長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)由于對(duì)水污染問(wèn)題缺乏系統(tǒng)性、協(xié)同性和創(chuàng)新性的科學(xué)研究，水污染控制的技術(shù)支撐相對(duì)薄弱，因而導(dǎo)致水污染日趨嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)尚未得到根本扭轉(zhuǎn)。未來(lái)5～15年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，水資源與水環(huán)境質(zhì)量仍然是制約與脅迫我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸。因此，盡快利用創(chuàng)新性的實(shí)用技術(shù)手段，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)，是保護(hù)人類生存健康安全的重要課題。

自然界的水域都有一定程度的自凈能力，這種自凈能力來(lái)源于水中微生物的活動(dòng),如果水中缺氧，厭氧微生物處于活躍狀態(tài)，水域通常處于嚴(yán)重污染中。 但是，當(dāng)進(jìn)入水域中的污染物總量超過(guò)水中溶解氧含量的自凈能力時(shí)，水中的溶解氧含量在氧化分解部分污染物后被消耗光，剩余的污染物由于微生物在貧氧狀態(tài)下的還原性分解作用，會(huì)產(chǎn)生硫化氫、氨氣等令大多數(shù)海陸生物致命的毒性氣體，通常會(huì)導(dǎo)致魚類、貝類等生物大批死亡；同時(shí)造成水體中的氨氮含量增大超標(biāo)及重金屬類（如錳、鐵等）析出等嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境的后果，同時(shí)由于深層水體的弱流動(dòng)性，水分子與水中的各種生物的代謝產(chǎn)物結(jié)合成為龐大的聚合分子團(tuán)，在這種聚合分子團(tuán)中，水分子與水中的污染物帶電粒子通過(guò)吸附方式緊密結(jié)合，隨污染物質(zhì)在貧氧狀態(tài)下的還原性分解產(chǎn)物的增多又反過(guò)來(lái)加強(qiáng)了這種結(jié)合，致使這種龐大的聚合分子團(tuán)在水域中擴(kuò)大，由于這種結(jié)合相對(duì)穩(wěn)定，即使采用強(qiáng)制曝氣、通入氧氣手段也無(wú)法使水中溶解氧擴(kuò)散到全體水域，最終導(dǎo)致整個(gè)水域喪失吸收氧的能力，水域的自凈能力徹底消失，使之成為“死水”，并出現(xiàn)水華（赤潮、青潮）、水體變黑變臭等現(xiàn)象，在污水處理的生化反應(yīng)過(guò)程中也不同程度的存在同樣的問(wèn)題，對(duì)環(huán)境及衛(wèi)生安全造成了嚴(yán)重的影響。

 

旋回式氣液混合型微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是按照流體力學(xué)計(jì)算為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)生器（左圖），在進(jìn)入發(fā)生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)，并在發(fā)生器的中部形成負(fù)壓軸，利用負(fù)壓軸的吸力可將液體中混合的氣體或者外部接入的氣體集中到負(fù)壓軸上，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的超高的旋轉(zhuǎn)速度與氣液密度比（1：1000）的力學(xué)上的相乘效果，在氣液接觸界面間產(chǎn)生高速?gòu)?qiáng)力的剪切及高頻率的壓力變動(dòng)，形成人造極端條件，在這種條件下生成大量微米、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)氧化效果可以分解水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。微納米氣泡在水中的溶解率超過(guò)85%，溶解氧濃度可以達(dá)到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長(zhǎng)時(shí)間（上升速度6cm/分鐘）存留在水中，可以隨著溶解氧的消耗不斷地向水中補(bǔ)充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強(qiáng)氧化性離子團(tuán)，并保證了活性氧充足的反應(yīng)時(shí)間，由微納米氣泡處理過(guò)的水的凈化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然條件下的自凈能力。

微納米氣泡的特性

微納米氣泡具有上升速度慢的效果。氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。

微納米氣泡具有自身增壓的效果。通常微納米氣泡內(nèi)部的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界液體的壓力，可以將更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中，并伴隨有自身溶解消失的現(xiàn)象。

相對(duì)于微納米氣泡的體積，其比表面積非常大，具有超常的氣體溶解能力。直徑10微米的氣泡同直徑1mm的氣泡相比，考慮氣泡內(nèi)部壓力及比表面積的效果，前者的氣體溶解能力為后者的100倍，如果考慮氣泡的上升速度的影響，理論上有20萬(wàn)倍的氣體溶解能力。

表面帶電的特性等，微納米氣泡的表面帶有負(fù)電荷，對(duì)水中污染物或懸浮物的吸附效果顯著,并產(chǎn)生大量氫氧自由基,具有增強(qiáng)氧化的效果。

目前的一些實(shí)驗(yàn)表明，微納米氣泡有別于一般氣泡，它自身有刺激促進(jìn)生物成長(zhǎng)的特性。但又有別于一般的氣體溶解水，比如碳酸水、氨水這些屬于利用氣體溶解改變水的物理化學(xué)特性的所產(chǎn)生的氣體機(jī)能水，表現(xiàn)出更強(qiáng)的功能性。另外，微米、納米氣泡本身極小，具有眾所周知的超強(qiáng)的氣體溶解效果之外，其氣泡的衰減期也非常低，即，微米，納米氣泡可以長(zhǎng)時(shí)間滯留于水中的特點(diǎn)，可以邊消耗邊補(bǔ)充水中氧氣或其他參與反應(yīng)的氣體，具有緩釋效果，氣泡中承載的氧氣、臭氧等氣體在水中可以被充分利用。

 

3.1微納米氣泡直徑分布數(shù)據(jù)（部分） 

測(cè)定結(jié)果：本裝置生成的微納米氣泡水中90%以上的氣泡直徑分布在35微米以內(nèi)，均值30微米

3.2 微納米氣泡技術(shù)與傳統(tǒng)曝氣設(shè)備（穿孔管，曝氣頭）的充氧效果比較

下方兩圖分別為本項(xiàng)目的微納米氣泡技術(shù)與傳統(tǒng)的曝氣設(shè)備的充氧效率及氣泡比表面積、物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)的比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖所示，微納米氣泡的氧氣溶解速度比通常的氣泡大，并且可以看到微納米氣泡物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)為傳統(tǒng)曝氣設(shè)備的10倍以上。

微納米氣泡發(fā)生技術(shù)及其比較

 

4.工業(yè)廢水處理上的應(yīng)用:

利用微納米氣泡的超強(qiáng)的氣體溶解能力可以用于設(shè)計(jì)新型MBR的曝氣系統(tǒng)及各種高濃度化工廢水處理設(shè)備的開發(fā)。

例1,在日本宮城縣的某食品加工廠,日排水量在200-300t/日,COD為2500-2800mg/L,SS為300-400mg/L,水中油份(N-H)約為800mg/L,采用臭氧微納米氣泡曝氣法處理后，BOD及COD均下降至10mg/L以下，出水水質(zhì)透明，接近清水。與原來(lái)的活性污泥法相比，污泥產(chǎn)量降低，并且減少了臭氣產(chǎn)生，雖然增加了臭氧發(fā)生器的電量消耗，但由于微納米氣泡的臭氧利用率提高（80%以上），與減少的污泥處理量的處理成本相比，仍具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

例2，在制造纖維的含有PVA的化工排水處理中，由于自身PVA難分解的化學(xué)品，直接使用生物法處理也比較困難。通常利用鐵粉和過(guò)氧化水的芬頓法來(lái)進(jìn)行處理，處理成本高，并且生成的污泥中含有大量鐵，不利于后續(xù)處理，在實(shí)驗(yàn)室中將PVA加入蒸餾水同時(shí)使用微納米氣泡進(jìn)行曝氣，經(jīng)2小時(shí)后測(cè)得TOC去除量為30%以上，利用工廠的原水（TOC為1200mg）進(jìn)行微納米氣泡曝氣實(shí)驗(yàn)，經(jīng)40小時(shí)后可將TOC降至原水的1/10，并且，可通過(guò)增大臭氧的濃度來(lái)縮短處理時(shí)間。

臭氧微納米氣泡+紫外光的高級(jí)氧化技術(shù)及裝置

該設(shè)備采用微納米氣泡發(fā)生器系列中的F.BT-50S，利用水泵壓力輸送廢水原水到設(shè)置在低壓罐體內(nèi)，利用該發(fā)生器的負(fù)壓自吸效果吸入臭氧，由于在壓力環(huán)境下進(jìn)行臭氧的溶解，可提高處理水中臭氧的溶解濃度，并由于生成的臭氧水中存在的臭氧的微納米氣泡具有緩釋效果，可以延長(zhǎng)臭氧在水中的留存時(shí)間，提高臭氧的利用率達(dá)80%以上，而普通的該類產(chǎn)品的臭氧利用率僅為30%-40%，可降低運(yùn)行成本50%以上。另外，結(jié)合本身具有強(qiáng)氧化性臭氧與紫外光之間的協(xié)同作用可顯著地加快有機(jī)物的降解速率，大大降低其COD和BOD的含量。當(dāng)臭氧被光照時(shí)，首先產(chǎn)生游離氧O•，O•與水反應(yīng)生成•OH。UV輻射除了可誘發(fā)•OH產(chǎn)生外，還能產(chǎn)生其他激態(tài)物質(zhì)和自由基，加速鏈反應(yīng)，而這些激態(tài)物質(zhì)和自由基在單一的臭氧氧化過(guò)程中是不會(huì)產(chǎn)生的。在中性或堿性溶液中，O3/UV過(guò)程產(chǎn)生較少的過(guò)氧化氫和較多的自由基•OH。有紫外光照射時(shí)反應(yīng)速率可比無(wú)紫外光照射時(shí)提高了3-5倍。同時(shí)利用微納米氣泡在水中緩釋效果利用臭氧微納米氣泡結(jié)合紫外光的方法是一種高效的高級(jí)氧化處理方法，能夠迅速、低成本地將化工廠排水中含有的難分解的物質(zhì)氧化分解成為可以被微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有助于提高后續(xù)的生物處理的效率。

特點(diǎn)：

a)產(chǎn)生大量非?；顫姷腍O•自由基，其氧化能力（2.80V）僅次于氟(2.87V)，HO•自由基是反應(yīng)的中間產(chǎn)物，可誘發(fā)后面的鏈反應(yīng)，HO•自由基的電子親合能為569.3KJ，可將飽和烴中的H拉出來(lái)，形成有機(jī)物的自身氧化，從而使有機(jī)物得以降解，這是各類氧化劑單獨(dú)使用都不能做到的；

b)反應(yīng)速度快，多數(shù)有機(jī)物與羥基自由基的氧化速率常數(shù)可達(dá)106—109M-1S-1；

c)HO•自由基無(wú)選擇直接與廢水中的自由基反應(yīng)將其降解為二氧化碳、水和無(wú)機(jī)鹽，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；

d)由于它是一種物理-化學(xué)處理過(guò)程，反應(yīng)條件溫和，通常對(duì)溫度和壓力無(wú)要求，很容易加以控制，以滿足處理需要，甚至可以降解10-9級(jí)的污染物；

e) 同時(shí)，它既可作為單獨(dú)處理，又可以與其它處理過(guò)程相匹配，如作為生化處理的前、后處理，可降低處理成本；

臭氧、紫外線、微納米氣泡的協(xié)同作用，單獨(dú)處理時(shí)，可對(duì)高難度的有機(jī)廢水起到強(qiáng)氧化作用，對(duì)廢水的COD、色度等進(jìn)行降解；也可作為廢水的預(yù)處理和深度處理，其處理后的廢水更容易生化處理或其它的物化絮凝處理，在廢水的中水回用和達(dá)標(biāo)排放都有很好的作用?？梢詮V泛用于：制藥化工廢水、垃圾滲透液、食品及皮革廢水等的預(yù)處理和深度處理，油田灌注水、工業(yè)冷卻循環(huán)水的消毒滅菌的處理。作為廢水的預(yù)處理將極大改善后段處理如：生化處理、絮凝沉淀處理的效果，作為深度處理可以提高廢水排放、中水回用等指標(biāo)。

 

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