基于生态安全的微纳米气泡强化混凝-臭氧工艺深度处理再生水理论研究

Urban sewage regeneration and recycling is of great significance for the control of water pollution, the improvement of water quality and the sustainable urban water system construction. This project mainly aims to study the effect of coagulation – ozone micro- and nanobubble flotation process for the reclaimed water treatment, the effect of its utilization risk and its ecological environment. Firstly, from two aspects, the physical and chemical indicators and sanitation indicators, we will study the treatment effects of different operation conditions for the reclaimed water. Secondly, from the following points, that is, the micro- and nanobubble size distributions, the zeta potential, the gas solubility, the gas retention time and the formation of hydroxyl radical during the bubble collapse, we will try to explore the mechanism of micro- and nanobubble enhanced treatment. The characteristics of reclaimed water quality and the change of ozone residue in reclaimed water will be simulated with different water quality conditions, ozone ventilation and ozone reactor design. Finally, the ecological safety of treated reclaimed water by micro- and nanobubble technology and the influence on the aquatic organisms and plant metabolic activity will be studied. The achievements of our study will provide theoretical basis and technical support for the optimization of treatment conditions for reclaimed water, and will effectively improve the treatment effect, reduce processing costs and ensure the ecological security of effluent.

城市污水再生与循环利用，对于控制水体污染、改善水环境质量、构建可持续城市水系统具有重要意义。本课题以处理城市污水二级出水为目标，主要研究混凝-臭氧微纳米气泡气浮工艺对再生水深度处理的效果以及再生水的利用风险和生态环境效应。首先，研究微纳米气泡技术对传统混凝-臭氧氧化工艺的强化程度。从理化指标和卫生学指标两方面研究混凝-臭氧微纳米气泡气浮工艺对再生水的处理效果。其次，从微纳米气泡粒径、数量密度、表面电荷方面、气体溶解性、气体停留时间以及破裂产生羟基自由基的特性探讨微纳米气泡技术强化的机理。并模拟不同水质条件、臭氧通气量及臭氧反应器设计工况下的再生水水质特征和再生水中臭氧残留量随时间的变化特征。最后，研究经微纳米气泡工艺处理后出水对水生生物生理活性的影响，探究处理出水的生态安全性。为科学指导再生水处理工艺的优化、为有效提升处理效果降低处理成本和确保生态安全提供理论基础和技术支持。

基于臭氧氧化的高级氧化技术在再生水深度处理领域受到了广泛的关注，该技术具有氧化能力强、消毒效果好等明显优势。然而，由于臭氧在水中溶解度低，污染物氧化分解不完全，消毒副产物残留等问题，严重限制着该工艺的推广应用。微纳米气泡技术是目前普遍采用的提高水中气体溶解度的手段，同时，由于微纳米气泡内部压力高，其在破裂过程中易生成氧化能力极强的羟基自由基，因此，臭氧微纳米气泡技术有望突破臭氧氧化技术的瓶颈，提高再生水的深度处理效果。本研究主要考察了臭氧微纳米气泡水的理化性质及产生的自由基种类，并以城市污水处理厂二级出水为对象，考察微纳米气泡对臭氧氧化能力的促进效果。实验得到如下结论：.（1）臭氧微纳米气泡水具有气泡密度高、稳定性强、粒径小、比表面积大、传质作用强、衰减过程缓慢、传质位点丰富、自由基中间体产生能力强等特性。实验发现，臭氧微纳米气泡在产生过程中可以激发羟基自由基和少量的超氧阴离子自由基的产生，且在气泡停止产生后的一段时间能连续产生羟基自由基。臭氧微纳米气泡所具有的比表面积大、稳定的气液界面，以及由Zeta电位测定结果所显示的气水界面聚集负电荷等诸多特性，均有利于自由基反应的发生，从而促进臭氧产生活性自由基中间体。.（2）利用微纳米气泡技术和传统臭氧处理工艺对二沉池出水进行深度处理，发现臭氧微纳米气泡在溶解性有机物、总有机碳、总菌和大肠杆菌的去除过程中表现出显著的优势。臭氧微纳米气泡对TOC、DOM的去除速率高于臭氧常规气泡；对总菌的除菌率能够达到99.99 %，且能够缩短去除大肠杆菌的时间，说明臭氧微纳米气泡的氧化作用和消毒作用均强于臭氧常规气泡。因此，臭氧微纳米气泡在水深度处理领域可作为强化臭氧作用的手段，提高再生水的处理效果。