間保持水體中的高含量的溶解氧, 因此在對黑臭河水進行處理時, 微米曝氣效果好於鼓風曝氣。
 
在氣泡在水中的上升過程中, 由於氣泡的尺寸變小而使得其上升的速率減小, 那麼到達水麵的時間必定變長。有研究表明相對於傳統曝氣過程中氣泡在水中停留時間短、氧氣利用率低,微米氣泡在水中較長的停留時間是該技術在水處理中獲得明顯優勢的主要原因之一。
 
(二) 微米曝氣技術除汙機理分析
 
微米曝氣方式產生的微米氣泡相對於鼓風曝氣方式有明顯的優勢, 微米氣泡體積小、表麵積大其表麵具有較強的張力, 且微米氣泡自身具有的趨於縮小的性質, 使得其在水中不斷收縮而形成表麵積更大的vr賽車295開獎號碼, 直至最後湮滅。在此過程中微米氣泡逐漸縮小, 其內部必然產生很高的壓力, 當氣泡崩潰的瞬間會在其周圍極小的空間範圍內產生高溫和高壓並伴有強烈的衝擊波和微射流等現象, 產生類似於空化氣泡的空化效應而產生HO·,並且使得氣泡表麵層的水分子形成超臨界水, 有利於化學反應速率的增加,從而達到快速、高效降低CODcr、NH4+-N 、TP、異味物質濃度和降低水體色度和濁度的效果。
 
由於曝氣對水體的攪動作用和曝氣作用會使得水體中一些顆粒性物質溶解到水體, 加之微米氣泡尺寸較小, 有利於好氧微生物的吸收利用, 使得有機物降解速率加快, 同時微米氣泡對一些懸浮物進行絮凝, 因此在曝氣進行的20min中內會使得水體中的色度和濁度有一定程度的短暫上升。
 
當水體水質惡化、水體溶解氧含量較低時, 會滋生大量的魚腥藻、矽藻、放線菌等, 這些藻類和放線菌等會產生土臭素仁[Geosmin (蔡烷醇類)]和2-甲基異茨醇[2-MIB (冰片烷醇類)]等致嗅物質。Romano等研究表明使水體發生黑臭的是由於放線菌在有機汙染物存在下所產生的土臭素和2-MIB,水體中兩者的含量可以定量描述水體黑臭的程度。對黑臭水體進行曝氣一方麵可以對水體起到補充氧氣的作用, 使水體由厭氧狀態轉變為有氧狀態抑製厭氧生物的生長從而抑製致臭物質的產生, 另一方麵曝氣可以去除原水體中的致嗅物質, 直接改善水質。
 
實驗表明, 四種曝氣方式均能降低水體中嗅味物質的含量, 改善水質。但是利用微米曝氣技術, 在60min時已經達到對土臭素和2 -MIB較高的去除效果, 之後隨著反應的進行去除率的上升趨勢並不明顯。因此微米曝氣技術不僅去除效果明顯, 且可縮短反應時間, 這也證明微米曝氣技術對黑臭水體淨化效果的優越性。
 
(三) 微米曝氣技術強化臭氧氧化能力
 
實驗表明, 臭氧微米曝氣比空氣微米曝氣具有更好的去除汙染物效果。這是因為臭氧在水中具有較高的氧化還原電位(2.07V), 具有很強的氧化性, 可直接降解汙染物。劉春等的研究也表明微氣泡曝氣可獲得較高的氣含率和氣泡停留時間, 有效提高表麵曝氣時氧氣的總轉移係數, 可以強化氣一水的氧傳質過程。本實驗利用微米曝氣技術產生的臭氧微米氣泡來增加臭氧-水的接觸麵積, 提高臭氧的傳質速度和氧化能力, 增強了臭氧對水體中汙染物的去除效果。初裏冰等的研究也表明采用微米氣泡不僅可以提高臭氧在水中的傳質速度, 提高臭氧的利用率,還可以強化臭氧的氧化能力。因此利用臭氧微米曝氣技術不僅提高了臭氧的氧化能力和停留時間, 提高了臭氧的利用率, 而且可以降低臭氧的使用成本。
 
四、結論
(l) 微米曝氣技術可快速增加水體中的溶解氧含量, 且微米氣泡在水體中的停留時間要遠遠高於鼓風曝氣。
 
(2 ) 對黑臭河流水體的實驗中, 以空氣和臭氧分別進行鼓風曝氣技術和微米曝氣。在相同的進氣條件下, 微米曝氣技術能更有效提高水體中DO含量, 增加CODcr、NH4+-N、TP、異味物質的去除效果以及有效降低水體色度和濁度。
 
(3) 人工曝氣複氧技術應用於城市黑臭河流的治理在國內外取得了很好的成效, 利用空氣微米曝氣技術可以達到高效、快速治理汙染河流的目的。對於黑臭河流水質較高色度、濁度以及難降解的汙染物質的去除時, 采用聯合臭氧微米曝氣技術進行處理能起到很好的效果。
 
 
《中國環境科學學會學術年會論文集》

 

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