微纳米气泡处理污水小系统开题报告

安徽工程大学本科毕业设计（论文）开题报告题目：微纳米气泡处理污水小系统设计指导老师：徐建平（教授）院系：生物与化学工程学院专业：环境工程（102班)学号：3100406226姓名：张琴弦日期：2014年3月5日选题依据：（包括选题的目的、意义、国内外研究现状分析等，并附主要参考文献及出处）一、选题的目的和意义中国是个水资源严重短缺的国家，水环境问题极为突出。目前，对于日益严重的河湖污染问题，我国通常采用的处理设备，难以产生微纳米级的细小气泡，溶氧率低、能耗高。而微纳米气泡发生装置能够生产直径在50μm和数十纳米（nm）之间的微小气泡，可快速地溶解于水体中，溶氧效率大大提高。该技术作为一种新型污水处理技术，在水环境治理中的市场前景极为广阔。微纳米气泡:就是气泡发生时,其大小在十微米(um)以下至数百纳米(nm)之间的气泡混合状态,称为微纳米气泡。水处理领域离不开曝气环节,气泡越小容氧性越强，而气泡小到十微米以下，其物理、化学性质都将发生根本性变化。微气泡由于尺寸小，可表现出一些特殊的行为特性，如存在时间长、传质效率高、表面电荷形成的ζ电位高以及可释放出自由基等特性。微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基[5]。本次试验研究将基于微纳米气泡的一些特殊行为特性，进行微纳米气泡法处理工业废水的探讨。。本课题拟开展微纳米气泡强化处理污水中的有机物、氨氮、铁锰离子、酚类的机理与效果研究。探讨一种新型、高效、无二次污染的高级氧化处理方法，对微纳米气泡法在污水处理中的推广应用有重要意义。二、国内外研究现状分析2.1微纳米气泡强化氧化法处理污水的现状利用羟基自由基的强氧化性可以对工业废水中大量污染物进行处理。有研究结果证实，使用臭氧作为微气泡承载气体更容易产生大量羟基自由基，而且值得注意的是，尽管臭氧具有强氧化性，但自身却不能氧化分解某些有机物，如聚乙烯醇等，但将臭氧与微气泡技术联用后，却可以在短时间内有效地将这些不能降解的有机物氧化为无机物[6]。Takahashi等[7]证实强酸条件下空气微气泡破裂产生自由基可以去除酚；Li等[8]发现酸性条件下铜可以催化氧气气泡破裂产生自由基，以去除聚乙烯醇；Chu等[9,10]发现臭氧微气泡能够提高臭氧传质效率，并强化溶解性污染物的氧化去除；Liu等[11]在染料废水混凝气浮处理中，发现微气泡可以提高氧传质速率及污染物去除效率。2.2微纳米气泡强化氧化法处理污水的机理微气泡由于尺寸小，可表现出一些特殊的行为特性，如存在时间长、传质效率高、表面电荷形成的ζ电位高以及可释放出自由基等特性。1.延长停留时间普通气泡在水体中产生后，会迅速上升到水面并破裂消失，气泡存在的时间短；而微气泡一经产生，在水中上升的速度较慢，从产生到破裂的历程通常达到几十秒甚至几分钟[22]，而且在上升过程中体积会不断收缩并于水中最终溶解消失，如图1中所示。对于微气泡来说，体积越小的气泡在水中的上升速度就越慢，例如：气泡直径为1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径为10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000。图1普通气泡、微气泡与纳米气泡的区别2．提高传质效率当气泡直径较小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现得较为显著。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用，使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。从理论上看，随着气泡直径的无限缩小，气泡界面的比表面积也随之无限增大，最终由于自身增压效应可导致内部气压增大到无限大。因此，微气泡在其体积收缩过程中，由于比表面积及内部气压地不断增大，使得更多的气体穿过气泡界面溶解到水中，且随着气泡直径的减小表面张力的作用效果也越来越明显，最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破裂消失[22]。因此，微气泡在收缩过程中的这种自身增压特性，可使气液界面处传质效率得到持续增强，并且这种特性使得微气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。3.界面ζ电位高微纳米气泡界面周围的电荷离子会形成双电层，气泡表面吸附有带负电的表面电荷离子如OH－等。在表面电荷离子层周围，由于电性吸引又分布有带正电的反电荷离子层如H3O+等，如图2所示（图2中H+即为H3O+）。微气泡的表面电荷产生的电势差常利用ζ电位来表征[23]，ζ电位是决定气泡界面吸附性能的重要因素。气泡的体积越小则界面处产生ζ电位就会越高，相应对水体中带电粒子的吸附性能也就越好。当微气泡在水中收缩时，电荷离子在非常狭小的气泡界面上得到了快速浓缩富集，表现为ζ电位的显著增加，到气泡破裂前在界面处可形成非常高的ζ电位值[5]。图2气泡界面带电机理示意图4.释放自由基微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基[5]。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。有研究结果证实，使用臭氧作为微气泡承载气体更容易产生大量羟基自由基，而且值得注意的是，尽管臭氧具有强氧化性，但自身却不能氧化分解某些有机物，例如聚乙烯醇等，但将臭氧与微气泡技术联用后，却可以在短时间内有效地将这些不能降解的有机物氧化为无机物[6]。参考文献：[1]严煦世等.水和废水技术研究[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.184-85.[2]冯敏等.工业水处理技术[M].北京:海洋出版社,1990.193-197.[3]张全兴,刘天华.我国应用树脂吸附法处理有机废水的进展(续)[J].化工环保,1995,15(1):17-20.[4]邵刚.膜法水处理技术[M].北京:冶金工业出版社,1992.286.[5]TakahashiMasayoshi，ChibaKaneo，PanLi.Free-radicalgenerationfromcollapsingmicrobubblesintheabsenceofadynamicstimulus[J].J.Phys.Chem.B，2007，111（6）：1343-1347.[6]TakahashiMasayoshi，ChibaKaneo，PanLi.Formationofhydroxylradicalsbycollapsingozonemicrobubblesunderstronglyacidicconditions[J].J.Phys.Chem.B，2007，111（39）：11443-11446.[7]TakahashiM，ChibaK，LiP．Free-radicalgenerationfromcollapsingmicrobubblesintheabsenceofadynamicstimulus[J]．TheJournalofPhysicalChemistryB，2007，111(6):1343-1347．[8]LiP，TakahashiM，ChibaK．Enhancedfree-radicalgenerationbyshrinkingmicrobubblesusingacoppercatalyst[J]．Chemosphere，2009，77(8):1157-1160．[9]ChuLB，XingXH，YuAF，etal．Enhancedozonationofsimulateddyestuffwastewaterbymicrobubbles[J]．Chemosphere，2007，68(10):1854-1860．[10]ChuLB，XingXH，YuAF，etal．Enhancedtreatmentofpracticaltextilewastewaterbymicrobubbleozonation[J]．ProcessSafetyandEnvironmentalProtection，2008，86(5):389-393．[11]LiuS，WangQH，MaHZ，etal．Effectofmicro-bubblesoncoagulationflotationprocessofdyeingwastewater[J]．SeparationandPurificationTechnology，2010，71(3):337-346．[12]赵瑛等.化工废水处理技术探讨[C].中国环境保护优秀论文集,2005,1118-1119.[13]戴耀南等.环保工作者实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1987.[14]唐受印等.废水处理工程[M].第2版.北京:化学工业出版社,2004.[15]杨健等.有机工业废水处理理论与技术[M].北京:化学工业出版社,2005.[16]郭如新.Mg(OH)2在工业废水处理中的应用[J].工业水处理,2002,20(2):1-4.[17]陶冶,买文宁.生物化工行业现状及其污染治理[J].河南化工,2002,(12):4-7.[18]白晓慧,陈英旭.一体式膜生物反应器处理医药化工废水的试验[J].环境污染与防治,2002,22(6):19-21.[19]许保玖.论水质科学与工程兼论21世纪的水处理科技[J].工业水处理,2000,20(1):1-4.[20]谢红彬,刘兆德,陈雯.工业废水排放的影响因素分析[J].长江流域资源与环境,2004,13(4):394-398.[21]周新,任勇,裴晓菲.论我国工业污染治理的市场化及政策[N].中国环境报,2003-9-12.[22]TakahashiMasayoshi，KawamuraTaro，YamamotoYoshitaka，etal.Effectofshrinkingmicrobubbleongashydrateformation[J].TheAmericanChemicalSociety，2003，107（10）：2171-2173.[23]TakahashiMasayoshi.Theζpotentialofmicrobubblesinaqueoussolutions—Electricalpropertiesofthegas-waterinterface[J].TheJournalofPhysicalChemistry，2005，109（46）：21858-21864.研究方案：（包括研究内容、研究方法、技术路线及可行性分析）研究内容：（1）微纳米气泡处理工艺的确定与说明；（2）微纳米气泡处理工艺计算；（3）微纳米气泡处理主要设备选择与选型计算，辅助设备选型；（4）微纳米气泡处理系统布置；（5）编写设计说明书。研究方法：1、微纳米气泡发生装置的选择与确定通过了解对不同微纳米气泡发生装置的产气泡性能、产气泡量以及价格等条件选择微纳米气泡的发生装置。2、微纳米气泡处理工艺的研究建立一个微纳米气泡发生系统，通过调整空气微纳米气泡发生器与介质（如：进气量、时间、压力（浸入深度）、温度、pH、粘度等）参数条件，考察在不同介质中产生的空气微纳米气泡尺寸，兼并、破裂特性，氧溶解率、单位能耗溶氧效率，确定主要影响因素。3、确定微纳米气泡处理污水的装置通过对微纳米气泡的特性研究，建立一个微纳米气泡处理污水系统。首先，设计一个大小适中的污水槽，根据污水量的大小确定污水槽的大小、形状。其次，通过对微纳米气泡的特性的了解，确定处理装置中的曝气装置的设计，从而确定整个微纳米气泡的处理装置。可行性分析根据国内外研究结果和机理分析，用微纳米气泡处理污水具有可行性。大量文献及数据证明，微纳米气泡处理含酚污水具有良好的效果，同时具有广阔的发展前景。微纳米气泡发生装置工作原理及所产生的气泡大小与常规曝气装置有很大的不同，因此该装置产生的微纳米气泡具有许多独有特点。微纳米曝气技术对改善水质的作用主要有消除有机物污染和黑臭、减少水体营养盐含量、消除藻类水华、减少底泥内源污染等。有实验研究证明，矿井水中的Fe2+能与H2O2形成Fenton试剂后产生的具有强氧化