曝气充氧是黑臭水体修复的主要手段之一。本文研制了一套微纳米曝气增氧装置系统;对装置内部等径变螺距螺旋流域进行了数值模拟;测定了曝气增氧装置的性能指标并建立了相关模型;对比了常见的曝气增氧设备与所研发微纳米曝气装置的性能指标;同时考察了基于微纳米曝气和曝气盘曝气的SBR系统对污染物的去除效果;在此基础上,开展了工程示范研究。使用Meshing软件对SolidWorks建模文件划分网格,装配的阶梯型刃口模型网格数是光滑模型的两倍多,装配模型更能表现变螺距螺旋孔道和阶梯型刃口,充分反映流域特征,同时选择Realizable k-ε湍流模型、混合物模型、无滑移壁面和SIMPLEC算法,经420步计算得收敛解。数值模拟结果显示,流域内流体按变螺距螺旋线发生明显的旋转运动,叶片切割及流域变螺距螺旋结构使通过流域的气液混合物混合均匀。流域内压力从进口端到出口端压降明显。导流锥可起到分流和均压作用。等径变螺距螺旋孔道周边叶片的混合切割作用使气液两相压力、速度、混合度快速变化和湍流程度增大,有助于气液传质、气泡的切割细化和微纳米气泡的形成。基于Central Composite Design理论设计三因素五水平试验。分析气体流量A、液体流量B、水体深度C对标准氧总转移系数Y1、氧利用率Y2及理论动力效率Y3的影响,回归拟合得到三个多元二次回归模型。影响Y1、Y2、Y3的主次因素顺序分别为:液体流量>水体深度>气体流量、液体流量>气体流量>水体深度、液体流量>气体流量>水体深度。液体流量X2对Y1影响显著,气体流量X1、液体流量X2、X1X2对Y2影响显著,气体流量X1、水体深度X3、X3X3对Y3影响显著,以上指标对相应的响应值有统计学意义。综合分析多因素进行优化,得出标准氧转移系数、氧利用率、理论动力效率最优工艺参数组合为氧气流量0.5m³/h、液体流量10m³/h、水体深度0.3m,此时通过模型预测计算得出:标准氧转移系数1.4394、氧利用率37%、理论动力效率7.4388kgO₂/kw·h,经实验验证模型合理。相比常见曝气设备,新型微纳米曝气增氧装置曝气充氧性能优势明显且具备成本低、高效低耗,不易堵塞,容易维修、适用水体范围大等优点,值得推广应用。微纳米曝气装置通过曝气增氧和切割细化,可降低污染负荷、增强水体自净能力、恢复健康的水生态系统,进而消除黑臭。对比基于微纳米曝气与曝气盘曝气的SBR处理黑臭水体的试验结果可知,微纳米曝气组对COD、氨氮、硝酸盐、TN和TP的去除率分别比曝气盘曝气组平均高20%、20%、17%、38%、35%。微纳米曝气装置的变螺距螺旋结构可切割细化流经装置系统的污染物、气泡、液体等,使污染物、微生物及氧气充分混合,进而系统取得较好的污染物去除效果。微纳米曝气增氧装置系统的两处示范工程运行表明,系统对水质处理效果良好,水质总体由劣V类水标准提高到了V类水标准。