优化臭氧微气泡曝气反应器的设计以提高溶解有机物的去除效率：一项关于饮用水处理的试点规模研究

《Journal of Environmental Management》：Optimized design of ozone microbubble aeration reactor to enhance the removal of dissolved organic matter: A pilot-scale study on drinking water treatment

　　摘要
微气泡（MBs）在臭氧接触器中的应用提高了污染物去除效率。然而，传统的MB生成方法显著增加了维护和运营成本。本研究探讨了使用陶瓷膜进行臭氧微气泡曝气的应用。实验使用沉淀池的出水作为试验系统的进水，并在不同曝气系统和操作条件下比较了该系统对溶解有机物（DOM）的降解能力。通过并行因子分析（PARAFAC）和LC-OCD对出水进行分析后发现，陶瓷膜曝气系统提升了DOM的降解效率。研究证实，与钛扩散器不同，陶瓷膜并非直接放置在臭氧接触器的底部。结果表明，适当增加陶瓷膜的高度可以改善臭氧的质量传递率。陶瓷膜的导流作用有助于提高臭氧浓度的均匀性。此外，陶瓷膜表面的羟基与液相臭氧反应会生成额外的•OH自由基。通过对阿特拉津（ATZ）的降解实验，我们发现陶瓷膜曝气在去除水中的有机污染物方面具有很大的潜力，并且能降低系统能耗。而且，使用陶瓷膜所需的额外压力并不会增加能耗。陶瓷膜曝气方法比其他微气泡生成方法更易于实施，也更加环保。

引言
基于臭氧的先进氧化工艺是水处理中常见的处理方法，由于其有效去除顽固有机污染物且不会产生二次污染而受到广泛关注（Mahmoodi和Pishbin, 2025；Amsalu等人, 2024）。其中，多腔室臭氧消毒接触器因其出色的消毒性能成为市政供水和废水处理的关键组成部分（Han等人, 2024）。然而，目前大多数多腔室臭氧消毒接触器仍使用钛扩散器进行曝气。钛扩散器产生的毫米级气泡在臭氧溶解、质量传递率和能耗控制方面存在显著缺陷。此外，传统多腔室臭氧消毒接触器容易形成死区和短路流，从而严重降低消毒效果（Liu等人, 2020）。与毫米级气泡相比，微气泡（MBs）的直径仅为10–100微米，具有较大的比表面积、在水中停留时间较长以及气液界面的化学反应增强等优点（Seridou和Kalogerakis, 2021；Temesgen等人, 2017）。Yang等人（2025）使用陶瓷膜生成臭氧微气泡，与毫米级气泡相比，臭氧浓度提高了1.38倍，•OH生成量增加了2.40倍。Wang等人（2020）发现，使用微米级气泡进行臭氧处理时四环素的降解率比毫米级气泡高90%。Wang等人（2017）测量得出，微米级臭氧气泡与浓缩渗滤液之间的反应速率几乎是大气泡的三倍。因此，微米级臭氧气泡更有利于污染物的降解。

关于MB生成系统，臭氧在高温高压条件下容易分解，因此在实际应用中通常采用溶气释放法生成微气泡（Zimmerman等人, 2011）。尽管这种方法能有效产生大量微气泡和纳米气泡，但气液混合过程及溶气泵的使用大大增加了处理成本，限制了其广泛应用（Ulatowski和Sobieszuk, 2020）。近年来，利用多孔膜剪切和分散气体以生成大量微气泡的方法受到关注，因为其所需的曝气压力较低，操作也更简单（Thomas等人, 2023）。陶瓷膜具有均匀且可调的孔径、化学抗性以及优异的机械强度，能够在水下稳定生成大量微气泡，并逐渐成为曝气装置（John等人, 2024；Han等人, 2023）。尽管之前的实验室研究已经证明陶瓷超滤膜可用于臭氧微气泡曝气，并对顽固有机污染物的去除有显著效果（Han等人, 2023, 2025；Zhang等人, 2024），但在实际工程项目中的应用报道较少。鉴于现有研究尚未全面了解膜曝气系统在试验规模下的处理性能和稳定性，迫切需要进一步研究。为此，我们采用平板陶瓷膜曝气系统对沉淀池的出水进行了试验规模演示操作，并评估了其在实际运行条件下的处理效果。

在传统系统中，钛扩散器通常放置在反应器底部。然而，陶瓷膜曝气系统生成的微气泡体积较小，因此在水中的浮力较低，上升速率明显低于毫米级气泡（Shuai等人, 2025a）。因此，在传统曝气系统中将钛扩散器放置在底部不适合平板陶瓷膜曝气系统。此外，平板陶瓷膜的不同安装高度会显著影响反应器内的流体动力学，从而改变气泡分布的均匀性（Liu等人, 2019）。因此，需要进行试验规模实验来确定平板陶瓷膜曝气系统的适宜运行条件。由于试验规模实验需要大体积反应器，安装成本和操作复杂性显著增加，同时需要大量水进行曝气测试，这在实验室环境中较为困难。膜曝气技术目前仍处于实验室试验阶段，相关报道较少。直接进行实验测试既耗时又昂贵，因为涉及多个耦合参数。为了减少现场试验的不确定性和成本，合理设计陶瓷膜臭氧曝气的试验规模反应器至关重要（Jin等人, 2019）。计算流体动力学（CFD）在模拟各种水处理过程中的流体力学及相关反应方面取得了显著进展，可以描述反应器内的流动行为并帮助优化设计参数（Lian等人, 2022）。先前的CFD研究表明，在臭氧反应器中添加额外的挡板可以有效提高平均浓度-时间（CT）值（Elaissaoui Elmeliani等人, 2025）。Aral和Demirel（2017）发现，添加挡板可以增加接触时间并减少死区和短路流的形成。由于平板陶瓷膜类似于挡板，用它们替代传统钛扩散器曝气可以改善臭氧微气泡的移动并增加接触时间。

迄今为止，很少有研究报道使用平板陶瓷膜和微米级臭氧进行处理的臭氧反应器的处理效率。在评估臭氧反应器处理效率的以往研究中，最常用的两个评价指标是挡板因子（t10/HRT，其中t10表示10%示踪剂从进入反应器到退出所需的时间，HRT为所有示踪剂的平均水力停留时间）和平均CFD-CT值（CFD-CT￣，其中C为消毒剂浓度，T为接触时间）（Yang等人, 2017；Wang等人, 2024）。前者t10/HRT越接近1，反应器越接近理想塞流状态，水力效率越高。t10/HRT直接反映了水力效率，有助于快速评估反应器内的死区和短路流。后者结合了消毒剂浓度和时间来评估消毒效率，从而更准确地评估整体消毒能力。然而，t10/HRT仅考虑了水力效率，可能高估了臭氧接触池的运行效率（Zhang等人, 2016），而CFD-CT￣是基于CFD模拟得出的，在实际工程应用中难以测量。虽然一些研究通过间接实验和理论分析证明了其可靠性，但仍然难以完全令人信服（Angeloudis等人, 2014）。本研究使用CFD模拟获得了不同运行条件下平板陶瓷膜臭氧微曝气反应器的CFD-CT￣数据。使用全尺寸试验装置处理饮用水处理厂的沉淀池出水。在试验装置进水口通过阶梯式添加氯化钾，并在反应器出口监测电导率以绘制停留时间分布（RTD）曲线。此外，本研究还利用激发-发射矩阵（EEM）结合并行因子分析（PARAFAC）和LC-OCD系统比较了不同运行条件下臭氧消毒后水中溶解有机物（DOM）的去除效率。这种方法为基于CFD的臭氧反应器性能评估提供了坚实的基础。我们还计算了不同曝气系统的电能量每单元（EEO），结果表明陶瓷膜曝气系统的能效明显优于传统曝气系统。本研究为陶瓷膜曝气系统在实际工程应用中的运行提供了理论和技术支持。表S1系统地比较了本研究与其他试验规模臭氧微气泡研究的内容差异。表S2系统地比较了陶瓷膜臭氧微气泡曝气系统与其他微气泡生成技术的差异。

材料与进水
文本S1包含了本研究中使用的化学物质和溶剂的详细信息，这些物质均未经过额外纯化。实验所用出水来自中国江苏的一家水处理厂。实验在6月进行，水温范围为22至25°C。具体水质参数请参见表1。

试验规模曝气系统
本研究采用基于平板陶瓷膜的试验规模臭氧微气泡曝气系统。

陶瓷膜的表征
由于微气泡的初始尺寸等于膜孔径，因此膜孔径直接影响微气泡的形成及其尺寸分布。因此，较小的孔径和较高的孔隙率更有利于微气泡的生成，我们采用MIP技术确定了陶瓷膜的孔隙率和孔径分布（Xie等人, 2021；Tang等人, 2021）。陶瓷膜的孔径在1–3微米范围内，总孔体积为...

结论
本研究探讨了在试验规模实验中应用陶瓷膜进行臭氧微气泡曝气的方法，为未来实际工程项目中陶瓷膜曝气系统的运行提供了理论和技术支持。最重要的发现之一是，与传统的钛扩散器曝气不同，陶瓷膜直接放置在臭氧接触器的底部。结果表明，由于微气泡上升速度较慢...

作者贡献声明
Jinmin Su：数据整理、正式分析、研究方法、软件开发、可视化、初稿撰写。
Tao Lin：概念设计、资金获取、项目管理和资源协调、监督。
Han Chen：概念设计、项目管理和监督、验证、审稿与编辑。
Wei Liu：数据整理、研究、可视化。
Yuchen Wang：撰写、审稿与编辑。
Yimu Qiao：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52370009）的资助。

Jinmin Su|Tao Lin|Han Chen|Wei Liu|Yuchen Wang|Yimu Qiao
中国江苏省淮海大学湖泊综合调控与资源开发重点实验室，南京，210098