微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用研究 4页

第42卷第7期广州化工Vol.42No.72014年4月GuangzhouChemicalIndustryApr.2014微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用研究吕宙，从善畅，程婷，王建(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009)摘要:微纳米气泡曝气作为一种新型的曝气技术，已被逐渐运用在水处理中。本文从实际出发，对比研究了微气泡曝气和底部曝气对生活污水的处理效果。实验结果表明，在相同的曝气强度下，微气泡曝气技术对污水中CODCr的降解效率要明显高于底部曝气，前者的去除率为90.8%，后者仅为86.4%。使用微气泡曝气时，SS的浓度在8h内达到最低值，去除率为96.3%，而使用底部曝气时，污水中的SS在第12h才达到最低值，去除率仅为89%。使用微气泡曝气时，污水中氨氮的浓度在14h左右(底部曝气需20h)基本达到最低值，去除率为82%，比同时间段使用底部曝气时水中氨氮的去除率要高约15%，低温时更要高出20%以上。此外，使用微气泡曝气对TN和TP的最大去除率分别比底部曝气高7.5%和6%。关键词:微气泡;曝气;底部曝气;氨氮中图分类号:X52文献标志码:B文章编号:1001－9677(2014)07－0122－04AppliedＲesearchofMicro－nano－bubbleAerationTechnologyonTreatmentofDomesticSewageLVZhou，CONGShan－chang，CHENGTing，WANGJian(CollegeofＲesourceandEnvironmentalEngineering，HefeiUniversityofTechnology，AnhuiHefei230009，China)Abstract:Asanewtypeofaerationtechnology，micro－nano－bubbleaerationwasgraduallyusedinthewatertreatment.Fromtheactualpractice，acomparisonstudyontreatmentefficiencyofdomesticsewagebetweenthemicro－bubbleaerationandthebottomaerationwascarriedout.Theresultsshowedthatmicro－bubbleaerationtechnologycouldmakehigherdegradationefficiencyonCODCrinsewagethanthebottomaerationunderthesamegasflow.Theremovalrateoftheformerwas90.8%，whilethelaterwas86.4%.TheconcentrationofSScouldgettheminimuminthe8hwhenusingthemicro－bubbleaerationanditsremovalratewas96.3%，whilethebottomaerationneeded12htoreachtheminimumandtheremovalratewasonly89%.Withthemicro－bubbleaeration，NH3－Nconcentrationinsewagefundamentallygottheminimumin14h(bottomaerationneeded20h)，anditsremovalratewas89%，whichwas15%higherthanthatfromthebottomaerationduringthesameperiodoftimeandmorethan20%higherwhenthetemperaturewaslow.Additionally，theremovalratesofTNandTPcamefrommicro－bubbleaerationwere7.5%and6%higherthanthosefromthebottomaeration.Keywords:micro－bubble;aeration;aerationofbottom;NH3－N［3］如何提高生活污水和工业废水的高效处理一直是国内外环曝气方式的选择在很大程度上决定活性污泥中微生物对氧的保领域的难题，而曝气技术作为一种投资少、见效快、无二次利用率，从而影响对污水的处理效率，本文以COD、氨氮等生污染的有机废水治理技术，已经越来越受到重视。人们经过研活污水指标的降解效率为出发点，以微纳米气泡曝气和传统底究发现，气泡直径的大小与曝气效率成正相关，而上世纪八十部曝气为对比，探讨微纳米气泡技术在生活污水处理中的实用年代，产生的气泡直径仍是毫米级，无法到达微米级甚至是纳效果。米级气泡。这种情况一直持续到20世纪90年代末期的时候，由日本的科学家首先研制出微米气泡的发生设备，并应用在牡1实验部分［1］蛎和扇贝养殖方面，取得了良好的效果。随后，纳米级的气1.1设备泡也应运而生，人们对微纳米气泡的各种物理化学性质也有了更进一步的研究与了解，并成功将其应用在环保，水产养殖，微纳米气泡发生器由云南夏之春环保科技有限公司生产，［2］产生的气泡直径在700nm～12μm之间，其原理是通过加压释医疗卫生，农作物生产以及人们的日常生活方面。尤其是在［4］环保领域中，人们利用微纳米曝气处理有机废水，取得了诸多压的方法使水与气高密度相溶混合，形成云一样“乳白色”研究成果，表现出较好的技术优势和应用前景。的气液混合体。其他主要设备有ACO系列电磁式空气泵，便携现代大多污水处理厂处理污水采用的都是活性污泥法，而式溶解氧仪，蠕动泵，搅拌器若干，气体流量计。作者简介:吕宙(1988－)，男，硕士研究生，研究方向为环境规划与管理。\n第42卷第7期吕宙，等:微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用研究1231.2实验设计为了比较微纳米气泡曝气技术和普通曝气技术(底曝)对生活污水的处理效率，先后分别用微纳米曝气和底部曝气对生活污水进行处理，另设一组无曝气作为对照。水源直接取自经过旋流沉砂池的生活污水，反应器由有机玻璃制成，容积为240L，反应器底部有微孔曝气口若干，中间由可自由拆卸的有机玻璃组成，是为了便于设置厌氧区和缺氧区。其中厌氧区的氧气浓度控制在0～0.2mg/L，缺氧区的氧气浓度控制在0.2～0.5mg/L，好氧区域的氧气浓度控制在2.5～3.0mg/L。实验中的进水流量都设置在30L/h，污泥回流为15L/h，MLSS为3500mg/L，SV为25%，微纳米气泡发生器和底部曝气的进气图2SS浓度随曝气时间的变化量均设置为0.25L/min，曝气时间共24h，每隔1h进行取样。Fig.2ChangeofSSconcentrationwiththeincreaseofaerationtime为了减小误差，以上实验均重复三次，每次以一周为稳定时间。2.3对氨氮的去除1.3水质分析方法CODCr用重铬酸钾快速消解法检测;氨氮用纳氏试剂分光光度法检测;TP用钼酸铵分光光度法检测;TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测;SS用重量法检测;DO用便携式溶解氧仪监测。2结果与分析2.1对有机物COD的去除图3氨氮浓度随曝气时间的变化Fig.3ChangeofNH3－Nconcentrationwiththeincreaseofaerationtime水体中氨氮的浓度变化如图3所示，使用底部曝气时，前20h内水中的氨氮浓度变化一直呈下降的趋势，最大去除率为69.6%;而用微气泡曝气时，水体中氨氮的浓度在14h左右基本达到最低值，去除率为82%，比同时间段使用底部曝气时水中氨氮的去除率要高约15%。这可能是因为在微气泡曝气时，［7］水体中氧的传质效率高，使得硝化速率更快。由此可见微气泡曝气对污水中氨氮的去除效果要明显优于底部曝气。图1CODCr浓度随曝气时间的变化Fig.1ChangeofCODCrconcentrationwiththeincreaseofaerationtime2.4对TP的去除如图1所示，用微气泡曝气对污水CODCr的降解效率要高于底部曝气。其中使用微气泡曝气时，在10h内，水体的CODCr即由358mg/L降到33mg/L，去除率为90.8%，之后的14h内没有较大变化，最低能达到24mg/L;而使用底部曝气，在14h内，水体的CODCr由345mg/L降到47mg/L，降解率为86.4%。这可能是因为微纳米气泡产生大量的自由基离子，如［5］氧离子、氢离子、氢氧离子等。而其中的羟基自由基具有很强的氧化作用，可以氧化分解一些难以降解的有机污染物，起到很好的净化水质的效果。2.2对SS的去除生活污水中SS浓度的变化如图2所示，使用微气泡的曝气的处理效果要明显优于底部曝气。其中使用微气泡曝气时，图4TP浓度随曝气时间的变化Fig.4ChangeofTPconcentrationwiththeincreaseofaerationtimeSS的浓度在8h内达到最低值，去除率为96.3%。而使用底部曝气时，污水中的SS在第12h才达到最低值，去除率仅为从图4可以看出，在俩种曝气方式下，TP的浓度都是在89%。这是因为微气泡不但在水中停留时间长，而且表面带有12h左右达到最低值，而后浓度又有小幅度上升和下降，并趋［6］负电荷，具有自我加压等特点，所以对水中悬浮物的吸附效于平稳。其中使用底部曝气时，污水中TP的浓度由开始的果更为显著。2.49mg/L降至0.44mg/L，去除率为82.3%。而使用微气泡\n124广州化工2014年4月［9］曝气时，TP的浓度由开始的2.55mg/L降至0.26mg/L，去除溶解氧。江浩等在对微纳米曝气和射流曝气的对比分析实验率达到89.8%，效果明显优于前者，这可能是因为微气泡曝气结果表明，在相同的曝气强度下，采用微纳米气泡曝气技术后环境下氧的利用率更高，更有利污水中磷酸盐被微生物吸收。的溶解氧总体平均值为9.88mg/L，而射流曝气后的溶解氧总2.5对TN的去除体平均值为6.37mg/L，前者总体效果高于后者的35.5%。洪［10］涛等在用微纳米气泡曝气处理黑臭河水的实验研究表明，微纳米气泡曝气在60～80min内就能达到或非常接近其对污染物最高的处理效率，而普通曝气要在80min后才能达到。又有研究人员将微纳米气泡技术与混凝气浮工艺联合运用在废水的预处理中，对废水中的油类和悬浮物表现出良好的吸附去除效［11］果。LiuShu等在用混凝微米气泡气浮工艺与混凝传统气泡气浮工艺对印染废水的预处理对比试验中，在相同环境下，混凝微气泡气浮工艺对COD、色度和油的去除率比混凝传统气泡气浮工艺提高30%、110%和40%。并且与传统的混凝气浮工艺能将废水的可生化性从0.290提升到0.301相比，混凝微气泡工艺能将废水的可生化性提高到0.363。此外，还能有效降低混凝剂的使用量。［12］图5TN浓度随曝气时间的变化综上所述，微纳米气泡曝气技术作为新型的曝气技术已Fig.5ChangeofTNconcentrationwiththeincreaseofaerationtime经逐渐受到人们的重视，其比表面大，自身增压，带电性等诸多优点能为水处理技术带来新的可操作性，解决诸多有机污染污水中TN随曝气时间的变化如图5所示。使用微气泡曝［13］［14］物不易被降解的难题，实现水质的净化，在地下水污染气时，污水中TN浓度一直呈下降趋势，并且在10h左右达到［15］的生态修复中也发挥了积极的作用。而在生活污水处理中，最低值10.6mg/L，去除率为73.6%。使用底部曝气时，污水微纳米气泡曝气技术不仅可以提高污水中各有机物的去除率并中的TN浓度在12h左右才降到最低值12.1%，去除率为解决在寒冷天气时氨氮降解率不高的问题，而且可以试图与某67.6%，其去除效果要低于微气泡曝气方式。［16］些技术相结合，节约成本，提高整个污水处理厂的污水处理2.6低温时对氨氮的去除效果量，产生直观的经济效益。4结论在用活性污泥法处理生活污水的模拟试验中，我们使用了俩种曝气方式进行曝气，分别是底部曝气和微纳米气泡曝气，通过对比研究发现，与底部曝气相比，微气泡曝气对CODCr、SS、氨氮、TP和TN的去除效率和效果都有较为明显的优势，最大去除率分别达到90.8%、96.3%、82%、89.8%、73.6%。平均效率能提高10%～20%，节省电能15%左右，在生活污水处理中表现出良好的应用前景。参考文献［1］大屋奈绪子．利用纳米技术增强臭氧的效果利用气泡杀灭诺如病图6低温时氨氮浓度随曝气时间的变化毒［J］．生物技术产业，2007(3):62－64．Fig.6ChangeofNH3－Nconcentrationwiththeincrease［2］KukizakiM，WadaT．EffectofthemembranewettabilityonthesizeandofaerationtimeunderlowtemperaturesizedistributionofmicrobubblesformedfromShirasu－poious－glass当外部环境温度为10～12℃而其他条件不变时，同样(SPG)membranesColloidsandSurfacesA:Physicochemcialand用该俩种曝气方式对污水进行曝气处理。由图6可以看出，EngineeringAspects，2008，317:146－154．［3］王毅力，汤鸿霄．气浮净水技术研究及进展［J］．环境科学进展，当使用底部曝气时，氨氮的处理效率显得不高，最低能降到1997(7):94－103．14.6mg/L，去除率为45.10%;而使用微气泡曝气时，氨氮浓［4］ＲiverforestCorporation．Micro－NanoBubbleGenerators［OL］．度最低能降到8.4mg/L左右，去除率高达68.9%，且达到最http://www．riverforestcorp．com/micro－bubbles．html，2011．低点的时间要比使用底部曝气提前3h左右。此外，微气泡曝［5］TakahashiMasayoshi，ChibaKaneo，PanLi．Free－radicalgeneration气后水体中氨氮浓度的稳定性要比使用底部曝气时强，这是否fromcollapsingmicrobubblesintheabsenceofadynamicstimulus［J］．［8］与微气泡的性质有关还需进一步探究。J．Phys．Chem．B，2007，111(6):1343－1347．［6］LiuShu，WangQunhui，SunTichang，etal．Theeffectofdifferenttypes3讨论ofmicro－bubblesontheperformanceofthecoagulationflotationprocessforcokewaste－water［J］．J．chem．Technol．Biotechnol，从以上各指标的分析可以看出，在活性污泥法的氧化沟工2012，87(2):206－215．艺中，使用微纳米气泡对污水进行曝气，CODCr、氨氮等去除［7］刘春，张磊，杨景亮，等．微气泡曝气中氧传质特性研究［J］．环境工效率均比传统曝气方式要提高不少，微纳米气泡的比表面积程学报2010(3):585－590．大、水中停留时间较长等特性是其在水处理方面有特殊优势的(下转第168页)主要原因。人们研究发现，微纳米气泡曝气技术能产生更高的\n168广州化工2014年4月KMnO4ＲC≡CH→ＲCOOH+CO22.2脱羧反应汉斯狄克(Hunsdiecker)反应:即纯的干燥的羧酸银盐在四氯化碳中与溴一起加热，可以放出二氧化碳生成比原料少一2.4其它反应个碳原子的溴代烃;科西(Kochi)反应:羧酸用四乙酸铅和氯甲基醛、酮在卤素的氢氧化钠溶液中发生卤仿反应，生成化锂处理，可发生脱羧反应生成氯代烃;同一碳上连有羧基和少一个碳原子的羧酸和卤仿;含有甲基的混合醚在HX作用下另一个拉电子基团的化合物都容易发生脱羧反应;如果羧基直发生醚键的断裂生成减少一个碳原子的产物;鲁夫(Ｒuff接连接拉电子基团，同样使它容易脱羧。例如丙二酸加热脱Degradation)降解:糖酸的钙盐在三价铁盐催化下可被过氧化氢羧，而己二酸和庚二酸既脱羧又失水生成五、六元环酮。12氧化断裂C－C键生成少一个碳的糖。其中X、y为拉电子基团。2.3霍夫曼降解［3］:当酰胺用溴的碱性溶液处理时，3结论霍夫曼(Hofmann)降解反应中发生分子重排生成比原料少一个碳的胺;酰氯与叠氮化我们对有机化学合成中增加和减少一个碳原子的合成方法钠作用及羧酸与叠氮酸反应均生成酰叠氮化合物。这种化合物逐一进行了详尽的分析和总结，不仅有利于促进有机化学教学不稳定，加热即放出氮气生成胺类，前者叫克尔蒂斯(Curtius)质量的提高，而且有利于培养学生分析和解决问题的能力。重排，后者称施密特(Schmidt)重排，这是两个与霍夫曼重排类似的反应。参考文献［1］胡宏纹．有机化学．3版［M］．北京:高等教育出版社，2006:189－201．［2］邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，等．基础有机化学．3版［M］．北京:高等教育出版社，2008:356－361．［3］王积涛，张宝申，王永梅，等．有机化学．2版［M］．天津:南开大学出版社，2002:536－537．檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵(上接第124页)［8］OhgakiKazunari，KhanhNguyenQuoc，JodenYasuhiro，etal．Evidence［13］陈致泰，李士刚，韩光瑶，等．河湖复氧微气泡纯氧曝气技术介绍oftheexistenceandthestabilityofnanobubblesolutions［J］．Chemical［J］．北京水务，2008(1):39－41．EngineeringScience，2010，65:1296－1300．［14］OhnariHirofumi．Wastewaterpurificationinwidewaterareabyuseof［9］江浩，吴涛．微纳米曝气技术在水环境治理方面的应用［J］．河海水micro－bubbletechniques［J］．JapaneseJ．MutiphaseFlow，1997利，2011(1):24－27．(11):263－266．［10］洪涛，叶春，李春华，等．微米曝气技术处理黑臭河水的效果研究［15］JenkinsKristenB，MicgelsenDonaldL，NovakJohnT．Applicationof［J］．环境工程技术学报，2011(1):20－26．oxygenmicrobubblesforinsitubiodegradationofp－xylene－［11］LiuShu，WangQunhui，MaHongzhi，etal．Effectofmicro－bubblescontaminatedgroundwaterinasoilcolumn［J］．Biotechnol．Prog，onCoagulationflotationprocessofdyeingwastewater［J］．Separation1993(9):394－400．andPurificationTechnology，2010，71:337－346．［16］初里冰，邢新会，于安峰，等．微米气泡强化臭氧氧化的作用机理研［12］ChuLibing，YanSangtian，XingXinhui，etal．Enhancedsludge究［J］．环境化学，2007，26(5):622－625．solubilizationbymicrobubbleozonation［J］．Chemosphere，2008，72:205－215．