高能氧微气泡水域环境修复与保护

1、深圳市神州创宇低碳技术有限公司深圳市神州创宇低碳技术有限公司一、前言一、前言中国2009年环境公报公布，我国七大水系203条河流408个地表水国控监测断面监测显示，类和劣类水质的断面比例分别为24.3%和18.4%，黄河、辽河为中度污染，海河已属重度污染。26个国控重点湖泊（水库）中，类和劣类水质14个53.8%，主要污染指标为总氮和总磷。污染的基本原理 水的自净能力来源于水中的溶解氧和水中的好氧菌。水中溶解氧含量越高，对污染物的氧化能力越强，好氧菌繁殖能力越强，对污染物的氧化降解作用越强，水域的自净能力也越强，通常自然水域的天然溶解氧含量为2ppm左右。当水域中进入少量的污染物之后，水域中的

2、溶解氧将污染物氧化分解成没有污染作用的无机物并以气体形态释放，同时好氧菌快速繁殖并氧化降解污染物，水域中很快恢复洁净，再经过一段时间的自然溶解，水域中恢复溶解氧含量，从而实现水域自净能力的循环平衡，维持水域的洁净生态环境。当进入水中的污染物超过水的自净能力后，水中溶解氧消失，水分子被污染物以胶体状态包围，失去了溶解氧的能力，同时导致水中好氧菌因窒息死亡，使水域消失了所有的自净循环能力，水质表现为污染状态，并且越来污染越严重。 因此要彻底解决水域环境污染问题和水质保护问题，就必须选择良好的水中增氧手段。而要给污染水域中增氧，则要求首先以能量的作用破坏污染物与水分子之间的化学键连接，给氧与水结合创

3、造空间，使氧能够顺利地溶解在水中，并可以直接氧化有机污染物。污染的河道污染的河道浮萍疯长浮萍疯长水华污染水华污染项目背景及必要性（1）水环境与水安全面临巨大的压力 90以上城市水域污染严重，宁波作为全国最多水的城市，健康饮用水资源已经枯竭，浙江省没有可以饮用的水域。 国内多个城市严重缺水，水环境、水生态问题更为严峻。 我国所绝大部分湖泊面临着富营养化、蓝藻爆发的威胁。 水环境问题已成为制约社会经济可持续发展的重要因素。 项目背景及必要性（2 2）水生态环境的恶化制约我国生态城市的建设水生态环境的恶化制约我国生态城市的建设 水污染对城乡生态环境造成的影响十分明显，水葫芦、蓝藻、水华现象频繁出现，

4、水生态急剧退化，已经影响了居民生活。 水环境质量是生态城市建设的基本要求和重要指标。 随着经济的发展对水资源、水环境、水生态的要求更高。惠州西枝江水葫芦充满河道 滇池蓝藻爆发现象 由于水体中存在大量的污染物，造成水中溶解氧浓度降低，水体处于严重缺氧状态，使整个生态系统出现危机。 水体曝气增氧是水环境污染治理中一个重要的环节，对提高水体自净能力、恢复水生态系统具有极其重要的作用。 曝气对改善水质的主要作用: 消除有机物污染和黑臭、减少水体营养盐含量、消除水华现象、改善水色及透明度、消除底泥内源污染。对于日益严重的河道污染问题，河道曝气技术作为一种投资少、见效快的河流污染治理技术在很多国家被优先采

5、用。（3 3）水生态修复急需改善水体缺氧的状况水生态修复急需改善水体缺氧的状况项目背景及必要性（4 4）传统的曝气方式难以适应水环境改善的需求传统的曝气方式难以适应水环境改善的需求自然跌水曝气充氧效率低，而且需要地势落差，不能用于平原地区，能耗较低，维护管理简单，多用于园林水景传统机械曝气能耗高、气泡大、在水中停留时间短，曝气后水中溶解氧含量不高，动力效率比较低，急需开展低能耗、高动力效率的新型曝气技术的研发和试验。项目背景及必要性水体曝气技术现状及发展趋势曝气技术现状现状污水处理通常借助于传统高能耗的曝气设备来提高水体的溶解氧浓度，因此，需要开展低能耗的新型曝气技术的研发和试验，因此，曝气方

6、式和曝气设备的选择对城市重污染水体的治理具有重要意义。人工机械曝气充氧效率较高，选择灵活，是治理污染水体多采用的措施之一，机械曝气种类较多，主要有微孔曝气，射流曝气和喷泉曝气等。 鼓风曝气机鼓风曝气机 微孔曝气微孔曝气射流曝气机射流曝气机喷泉曝气喷泉曝气水体曝气技术现状及发展趋势曝气技术发展趋势曝气技术发展趋势国内外研究表明，气泡越小溶氧性越强，目前世界上用于曝气的设备产生的气泡99%大于80微米，而能够产生直径在50微米（um）和数十纳米（nm）之间的微纳米气泡，目前国内外尚属空白。因此，微气泡技术的研究、应用和推广具有重要意义。微气泡不是微孔曝气产生的气泡，使通过高压液体循环产生的具有高能

7、量的微小气泡，在水中溶解度比较高。水体曝气技术现状及发展趋势曝气技术发展趋势曝气技术发展趋势高速旋回式气液混合微气泡技术于2008年11月在水利部综合事业局举办的新产品鉴定会上被评为国际领先水平。该技术的推广应用，需要依托示范工程，进行现场的试验研究，以便于获得设备安全性、有效性及节约能耗等方面的相关技术参数，确定应用中的配套模式。 综上所述，消除水域环境污染、杜绝水域环境生态退化、修复水域生态环境，关系到中国的社会经济发展和在国际地位的提升。 本公司独立开发了高能氧微气泡发生器和污泥净化剂，并进行了必要的水域治理应用试验，取得了理想的效果，也为国内水域环境修复和保护建立了可靠的技术模式。水域

8、修复工程应用实验试验地点：昆明滇池新运粮河 实验面积：2亩 实验时间：2010年5月1018日实验手段：7.5kw沉水式微气泡发生器1台、污泥净化剂50kg水质原态：黑臭，地表劣V类 监督单位：昆明市西山区环境保护局，昆明滇池管理局水域修复工程应用实验试验结果：24小时黑臭现象完全消除，72小时水底淤泥彻底消失，水质透视深度达1.5米，试验区内水体溶解氧9.31mg/L，符合地表III类水质标准。二、技术原理 1、微气泡发生器原理 微气泡发生器主要由输入水气增压泵、曝气头及连接管件组成。利用曝气头内部曝气室高速旋转，形成负压区，使空气进入负压区，由高速旋转的液体将空气均匀切割成小气泡，再通过高

9、速旋转加压成为微气泡，并使微气泡保持高速动能输出。微纳米气泡不受空气在水中溶解度的影响，不受温度、压力等外部条件限制，可以在污水中长时间停留，具有良好的气浮效果。气泡产生回旋加速压缩下越来越小微气泡性质真正的微气泡必须具备如下五种条件：第一，微气泡必须具有很高的能量；使用空气改质（活化）装置AR（空气改质或纯氧制氧机或臭氧发生器）产生大量活性氧，使空气中的氧气结合成带负电的小分子活性氧气团，表现出非常强的氧化反应活性，而且在水中的溶解度远远高于普通的氧气。空气中的氧分子第七轨道电子被激活，这2个不对称电子的能级进一步提高，使氧气的性能增强。这种方式形成了高反应能力的氧气，同时释放出阴离子（电子

10、），所以氧气具有了非常好的活性，也可以说氧气的性能被激活了。微气泡性质第二，微气泡必须含有一定量的气体离子，气体离子一方面靠电致电离产生，另一方面在气液混合时由机械切割产生，气泡最终被正负离子包围。如下图。 气泡在水中产生电离作用，最终被正负离子包围微气泡性质第三，微气泡必须是由较大气泡（0.5mm以上粒径）经过加速过程产生液体内部高压压缩而成；第四，微气泡必须是粒径在0.5纳米50微米之间的气泡数量占全部气泡比例的90%以上；如果把0.5毫米的气泡比作热气球，那么10微米的气泡就相当于1个篮球，而10纳米的气泡就相当于一粒米。气泡产生回旋加速压缩下越来越小微气泡性质第五，活性氧（纯氧和臭氧）

11、微气泡在水中的粒径必须是越来越小，直到完全溶解或破裂在水中，气泡在水中运动的轨迹必须是横向或斜向下，在水中保持时间不低于7天（密闭）。二、技术原理 2、微气泡的优点 微气泡体积小、密度大、压力高、气泡表面张力大，表面张力大于气泡的浮力，因此气泡在水中停留时间长，密闭容器下最高可停留7天，氧微气泡溶解率极高。 微气泡能量非常高，包括高速动能、电离能、气泡暴烈的爆破能、超声波能、带电粒子形成的电场能量等。这种能量足以直接打破有机物分子化学键，促成有机物分解，在使用氧气的条件下形成的微气泡称为高能氧微气泡。 使用高能氧微气泡，可以迅速使水体达到氧饱和甚至过饱和的溶解氧状态，平均溶解氧浓度达到18mg

12、/l左右，最高的溶解氧浓度达到45mg/l左右（含假性溶解）。水质净化还原后，水中的残余溶解氧浓度一般不低于4mg/l，最高可以达到89mg/l，远远高于传统意义上的氧气在水中的溶解度极限值，水质具有超强的活性。高能氧微气泡在水中的化学变化 高能氧微气泡以高速进入水体后，通过物理作用方式产生非常复杂的化学变化，产生大量的活性氧自由基，这些活性氧自由基是处理水污染的核心因素。 高能氧微气泡所拥有的能量全部体现在氧的微观粒子对外表现的粒子能量方面，这种粒子能量能够打破水分子之间的共价键、水分子与污染物之间的共价键、污染物内部的化学键连接，使活性氧以分子态和离子态快速溶解于水中成为溶解氧，同时多种活

13、性氧自由基，快速氧化降解污染物。 微气泡与几种典型的物体运动速度对比微气泡与几种典型的物体运动速度对比高能氧微气泡在水中的化学变化将高能氧（活性氧微细气泡）以高速射入污水中，极高的线速度和高能氧的离子作用下，在水环境中产生下述反应：H2O + e- H+ + OH- 水分子被电离H2O H+ + OH- 水分子被电离H2O(MM)n + E H2O + (MM)n 活性氧破解污染物H2O + O2 + E H2OO2H2O + O3 + E H2OO3 活性氧结合成溶解氧O2 + e- O2-O3 + e- O3- 活性氧成为活性氧阴离子2H+ +2e- + 2O2- H2O2 + O22H+

14、 + 2e- + 2O3- H2O2+ 2O2 活性氧结合成过氧化氢H+ + H2O H3O+ （羟基离子）OH- + H2O H3O2- （水氧基离子）(MM)2n +2nOH-+2nH+ (MOH)n+(MH)nH2S + H2O2 + 4e- 2H2O + S2NH3 + H2O2 + O2 N2 + 4H2O 活性氧自由基分解有机物高能氧对水底污泥的作用高能氧对水底污泥的作用高能氧微气泡输入到水中后，直接对水中污染物发挥氧化降解作用，同时激活投入的污泥净化剂，对水底的污泥快速氧化降解，可以彻底消除污泥，消除水域中的内污染源，从根本上解决水域水质修复和长期保护问题。3、污泥净化剂本品是我

15、公司专家采用多功能的芽孢杆菌和其他相互促进的微生物，科学精制而成的复合微生物制剂，由20多种有益微生物种群与有机质科学配制而成的固体产品。每克含200亿个活性菌。本品是一种安全、高效、无污染、无毒的高科技产品，多功能的芽孢杆菌把池底淤泥和水中悬浮的残饵、粪便、动植物残骸进行分解，而且能改良底质和水质，并可适合兼顾饮水、灌溉、旅游的水库养鱼。使用条件：环境温度不低于5。本品入水后遇活性氧复活，然后快速繁殖并分解有机物。二、技术原理三、高能氧微气泡性能及技术原理总结曝气头微气泡发生器空气水气-水 微气泡曝气系统示意图高能氧微气泡性能测试图表1、微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间，可以强化空

16、气-水的氧传质过程。2、微气泡曝气中氧的总体积传质系数显著高于传统气泡曝气，且随着空气流量的增加而增加；气含率和气泡停留时间 空气流量对总体积传质系数和标准传氧效率的影响高能氧微气泡与射流曝气对比分析高能氧微气泡对溶解氧的影响效果分析 从图中可以看出，曝气初期，由于进口处水体尚未到达出口处，水体中溶解氧升高幅度不大，曝气一段时间后，出水口处水体中溶解氧明显升高，总体平均值为9.88 mg/l，最高值达到18.85 mg/l。高能氧微气泡性能测试图表 从图中可以看出，射流曝气水体中溶解氧也明显升高，总体平均值为6.37 mg/l，最高值达到9.13mg/l。高能氧微气泡性能测试图表高能氧微气泡与

17、射流曝气对比分析射流曝气对溶解氧的影响效果分析 通过上述两种曝气技术比较，从水体中溶解氧的监测结果中可以看出，采用高能氧微气泡技术，曝气后溶解氧总体平均值为9.88 mg/l，而射流曝气后，溶解氧总体平均值为6.37 mg/l，前者曝气效果总体高于后者的35.5%。 高能氧微气泡曝气后，水体中溶解氧最高值达到18.85 mg/l，主要原因是产生的大量微纳米级的气泡，悬浮于水体中，随着水体一起运动，形成超饱和状态。而常规射流曝气难以产生微小气泡，大量气泡在水体中迅速上升，到达水面后消失，不能形成超饱和状态，溶氧效果较低。高能氧微气泡与常规曝气效果的比较分析高能氧微气泡对水质净化的效果分析 从上表

18、中可以看出，曝气后水体中CODcr 、BOD值明显降低，说明了在不考虑其它水质净化措施的前提下，采用曝气方式，由于增加水体溶解氧，使得水体中耗氧微生物活性得到提高，对受污染水体也具有一定的水质净化作用。高能氧微气泡与常规曝气效果的比较分析 高能氧微气泡曝气装置的节能分析 通过示范工程的运行，在相同外部环境下，对两种曝气方式的耗电情况进行了对比分析。与常规射流曝气装置相比，高能氧微气泡的曝气能耗仅为1/5左右。 微纳米泡沫发生装置与射流曝气设备的耗电量比较高能氧微气泡与常规曝气效果的比较分析高能氧微气泡运行效果分析高能氧微气泡与常规曝气效果的比较分析 通过示范工程近一年的监测结果，分析如下： 正

19、常运行以来，水体水质改善显著，高能氧微气泡曝气后的DO平均值为9.16，平均比曝气前的DO值增加了4.73左右，设备运行稳定，曝气效果较好，满足潜流湿地水源的进水标准，达到曝气后溶解氧大于8的要求。 将曝气前和曝气后的DO值相比较，二者变化趋势一致，曝气后的DO值随水源DO值的变化而变化，说明曝气系统运行非常稳定。 水源水质不稳定，个别时段DO值在0.21.0之间，水质远低于设计进水水质，但通过曝气设备的正常运行，源水DO为0.720.78的情况下，曝气后DO值为5.41和4.81，说明经过曝气，水中溶解氧有了很大的提高，满足潜流湿地进水的水质需求。四、工程试验示范结论试验地点：天津市外环河子

20、牙河海河段，西青区 津涞公路附近，桩号52+342处五、示范工程试验试验项目：天津市水科院子牙河净化（863课题）示范工程占地面积约32000m2，其中潜流湿地系统占地25000m2，微纳米曝气装置设置在湿地的进水池内，水体处理能力达到4000m3/d。人工湿地人工湿地人工浮床人工沉床人工投菌喷泉曝气人工湿地 设备安装高能氧微气泡曝气设备平面布置图 通过微纳米曝气技术的现场试验，对水体溶解氧含量、持续时间、节能以及对水质处理效果等方面进行分析，对该项技术进行安全性、有效性及经济性的综合评价，其成果可为治理河湖水体的水环境工程建设提供技术依托，以便于进行推广。 1、采用高能氧微气泡曝气技术，效果总体高于射流曝气35.5%。 2、通过近一年的工程运行，水体水质改善显著，曝气设备运行稳定，曝气效果较好，达到要求。 3、在进水水源水质极度恶劣的情况下，经过曝气，水中溶解氧有了很大的提高，满足潜流湿地进水的水质需求。 4、在相同外部环境下，高能氧微气泡曝气的耗电量仅为常规射流曝气装置的1/5左右，节能效果显著。 5、高能氧微气泡发生器既可使水体增氧，还可有效的净化水质，其工作过程噪音低、不会产生有毒有害物质，运行安全可靠。六、市场应用需求 高能氧微气泡与生物污泥净化剂是一项新兴技术，可广泛应