本文所介绍的推流式微纳米气泡增氧水环境修复生物浮岛技术是以微纳米曝气技术为核心设计的一种可船载的推流式微纳米气泡水质改善装置，主要是利用微纳米气泡的高效增氧、促进生物活性、改善水体流动条件的特性，集成了现有的生物治理技术研制高效的生物浮岛技术，为水体富营养化治理提供高效，可行的，具有创新性的实用技术与设备。

富营养化概述

近年来我国湖泊富营养化问题日益突出，从上世纪70年代到现在的近40年间，全国湖泊富营养化面积增长了约60倍。上世纪70年代，我国湖泊富营养化面积约为135km2，而随着近年来经济社会快速发展，目前富营养化面积已达约8700km2。进入21世纪，太湖、巢湖、滇池等大型天然湖泊更是出现了大面积水华，导致全国湖泊的富营养化面积急剧增加。据了解，全国1km2以上的湖泊有2000多个，目前发达地区的湖泊富营养化已经比较严重，大城市的中心湖泊及一些小湖泊已基本富营养化甚至重度富营养化。

水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。

图1 富营养化水体照片

根治湖泊的富营养化是一个国际难题，具有长期性和复杂性，富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。这是因为：①污染源的复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质，既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内源性。这就给控制污染源带来了困难；②营养物质去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。通常的二级生化处理方法只能去除30%~50％的氮、磷。

国外的富营养化防治设备属于大型高能耗的环保设备，造价高、运行成本高、操作控制复杂，目前应用的实例尚少，在我国市场上尚未出现应用于富营养化防治的专门设备，属于空白领域。

长期以来，我国由于对富营养化水污染问题缺乏系统性、协同性和创新性的科学研究，富营养化防治控制的技术设备支撑相对薄弱，因而导致水污染日趋严重的态势尚未得到根本扭转。未来5~15年，甚至更长时间内，伴随我国经济社会的高速发展，水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重大瓶颈。因此，尽快利用创新性的实用技术手段，力求从根源上彻底治理污染，还原水域的标准水质，并能够长期维护水域水质洁净状态的富营养化的防治设备与技术是我国经济健康发展及人民生活健康安全的重要课题。

图2 深层曝气系统

国内外相关富营养化防治技术现状

目前国内外去除水体富营养化的方法主要分为药剂法、生物法、工程方法。其中药剂法主要是通过加药抑制水体中N、P元素的析出，药剂投加量大，且存在有效分布问题，对于大面积和较深的水体去富营养化存在难度；生物法主要面临生物活性低和水体中溶氧情况低且存在分布不均匀的问题；而现有工程性措施主要包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少以至消除潜在的内部污染源；深层曝气，可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于抑制底泥中的磷及重金属的释放。

现有的曝气工程设备手段中，人们多数是使用机械搅拌或曝气来提高水中的溶解氧量。然而水体中氧的主要来源是水生植物的光合作用，并且富营养化水体表面并不缺氧，是表面下水体因被藻类遮盖得不到阳光而缺氧。现有的一般的曝气设备，由于产生的气泡直径较大，上升速度很快，即使是在深层水体中注入气体产生气泡，经气泡增氧后的水体也会随气泡的上升而不能留存在深水缺氧的位置，并且由于不能够使增氧后的水体与周围缺氧的水体之间充分混合，收效甚微；另外，通过全层曝气结合机械搅拌的方式来推动富营养化水体的流动混合的方式，该方法由于需要使水域中的大部分水体产生流动，所需要的能耗很高，并且全层曝气的方式破坏了自然水体中的温度跃层，改变了整个水域的生态环境，由此引发的生态链条的调整变化难以预料，所以应用范围只能限制在小规模的封闭水域。

图3 全层曝气系统

推流式微纳米气泡增氧水环境修复生物浮岛技术

现今传统的水体富营养化防治技术及设备在不同程度上均对水体流动、溶解氧、生物链修复这三个方面有所注重，但富营养化水体治理是一个综合的问题，需要将这三者有机的结合起来，单一的方法在富营养化治理的长期效果上不明显，易出现反复。所以，能综合考虑水体流动、增加溶解氧、促进生物活性的适于长期运行的节能型富营养化防治装备与技术的研发成为当前最新的技术发展趋势。

本文所介绍的推流式微纳米气泡增氧水环境修复生物浮岛技术是以微纳米曝气技术为核心设计的一种可船载的推流式微纳米气泡水质改善装置，主要是利用微纳米气泡的高效增氧、促进生物活性、改善水体流动条件的特性，集成了现有的生物治理技术研制高效的生物浮岛技术，为水体富营养化治理提供高效，可行的，具有创新性的实用技术与设备。

图4 微纳米气泡技术发生器

微纳米气泡技术利用特别设计的发生器（如图4），在进入发生器的气液混合流体在压力作用下高速旋转，当高速旋转的液体和气体在适当的压力下从特别设计的喷射口喷出时，由于喷口处混合气液的超高的旋转速度与气液密度比（1:1000）的力学上的相乘效果，在气液接触界面间产生高速强力的剪切及高频率的压力变动，形成人造极端条件，在这种条件下生成大量微米、纳米级气泡的同时具有打碎聚合分子团，形成小分子团活性水的效果，并能够将小部分水分子电离分解，可以在微纳米气泡空间中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子，尤其氢氧自由基有超高的还原电位，具有超强氧化效果可以分解富营养化水体中正常条件下也难以分解的污染物，实现水质的净化。微纳米气泡在水中的溶解率超过85%，溶解氧浓度可以达到10mg/l以上，并且微纳米气泡是以气泡的方式长时间（上升速度3h/m）存留在水中，可以随着溶解氧的消耗不断地向水中补充活性氧，为处理水中污染物、吸收营养物质的微生物提供了充足的活性氧、强氧化性离子团，并保证了活性氧充足的反应时间，由微纳米气泡处理过的水的净化能力远远高于自然条件下的自净能力。微纳米气泡在富营养化方面的应用工程在日本已有多数案例证明了该技术的可靠与有效。

本产品以旋回式微纳米曝气装置为核心，结合水生植物对营养物质吸收，并调整环境中的水体流动，改善水中生物生存条件，形成以该生物浮岛为核心的局部良性循环的水环境，以点带面，从而逐步改善整个水域水环境条件的生态环境修复防治系统。

该设备是考虑到微纳米气泡在横向上易扩散，纵向上浮速度慢的特性，配合适当的水平方向的水体搅拌装置，可将微纳米气泡在水平方向上扩大分布范围，最大可能的与周围水体充分混合，进行氧化反应，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于抑制底泥磷释放。同时增氧后的水体中含有大量的微纳米气泡，微纳米气泡可长时间保持在水中，具缓释性，可随时补充水中氧气的消耗，对水质净化的效果起到事半功倍的效果；微纳米气泡上升速度慢，并且多数微纳米气泡在上升过程中溶解到周围的水体中，而不会像毫米、厘米级气泡那样上升到水面，不会破坏原有水体的生态结构，这是现有的曝气增氧技术所不能比拟的，最大程度地保护了原生态，并从根本上改变了深层水体的生物生存环境，可让微生物的好氧生化效率发挥到最佳状态。以推流式微纳米气泡发生技术为核心的生物浮岛可改变富营养化水体的流动，促进贫氧水体和富氧水体的水体交换，并具有以下附加效果：

可以将水面的藻类随微纳米气泡水吸引到深水区，抑制藻类生长，并将藻类在深水区分解，减少水华现象的发生。

部分的藻类可以通过浮岛的隔离吸附打捞功能直接减少水中的营养物质含量。

通过在装置上安置水生植物形成以微纳米气泡推流装置为核心的吸收水中的营养物质，围绕水生植物群落形成适于微生物以及大小鱼类生存的环境，从根本上改善富营养化水体的物质循环。

通过有针对性地对底层水质进行增氧，抑制底泥中氮磷溢出，逐步改善对富营养化水体的水质；本产品采用的新型微纳米曝气装置和独特的水流控制设计，可减少能耗，并进行定点精密加药控制，可减少试剂投放量。使用推流式微纳米气泡发生装置进行处理，需要考虑到该富营养化水体的季节性与周期性及突发性，增强装置的辅助及综合的功能。周密考虑各因素，确定最佳的水环境治理、恢复的最佳方案。

这种集成了水力学、生物学、生物化学的低能耗，高效能，环境友好的高效生物浮岛技术符合水体富营养化治理技术最新的发展趋势。

小结

目前我中心已开发出可用于城镇生活污水污染防治、工业废水处理、生态养殖、河流湖泊富营养化防治的四大系列20余种大小产品，产品系列齐全，具有较好的市场推广基础。我们与从事流体力学、界面化学、化工、材料及电子科学等领域的科学工作者共同努力，对微纳米气泡进行更为深入的研究，不断地挖掘出它的优点并开发出更好、更实用、更经济的工艺方法，必将使微纳米气泡在我国各工业生产行业和尖端高科技领域有更加广泛的应用。