随着国家对河流黑臭水体治理的重视，微泡法作为一种可以稳定提高供氧能力的修复技术[1]，在黑臭水体以及城市景观水体的治理方面有着巨大的优势[2-4]。由于自身的尺度效应，微泡出现沉降等特殊的理化特性，而这些特性能够极大提升污水处理的能力[5-8]，因此，微泡发生装置的研究受到人们的广泛关注，现在已开发包括射流式、机械搅拌式、微多孔结构等多种微泡发生装置[9-12]。
加压溶气气浮法[13]主要由流量泵、空压机、耐压溶气罐和喷嘴等部分组成。 系统利用空压机提供固定压力的压缩气体，流量泵控制稳定的水流，在高压溶气罐内形成过饱和溶气水。当过饱和溶气水在压力罐内充分混合后，经过喷嘴以微泡的形式释放，为水体内的氧化还原反应以及微生物的生长繁殖提供充足的氧源[14]。本文中尝试研究一种加压溶气式微泡发生器，并通过实验验证其可行性，并在此基础上对各个参数进行优化，找到最佳运行条件。相比同类方法，除了能够提高供氧能力，缩短处理时间、减小反应器占地面积等方面的优势外[15-16]，又不同于传统方法。本方法结构简单，采用中位粒径更小的微泡，作为供氧的主体，可以提高氧气在水中的停留时间，增加底层含氧量。
1 实验
1.1 仪器与装置
实验测量所用仪器如表1所示，微泡发生器主要部件如表2所示。
表1 实验测量仪器
Tab.1 Experimental measuring instrument
仪器名称厂家型号图像仪丹东百特仪器有限公司BT-1600分光光度计尤尼柯(上海)仪器有限公司V1800可见溶解氧测定仪衡欣仪表有限公司AZ86031
表2 微泡发生器部件
Tab.2 Micro-bubble generator components
设备名称厂家参数范围空压机湖南三荣压缩机有限公司0～1.2 MPa计量泵苏州科腾泵业有限公司0～20 L/min
1.2 实验设备
通过管路将空压机、计量泵和溶气罐上端的气液混合喷嘴相连。将空压机上的另一条管路与溶气罐的进气口连接。在罐体出水口安装喷嘴(用作释放器)。2条气路分别通过阀门1和阀门2控制流量，并由流量表1和流量表2读取具体的数值；罐体的压力由压力表指示；计量泵的流量通过自身所带流量控制阀控制，如图1所示。
图1 微泡发生器结构示意图
Fig.1 Structure chart of micro-bubble generator
实验使用压力溶气罐的内径为100 mm， 总高度为280 mm， 其中， 罐体上端进气口距主体上端60 mm，下端出水口距主体下端为60 mm，顶端内螺纹管高度为40 mm，如图2所示。
实验的主要操作步骤： 1)同时打开计量泵和空压机的开关； 2)调节计量泵上的流量控制阀使水流量达到某个固定值(调节范围为0～20 L/min)； 3)打开气路阀门1， 使空气和水在罐体顶端的气液混合喷嘴处混合后流入溶气罐内；4)打开阀门2，调节压力值，当系统稳定时，观察压力表的读数，得到罐体内部的压力值，同时读取流量表1和流量表2的气体流量值，两者之和(即总气体流量)与已知的水流量得到气水体积流量比值；5)气液混合物通过喷嘴2流入出水桶，采集水样。
图2 压力溶气罐尺寸图
Fig.2 Dimensional of pressure tank
实验过程中，若空气流量或压力发生变化，调节阀门1，使系统的流量和压力达到稳定，记录流量表1、流量表2和压力表的值，用移液管从出水桶中采集水样，用于测量。
1.3 实验测定方法
1.3.1 微泡直径测定
采用图像仪测定水体中微泡尺寸分布。得到微泡的直径分布、中位径等参数，如图3所示。
图3 微泡直径分布图
Fig.3 Distribution of micro-bubble diameter
实验中的微泡直径分布数据均为10次取样拍照，分析得到的平均值，微泡数目可达到700个。
1.3.2 微泡体积分数测定
运用可见分光光度计测定含微泡水中的透光率。基于光全散射法，利用百特经验公式计算微泡的体积分数：
CV=-(3·D·log(I/I0))/(2·L·K)，
(1)
式中：CV为微泡的体积分数， %； D为中位粒径， μm； I/I0为光透过率； L为光程长度， μm； K为消光系数， 与折射率、 波长、 粒径相关， 通常大于2 μm， K取值为2.0。
1.3.3 溶解氧测定
采用多功能水质测定仪测量溶解氧随时间的变化。
1.4 实验目的
实验通过改变气水比、压力、水流量等参数，探究各参数对微泡尺寸分布、体积分数和溶解氧的影响。实验还探讨了液面位置以及表面活性剂对微泡参数的影响，探寻实验装置的最佳运行条件。
2 结果与讨论
2.1 气水比对微泡中位径的影响
在P=0.7 MPa，QL=20 L/min的条件下，调整气体流速，使气水体积比(以下简称气水比)分别为0.5 ∶1、 1 ∶1、1.5 ∶1、2 ∶1、 2.5 ∶1、 3 ∶1、 4 ∶1、 5 ∶1共8组， 然后，在不同气水比条件下，测得微泡的中位径值，得到中位径随气水比的变化，见图4。
图4 不同气水体积比微泡的中位径
Fig.4 Medium size of micro-bubbles with
different gas-water ratios
由图4可以看出，气水比对微泡中位径大小的影响明显。气水比在0.5 ∶1～1.5 ∶1区间内，随着气水比的增加，微泡的中位径减小；在1.5 ∶1～5 ∶1区间内，随着气水比的增大，其中位径增大。因此实验的最佳的气水比为1.5 ∶1。
2.2 压力对微泡中位径的影响
在气水比为1.5 ∶1，QL=20 L/min条件下，分别调整罐体压力从0.3～1.2 MPa，并测定微泡中位径值。得到中位径随压力的变化，见图5。
图5 不同压力微泡的中位径
Fig.5 Medium size of micro-bubbles
under different pressure
由图5可以看出，在0.6 MPa以下，中位径较小，而在压力大于0.7 MPa时，微泡的中位径出现突然增大，常规情况下压力增大微泡的中位径应当减小，这里出现在高压区的反常现象，考虑可能是由于罐体较小，当压力过高时，罐体内液面位置较低，导致微泡中位径出现反常现象，由于在P=0.3 MPa条件下， 出水流速过小， 生成微泡的数量较少； 而P=0.6 MPa压力过高，增加能耗。因此P=0.4 MPa为实验最佳压力值。
2.3 水流量对微泡中位径的影响
在P=0.7 MPa，气水比为1.5 ∶1的条件下。调整罐体中水流量为5、 10、 15、 18、 20 L/min共5组，测得微泡的中粒径，得到中位径随水流量的变化，见图6。
图6 不同水流量下微泡的中位径
Fig.6 Medium size of micro-bubbles at
different water flow rates
从图6中看出，在气水比和压力一定的情况下，微泡的中位径随着水流量的增加而减小。在水流量为20 L/min为时出现最小值。因此实验最佳的水流量为20 L/min。
2.4 液面位置对微泡中位径的影响
将罐体从下至上平均分为4个区域(分别用1区、2区、3区、4区表示，其中1区为最低液位，4区为最高液位)在P=0.4MPa，QL=20 L/min，气水比为1.5 ∶1的条件下，测得微泡的中位径，得到中位径随液面位置的变化，见图7。
图7 液位对微泡中位径的影响
Fig.7 Effect of liquid level on the median
size of micro-bubbles
从图7中可以看出，随着液面位置的不断升高，微泡的中位径越来越小，其中的原因可能与系统的稳定性有关，当液位在3、4区时，罐内的压力可以在较长的时间内保持稳定，而当液位在1、2区时，罐体内部压力不平衡，使得气液饱和液在释放的过程中不能很好地保持稳定的状态，从而使微泡的中位径增大。考虑到液位在4区时罐内预留空间过小，长时间运行可能影响到气水混合的效果，因此，选用3区作为设备的最佳运行液面位置。
2.5 表面活性剂对微泡中位径的影响
在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，气水比为1.5 ∶1，液位面在3区的实验条件下, 向20 L水中投加不同的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠(SDS)、 月桂酸钠(SD)， 投加的质量浓度分别为0、 0.01、 0.025、 0.05 g/L测得微泡的中位径， 得到表面活性剂对中位径的影响，见图8。
图8中两条线分别表示投加不同浓度SD、SDS得到的微泡中位径的曲线，对比未投加的空白组可以看出，投加SD的微泡的中位径增大，原因可能是SD在水中溶解后会出现白色浑浊，当投加质量浓度超过0.025 g/L时，水体浑浊度逐渐增大，对中位径的检测造成干扰，固此在SD投加量为0.05 g/L时，未能得到可靠的中位径结果。投加了SDS的微泡的中位径，投加浓度0～0.025 g/L时，随着SDS投加浓度的增大，微泡的中位径出现减小，并在0.025 g/L出现最小值。对于SDS而言， 适量的SDS可以有效的降低水的表面张力， 增加微泡水量， 减小微泡的中位径， 而过高的浓度会产生大量的泡沫， 使液面上层出现很厚的泡沫层， 严重影响对于下层微泡中位径的测定， 因此， 表面活性剂对于中位径的影响， 在低浓度时有促进其中位径减小的作用， 高浓度时则使得微泡的中位径变大。因此，SDS的最适投加浓度为0.025 g/L。
图8 表面活性剂对微泡中位径的影响
Fig.8 Effect of surfactants on median
size of micro-bubbles
2.6 微泡中位径对溶解氧的影响
在P=0.4 MPa， QL=20 L/min， 气水比为1.5 ∶1， 液位面在3区的条件下分别测得通气1 h后空白组和添加0.025 g/L SDS两组的溶解氧衰减值， 其中， 测得的水体的基础溶解氧质量浓度为5.0 mg/L。 见图9。
图9 微泡中位粒径对溶解氧的影响
Fig.9 Effect of median size of micro-bubbles
on dissolved oxygen
根据测得数据， 空白组的中位径为34.65 μm，添加SDS的数据为26.68 μm，实验开始时，中位径为34.65 μm，测得的溶解氧质量浓度为10.2 mg/L； 中位径为26.68 μm， 测得的溶解氧的质量浓度为11.1 mg/L。从所得数据可以看出，中位粒径值越小得到的溶解氧浓度越高。
2.7 表面活性剂对微泡的影响
在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，气水比为1.5 ∶1，液位面在3区的条件下，分别测得空白组和添加0.025 g/L SDS组的吸光度值， 得到表面活性剂对吸光度的影响，见图10。根据公式，带入吸光度数据后得到微泡水的体积分数。得到表面活性剂对微泡水体积分数的影响，见图11。
图10 表面活性剂对吸光度的影响
Fig.10 Effect of surfactant on absorbance
图11 表面活性剂对体积分数的影响
Fig.11 Effect of surfactant on volume fraction
由图10可以看出， 在投加了表面活性剂后， 吸光度有明显的增大， 即微泡的数量有所增加。 从图11中可以看出， 实验开始时添加了SDS组微泡水的体积分数对比空白组的增加了近一倍， 从随时间的变化上看， SDS组体积分数总能维持在空白组的上方。
3 结论
1)设计一种加压式微泡发生器，能制备出尺寸细小、氧溶解量高的微泡。
2)在P=0.4 MPa，QL=20 L/min，气水比为1.5 ∶1，液位面在3区的条件下能够最优化运行，制备的微泡的中位径在34.65 μm，添加表面活性剂SDS后，中位径可减小到26.68 μm。
3)溶解氧值在直接曝气后可以达到10.2 mg/L，添加SDS后可将溶解氧质量浓度提升到11.1 mg/L，是空白水样的2.2倍。
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