随着我国工业化的迅速发展和城市化规模的不断扩大，人们生活和生产过程中排放的污染物使原水水质逐渐降低，水中的有机污染物不断增多。因此，国家对水污染防治越来越重视。为防治水污染，加强湖库保护，改善流域生态环境，保障生态安全，促进生态文明建设和社会经济高质量发展，牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，实现人与自然和谐共生，各级党委政府坚持统筹协调、科学规划、创新驱动、综合治理、系统治理、源头治理。虽然水质分析技术逐渐进步，但水源中能够测得的微量污染物质种类也不断增加，微污染水体和富营养化湖库给人们的生产和生活带来了极大影响。

微污染水体一般指含有的污染物种类较多、性质较复杂，但污染物浓度较低微的水体。这种水体的水质指标不满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准，如污水处理厂的尾水、初期雨水、沟渠水、河道水等。

富营养化湖库指湖泊、水库以及某些近海水体中的营养物质（一般指氮和磷的化合物）过量，从而引起水体植物（藻类及大型植物）的大量生长。相较于水生植物，藻类在竞争营养盐方面有优势，如果湖库水体营养盐过多，藻类、根生和浮游生物会大量生长繁殖，会导致湖库臭味和水色变化，还可能会导致湖库沼泽化，容积大幅减少，从而危害湖库水体正常功能。同时，植物的分解会消耗大量溶解氧，释放大量溶解性有机物，导致湖库水质恶化。此外，藻类在代谢死亡过程中释放各种藻毒素，具有较强的毒理作用，会危及整个湖库生态系统[1-2]。

针对入湖河道等微污染水体和富营养化湖库的治理，昆明水啸科技有限公司自主研发了组合式流化床叠加微纳米分子筛气浮系统技术。该技术可以快速精准去除微污染水体及富营养化湖库中的污染物，且具有投资低、占地面积小、运行管理方便、污染物去除率高、出水稳定达标的特点。

1、微污染水体和富营养化湖库系统治理技术

1.1 组合式流化床技术

组合式流化床技术集成了序批式泥膜共生工艺、经EM（一种复合微生物菌）改性原位环境微生物培养驯化的微氧颗粒技术、带有自旋式分压布水器的原位多介质净化系统、垂直竖流式多介质生物反应循环搅拌系统及其装置。首先，通过对序批式泥膜共生工艺的研究，将泥膜共生的原理植入组合式流化床，在流化床系统内植入生态基填料，为BDF生态基（一种仿生水草型生物填料）及水立方高效填料，并利用系统工程原理和微生物食物链的方法模拟真实水生态环境，旨在构建一个微生物种群多样化和微生物数量最优化的微生化系统。其次，投放经EM改性原位环境微生物培养驯化的微氧颗粒至流化床的前端水体中，使水体形成较完整的生态链系统，从而有效改善水体水质。再次，将湖泊之肺放置于流化床内，对流化床内的水体进行原位搅拌、引流、推流、过滤截留、生物球填料柱微生物降解，持续削减水体中的有机污染底物。最后，垂直竖流式多介质生物反应循环搅拌装置以微生物优胜劣汰的自然优选法则为基础，利用落尘原理对污水进行垂直竖流搅拌、曝气，并筛选出大量优良菌种，以提高处理效率及出水水质，降低投资成本和减少运行费用。

组合式流化床通常设置4个区域：1区（放置缺氧型水立方生态基和湖泊之肺）、2区（放置好氧型水立方生态基、曝气系统及垂直竖流式多介质生物反应循环搅拌装置）、3区（沉淀区）及4区（微纳米臭氧气泡高级氧化）。区域的设置可根据原水水质情况和设计出水水质要求适当调整。

通过在系统前端投加经改性的益生菌和微氧颗粒，1区设置缺氧型水立方生态基，使水体处于微氧状态；2区设置高效的好氧型水立方生态基，并通过垂直竖流式多介质生物反应循环搅拌系统及其装置对水体进行充氧及竖流搅拌循环，可以增加水流中污染物与生态基的接触机会。此外，该系统利用落尘原理实现了水处理系统内微生物的优胜劣汰及自然优选，充分保证了微生物活性，形成一个完整的泥膜共生微生化系统。同时，流水不腐是水体净化的根本。在流化床内设置湖泊之肺，通过内置曝气盘与涡轮推流机组的共同提升作用，在垂直竖流筒内形成复合动力上流引力，吸引池底部的水上行，先从内筒顶部涌出，再下行穿过内外筒之间的特定填料层，在填料层形成生物膜，确保循环流体在微动力作用下能高效循环，达到对水体上下层循环增氧的效果，最终实现微污染水体中有机污染物的有效降解[3]。

1.2 微纳米分子筛气浮技术

1.2.1 传统加压溶气气浮

传统加压溶气气浮技术原理如下：通过空气压缩机将空气送到储气罐中压缩，并通过射流装置将压缩空气带入溶气罐，同时通过加压泵将回流水加压送至溶气罐，在一定压力下，将空气强制溶解在水中，形成溶气水，溶气水经释放器突然释放，溶解在水中的空气析出，形成大量的微气泡群。根据国内各溶气气浮生产厂家的工况，溶气气浮产生的气泡直径在20～50μm（浅层气浮产生的气泡直径可达1～10μm）。传统加压溶气气浮法的设备有加压泵、溶气罐和空气压缩机等，溶气罐为承压钢筒，溶气罐出水通过减压阀或释放器进入气浮池[4-5]。

1.2.2 微纳米分子筛气浮

微纳米分子筛气浮技术集物理法（微纳米气浮）、化学法、高级氧化法（微纳米分子筛破能破键）于一体，是昆明水啸科技有限公司自主研发的技术，其主要是运用一系列自主研发装置产生微纳米级气泡，并利用微纳米气泡的气浮作用和氧化作用对污染物进行处理。该技术的最大优势是气泡粒径小、气浮效率高、具有氧化污染物的功能。

微纳米分子筛气浮技术的创新突破在于将长寿节能离心泵、气水混合器、气水混合均衡器、反冲激式微纳米气泡释放器进行优化改良、有机组合后，产生微纳米级气泡混合溶解液。首先，长寿节能离心泵吸入口利用负压作用吸入气体（空气、氧气、臭氧或特殊气体），无须采用空气压缩机和气流喷射器。其次，高速旋转的泵叶轮对回流水与气体进行混合搅拌，并输送至气水混合器和气水混合均衡器内，气体和回流水在其内空间经过持续加压、蓄能、冲击剪切。再次，带压的混合溶解液在反冲激式微纳米气泡释放器中先经过冲激、激发后压力骤然提高，再经突然消能降压，使微纳米气泡均匀、稳定地从释放器中释放，在水中形成乳白色、不易破裂的微纳米级气泡，其直径在30～500 nm。最后，微纳米级气泡在水体中缓慢上升，在这过程中，微纳米气泡相互之间的间隙只能允许水分子通过，绝大部分物粒在微纳米气泡的桥连网捕作用下黏附在气泡上，并缓慢地被筛分至水体表面，形成漂浮凝聚态污染物及絮体。

微纳米分子筛气浮技术预测绩效的计算依据为气泡体积和表面积的关系，公式如下：

式中：ΔP———压力增大的数值；σ———表面张力；r———气泡半径。

由式（1）计算可得，气泡直径越小表面压强越大，直径在0.1 mm以上的气泡所受压力很小，可以忽略，而直径为10μm的气泡会受到0.3个大气压压力，而直径为1μm的气泡会受到3个大气压压力。随着微纳米气泡在水中溶解，气泡逐渐缩小，压力会逐渐增大，进而加快气体的溶解速度，而随着比表面积的减小，气泡缩小的速度会越来越快，最终湮灭在水中，理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。当气液界面消失时，会发生剧烈变化，使界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能瞬间释放，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有很高的氧化还原电位，可发挥超强的氧化作用，降解水中正常条件下难以氧化分解的其他污染物。同时，微纳米分子筛气浮技术可直接吸入臭氧等氧化性极强的特殊气体，使其分解污染物的能力更加强大。

对比微纳米分子筛气浮技术与传统加压溶气气浮技术，传统加压溶气气浮技术设备多、设备大；微纳米分子筛气浮技术具有以下特点及优势：①设备小、简单易操作。②产生的气泡直径为微纳米级（30～500 nm,100 nm的气泡居多），气浮效率高。③气体与液体充分溶解，溶解效率可达99%。④可直接吸入特殊气体（臭氧、高能离子气体等），进而产生具有超强氧化作用的微纳米气泡，降解污染物。

2、入湖河道等微污染水体和富营养化湖库系统治理方法

2.1 富营养化湖库系统治理方法

针对富营养化湖库的现状，本着除藻（去除蓝藻）、治污（去除水体中的污染因子，从根本上切断蓝藻生长的物质条件）、补水（优质水回补入湖，提高水体流动性）相结合的思路，在对污染源普查、科学的诊断性思维基础上，开创性地研发并转化实施夏秋治藻、冬春治水的规模性藻水同治技术（核心技术及装备为微纳米分子筛气浮技术及设备），对富营养化湖库进行治理。同时，根据不同的水域和需求，可选择原位围堰式微纳米分子筛藻水同治预处理站+微纳米分子筛藻水同治深度处理站，也可选择单独的微纳米分子筛藻水同治处理站。微纳米分子筛藻水同治处理站的建设方式包括岸上固定站、装配撬装式站、水上固定平台、移动式平台、作业船等。

2.2 入湖河道等微污染水体系统治理方法

治湖先治河，沟渠、河道纳污入湖占湖库污染总贡献率的85%以上，沟渠、河道的入湖水质提高工程是湖库保护治理工作的重要组成部分。基于此，在微纳米分子筛藻水同治关键技术的基础上，采用组合式流化床叠加微纳米分子筛气浮系统技术对入湖河道等微污染水体进行水质提高，先达到既定水体水质指标，再经生态净化后入湖，并对产生的污泥进行资源化利用。

3、应用示范

3.1 工程概况

N河是云南省的主要入湖河道之一，全长为10.35 km，流域面积为56.92 km2。本工程建设前，河岸截污管网已建成，农业面源污染有一定程度的改善。但是，N河流域约有15 km2蔬菜种植地，农业种植仍是附近村落农民的主要经济来源，生产转型在短期内无法彻底完成。因此，农业农村面源污染依旧对N河水质有巨大威胁，近期内难以彻底消除，且污水处理厂的部分尾水也进入该河道。根据N河2018年全年监控断面水质监测数据（表1）、2018年N河水量监测数据（表2),N河水质仍存在不同程度的超标现象。为确保监控断面水质稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准，需要对N河进行水质提高。

表1 N河2018年全年监控断面水质监测数据

表2 2018年N河水量监测数据

本工程主要处理N河的来水，N河的污染物来源主要为周边部分农灌沟渠汇集的城镇面源污染水、农业农村面源污染水和上游污水处理厂部分尾水。处理的来水为开放性水体，受到河道来水的影响，旱季和雨季的水量差异较大，旱季水量较小、雨季水量较大。

本工程占地面积为9 660 m2，设计处理规模为50 000 m3/d，设计进出水水质指标如表3所示。

表3 设计进出水水质指标

3.2 工艺流程

本工程应用11项专利技术，采用组合式流化床叠加微纳米分子筛气浮系统技术去除河道水体中的污染物，对河道水体进行水质提高。该工艺包括三大系统：组合式流化床系统、微纳米分子筛气浮系统及深度再浓缩处理系统。工艺流程如图1所示。

具体流程如下：①在河道内设置闸坝（不影响行洪），拦截微污染水体进入格栅井，并通过格栅井的机械格栅去除水体中较大的悬浮物和漂浮物，保证后续工艺稳定运行。②水体进入沉砂池，去除比重较大的泥沙。沉砂池末端设置有级配填料石笼墙，具有过滤泥沙、吸附污染物及均匀布水的作用。③水体继续前进进入组合式流化床，降解水体中部分有机污染物。组合式流化床分为厌氧区（设置厌氧型水立方装置）、缺氧区（设置缺氧型水立方装置和湖泊之肺1型）、好氧区（设置好氧型水立方装置、湖泊之肺2型、曝气系统及垂直竖流式多介质生物反应循环搅拌装置）及沉淀区4个区域，形成一个完整的泥膜共生微生化系统。④经过组合式流化床降解后，水体通过提升泵进入微纳米分子筛气浮系统，在管道中分流、交叉混合，使管道内加入的水处理剂迅速、均匀扩散到整个水体中，达到混合的目的，并在微纳米分子筛气浮池的絮凝区中充分反应。充分反应后，在接触区内利用大剂量空气源气体制备微纳米泡气液混合介质，对水体进行气浮布气作业，将吸入气浮筒内的空气与液体混合导入反冲激式微纳米气泡释放器，带压的溶气液在反冲激式微纳米气泡释放器中先经冲激、激发后压力骤然提高，再经释放器的突然消能降压，使微纳米气泡均匀、稳定地从释放器中释放，在水中形成乳白色的微纳米级气泡，微纳米气泡多且微小，在水中不易破裂，促进了水中非溶解态的污染物及微小颗粒分离。同时，微纳米气泡在湮灭瞬间释放高温高压并产生羟基自由基，对溶解态的污染物破能破键，再次降解污染物。⑤分离的下层清水经过滤供水泵加压进入过滤装置，以去除微纳米分子筛气浮系统出水中的细微污染物。⑥过滤后的清水自流入出水池进入小型湿地，经水生植物净化后回补入N河闸坝下游。此外，该工艺流程中，微纳米分子筛气浮系统上层的浮渣先经刮渣机刮入泥沙池，再经脱水机脱水后，可以外运进行资源化处置[5]。

图1 工艺流程

3.3 治理成效

2018年以来，雨季N河水中高锰酸盐指数、氨氮、总磷（TP）都有不同程度的超标，且2018年的水质状况总体比2017年差，这主要是由于雨季面源污染较为严重。同时，N河大部分流经农田，受农田面源污染影响，雨季水质较旱季差，达不到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准。经本工程处理后，N河监控断面水质由原来的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类至劣Ⅴ类提高至《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类及以上标准。

本工程设置了水质在线检测仪，从2020年度的检测数据来看，化学需氧量（COD）年度平均去除率为58.41%，年度削减量为44.622 t；总氮（TN）年度平均去除率为17.24%，年度削减量为7.169 t;TP年度平均去除率为80.35%，年度削减量为1.103 t。2020年本工程污染物去除效果评估如表4所示。

从N河治理工程在线监测系统分别抽取2020年10月7日16:00、2021年10月7日20:00、2022年10月7日14:00处理前后污染因子COD、TP的检测数据，结果显示本工程实施后，入湖水质发生了明显变化，分别如图2、图3所示。

N河治理后，COD从《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水的水质标准提升到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅰ类水的水质标准、TP从《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类水的水质标准提升到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水的水质标准。

3.4 项目延展

为实现高质量发展，以水系为中心进行高质量布局，针对N河周边的实际情况，充分发挥该工程的环境效益及经济效益，巩固提升治理成果，结合流域周边农业情况，在周边采取了以下工程措施。

(1）生态沟渠+调蓄塘。2020年7月，在N河上游的支沟渠原位构建生态沟渠+调蓄塘系统，对涵盖施肥期的农田尾水进行拦截净化，解决了周边灌溉沟渠垃圾淤积、杂草丛生、排水不畅、农田污染物入沟入河的问题。该系统建设集美观性、生态性、储水调节灌溉、水资源供需平衡功能于一体，将多余的尾水引至本工程的处理站进行再净化，改善了片区的生态环境。

表4 2020年本工程污染物去除效果评估

图2 2020—2022年N河治理前后COD变化情况对比（单位：mg·L-1)

图3 2020—2022年N河治理前后TP变化情况对比（单位：mg·L-1)

(2）农田尾水截流提灌。2021年12月，在农灌沟渠下段新建泵站，将N河水质监控断面上游未能收集入河的农田灌溉尾水截流，并将其提升至本工程的处理站进行再净化，净化后的优质水经提灌泵站抽至提灌沟出水口，以供农灌使用（有特殊水质要求的农灌）。当截流尾水满足普通农灌使用要求时，直接将含有营养物质的农田尾水提灌使用，减少农业生产中化肥的使用量，并减少新鲜水源的使用，实现农业灌溉水的循环利用，削减入湖污染物，有效截留流域内的农业面源污染。

4、结论

(1）治湖先治河，沟渠、河道纳污入湖占湖泊污染总贡献率的85%以上，沟渠、河道的入湖水质提升工程是湖泊保护治理工作的重要组成部分。

(2）针对农业面源污染、部分雨污混流水进入沟渠、河道并最终入湖的开放性微污染水体治理，对比目前处理微污染水体使用较多的预处理+生态湿地处理技术，组合式流化床叠加微纳米分子筛气浮系统技术具有占地面积小、工程投资低、抗水质水量冲击负荷大等优势，应用该技术在末端进行水质提高，能快速、有效地解决问题，确保入湖沟渠、河道的水体稳定达标。

(3）在有条件的前提下，建议前端增加足够的调蓄库塘，收集初期雨水及农业面源回归水，以合理调配水资源，形成智慧水务系统。同时，在该系统的后端增设适当的生态湿地，确保入湖河道水质长期稳定达标。

参考文献:

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[2]李聪聪,吴振东,周青,等.植物-微生物共代谢系统在湖泊修复中的作用[J].上海环境科学,2012(6):240-243,248.

[3]刘牧,李蕾,杨艳春,等.组合式流化床系统在富营养化高原湖泊及入湖河道治理中关键技术应用研究[J].科技创新与品牌,2021(5):70-73.

[4]杨勇,王广丰,刘龙.气泡直径与气浮净水效果关系的分析[J].工业用水与废水,2007(4):18-20.

[5]段相锋,吴风华,杨学喜.新型微纳米曝气机治理黑臭水体的研究[J].河南科技,2018(31):153-155.

文章来源:刘牧,猫恩学,李蕾,等.微污染水体和富营养化湖库系统治理技术及应用[J].低碳世界,2024,14(08):16-20.