微納米氣泡在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用

劉秋菊 熊若晗 宋艷芳 王珊珊 王婉婷

(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

微納米氣泡在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用

劉秋菊 熊若晗 宋艷芳 王珊珊 王婉婷

(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

本文介紹了微納米氣泡存在時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效率高、界面ζ電位高以及可產(chǎn)生羥基自由基等方面的特性，分別從地表水水體凈化、地下水水土環(huán)境修復(fù)及污(廢)水處理等3個(gè)方面綜述了微納米氣泡技術(shù)在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，并提出：微納米氣泡曝氣技術(shù)尚未形成一套完整的工藝參數(shù)體系，且在地下水修復(fù)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢；進(jìn)一步研究方向，一是建立水質(zhì)特征-微納米曝氣參數(shù)-氣泡特性之間的協(xié)變響應(yīng)機(jī)制，二是將微納米氣泡技術(shù)與其它強(qiáng)氧化措施相結(jié)合并優(yōu)化其協(xié)同條件，三是在微納米氣泡發(fā)生器的開(kāi)發(fā)方面強(qiáng)化羥基自由基的產(chǎn)生量。

微納米氣泡；環(huán)境污染控制；應(yīng)用；凈化；修復(fù)；特性

微納米氣泡通常是指直徑為200nm～50μm的微小氣泡[1]，具有體積小、比表面積大、ζ電位高等特點(diǎn)。最早在20世紀(jì)90年代由日本科學(xué)家研制出發(fā)生設(shè)備，并應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面。近年來(lái)，微納米氣泡因其與普通氣泡不同的突出特性而備受關(guān)注，并逐漸被應(yīng)用在環(huán)境污染控制領(lǐng)域，表現(xiàn)出了優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與良好的應(yīng)用前景。目前，微納米氣泡技術(shù)相關(guān)的研究正逐漸成為環(huán)境污染控制領(lǐng)域中的新熱點(diǎn)。

1 微納米氣泡的特性

微納米氣泡因體積極其微小，具有不同于普通氣泡的突出特點(diǎn)，如在存在時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效率高、界面ζ電位高及可產(chǎn)生羥基自由基等特性。

1.1 存在時(shí)間長(zhǎng)

普通氣泡由于體積較大，在水中產(chǎn)生后會(huì)迅速上升，在水中的停留時(shí)間極短；而微納米氣泡由于體積小，在水中受到的浮力小，從而表現(xiàn)出上升緩慢的特性。如直徑為1mm的氣泡在水中的上升速度為6m/min，而如直徑為10μm的氣泡在水中的上升速度僅為3mm/min，后者的上升速度是前者的1/2000。另有研究表明，微納米氣泡在水中的懸浮時(shí)間可達(dá)252s[2]。

1.2 傳質(zhì)效率高

微納米氣泡體積小，具有極大的比表面積，氣液界面處的表面張力大。微納米氣泡內(nèi)部氣體由于受到強(qiáng)表面張力的作用而被壓縮，氣泡體積縮小，氣泡內(nèi)壓力增大，表現(xiàn)為自增壓效應(yīng)。不斷增大的內(nèi)壓使得氣泡內(nèi)氣體穿過(guò)氣液界面溶解到水中。且隨著氣泡直徑的減小，表面張力的作用效果越來(lái)越明顯，最終內(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失[3]。微納米氣泡在收縮過(guò)程中的自增壓特性，使得氣液界面處傳質(zhì)效率增強(qiáng)，并且當(dāng)水體中的氣體含量達(dá)到飽和時(shí)，微納米氣泡仍可進(jìn)行氣液傳質(zhì)，從而達(dá)到較高的傳質(zhì)效率[4]。

1.3 界面ζ電位高

微納米氣泡表面吸附帶負(fù)電的離子，形成表面電荷離子層；由于負(fù)離子的電性吸引，在表面電荷離子周?chē)治綆д姷姆措姾呻x子層，從而形成雙電層結(jié)構(gòu)。微納米氣泡表面電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差常用ζ電位表示，它是氣泡表面吸附性能的決定性因素。ζ電位越高，則氣泡對(duì)水中帶電粒子的吸附性能越好。Ushikubo等[5]研究發(fā)現(xiàn)，以空氣和氧氣為載體的微納米氣泡，其ζ電位分別為-20～-17mV、-45～-34mV。

1.4 產(chǎn)生羥基自由基

微納米氣泡在水中體積逐漸縮小，雙電層表面的電荷密度迅速升高，直到氣泡破裂時(shí)，高濃度正負(fù)離子積蓄的能量瞬間釋放，產(chǎn)生局部高溫、高壓的極端條件，促使H2O分解產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化作用的羥基自由基[6]。Masayoshi Takahashi等[7]通過(guò)電子自旋共振光譜證明，以臭氧為載氣的微納米氣泡在強(qiáng)酸性溶液中潰滅時(shí)產(chǎn)生大量羥基自由基，可降解聚乙烯醇，但臭氧自身卻不能分解氧化聚乙烯醇。因此，可將臭氧與微納米氣泡技術(shù)相結(jié)合，用以針對(duì)性處理難降解有機(jī)物。

2 微納米氣泡在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用

微納米氣泡優(yōu)于傳統(tǒng)氣泡的突出特性，使其在環(huán)境污染控制領(lǐng)域顯現(xiàn)出一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

2.1 地表水水體凈化

2015年，我國(guó)地表水Ⅳ類(lèi)及以下水體占35.5%[8]，部分河段及湖泊污染嚴(yán)重，其重要誘因?yàn)樗w納污量超過(guò)其環(huán)境容量。微生物在分解污染物的過(guò)程中消耗水體中的溶解氧，導(dǎo)致水體含氧量下降，水質(zhì)嚴(yán)重惡化。對(duì)水體進(jìn)行曝氣復(fù)氧，可有效改善水質(zhì)，且不產(chǎn)生二次污染。以微納米氣泡代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣泡進(jìn)行曝氣，可增強(qiáng)氧傳質(zhì)作用，提高溶解氧濃度，強(qiáng)化氧化作用。

在廣州市白云湖水利工程中，于不同水域布置9套微納米氣泡發(fā)生裝置進(jìn)行曝氣，單套曝氣裝置的溶解氧平均增幅為6.684%，表明微納米曝氣裝置對(duì)溶解氧指標(biāo)的改善具有一定的作用[9]。徐彬等[10]采用微納米氣泡氣液分散系統(tǒng)對(duì)太湖入湖河道水體進(jìn)行原位凈化處理，結(jié)果表明，CODMn、氨氮、總磷的平均去除率分別為36.8%、42.4%和49.1%，入湖水質(zhì)達(dá)到國(guó)家地表水Ⅱ-Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。上海某公司曾利用微納米氣泡發(fā)生器在寧波某河道進(jìn)行水質(zhì)改善實(shí)驗(yàn)[11]。治理60d后實(shí)驗(yàn)河段水質(zhì)明顯改善，水體透明度由治理前的0.05m上升到0.5m，河道淤泥厚度由50cm下降到30cm，表層淤泥中的有機(jī)污染物也有不同程度的降解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微納米氣泡技術(shù)對(duì)微污染水體具有良好的修復(fù)作用。洪濤等[12]采用國(guó)產(chǎn)微米氣泡發(fā)生裝置處理黑臭河水，結(jié)果表明，對(duì)CODCr、NH3-N、土臭素和2-甲基異莰醇的最大去除率分別比普通曝氣高12%、10%、16%和12%。從各種指標(biāo)分析來(lái)看，用微米氣泡曝氣處理黑臭水體具有很好的效果。

微納米氣泡因其存在時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效率高等特性，目前已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣泡而被應(yīng)用于改善和提高地表水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)于微污染、重污染地表水水體均有良好的修復(fù)作用，表現(xiàn)出良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2 土壤及地下水水體修復(fù)

近幾十年來(lái)，我國(guó)地下水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。在各種污染物中，石油類(lèi)組分因其高毒害性而備受關(guān)注，尤其是淺層地下水土環(huán)境系統(tǒng)中的石油類(lèi)污染在全世界范圍內(nèi)具有普遍性與嚴(yán)重性[13]。去除土壤和地下水中可揮發(fā)有機(jī)污染物最有效的方法是地下水原位曝氣修復(fù)技術(shù)。

早在上世紀(jì)90年代，Jenkins等[14]即利用微米氣泡技術(shù)對(duì)被二甲苯污染的土壤進(jìn)行了原位曝氣修復(fù)試驗(yàn)，將氧氣微氣泡與可降解二甲苯的Pseudomonas putida菌株混合后注入土柱間隙中，處理后土壤中殘留的二甲苯濃度低至儀器檢測(cè)限以下，且在該過(guò)程中微氣泡在修復(fù)區(qū)域的保持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)45min，微生物菌株對(duì)氧氣的利用率達(dá)71%～82%。目前，微納米氣泡技術(shù)也開(kāi)始逐步應(yīng)用到土壤修復(fù)中。Choi等[15]利用微納米氣泡洗滌系統(tǒng)處理被石油污染的垃圾場(chǎng)表層土壤，調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫濃度為15%，連續(xù)處理2 h后，總石油烴去除率達(dá)25.9%。

Xia等[16]將臭氧氧化與微納米氣泡技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于地下水有機(jī)污染嚴(yán)重的南京某工廠(chǎng)，在4m×4m內(nèi)進(jìn)行原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究表明臭氧MNBs在有機(jī)污染場(chǎng)地的原位修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用前景。Li等[17]提出，將微納米氣泡應(yīng)用于地下水修復(fù)技術(shù)，可大大提高生物修復(fù)效果。另外，在應(yīng)用微納米氣泡技術(shù)增強(qiáng)生物修復(fù)時(shí)，應(yīng)考慮地下水鹽度。當(dāng)鹽度為0.7g/L時(shí)，氧傳質(zhì)效率最高[18]。

在對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行曝氣的過(guò)程中，空氣以微納米級(jí)氣泡注入地下含水層。由于微納米氣泡具有更小的體積與更強(qiáng)的吸附能力，能吹脫并吸附存在于地下水位以下和毛細(xì)管邊緣的殘留態(tài)、吸附態(tài)有機(jī)污染物；另外，微納米氣泡氧傳質(zhì)能力強(qiáng)，在一定程度上可促進(jìn)溶解態(tài)和吸附態(tài)有機(jī)污染物發(fā)生好氧生物降解。因此，將微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用于地下水原位曝氣，可更加高效地去除揮發(fā)性有機(jī)污染物和可被好氧生物降解的有機(jī)污染物，顯現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力。

2.3 污廢水處理

微納米氣泡在破裂的瞬間釋放出具有極強(qiáng)氧化作用的羥基自由基，可氧化分解有機(jī)污染物。目前，在工業(yè)污(廢)水處理方面，將微納米氣泡技術(shù)與傳統(tǒng)污水處理工藝相結(jié)合，達(dá)到了更有效的處理效果[19]。

張敏等[20]采用自行設(shè)計(jì)的混凝-微納米氣浮裝置對(duì)煉化企業(yè)污水處理廠(chǎng)的二沉池出水進(jìn)行深度處理，最佳工藝參數(shù)為：混凝劑FeCl330mg/L，工作壓力0.2MPa，回流比20%，水力停留時(shí)間6min。在此實(shí)驗(yàn)條件下，COD去除率為39.13%，SS去除率為51.85%，氣浮出水COD<60mg/L，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。呂宙[21]在探索將微納米氣泡搭載臭氧曝氣處理污水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間內(nèi)，微納米臭氧曝氣對(duì)水體中各污染物的降解效率要優(yōu)于微納米空氣曝氣；Chang等[22]將臭氧氧化與微納米氣泡技術(shù)相結(jié)合處理紡織廢水，研究結(jié)果表明，處理后水質(zhì)達(dá)到回收標(biāo)準(zhǔn)，可回收紡織廢水作為工業(yè)用水。唐向陽(yáng)等[23]將微納米曝氣與氣浮工藝相結(jié)合處理造紙法煙草薄片廢水，以殼聚糖為絮凝劑，經(jīng)微納米氣浮后的稀白水、濃白水的COD、SS、氨氮濃度均達(dá)到生產(chǎn)回用標(biāo)準(zhǔn)。

將臭氧等強(qiáng)氧化方法協(xié)同微納米氣泡作用可促使微納米氣泡釋放出更多的羥基自由基，對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行強(qiáng)化分解，可有效降低廢水的COD；另外，由于微納米氣泡體積小、比表面積大，具有極強(qiáng)的吸附能力，將微納米氣泡技術(shù)與氣浮工藝相結(jié)合，可高效去除水中的懸浮物。且操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生二次污染，在污(廢)水處理方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，微納米氣泡因體積極其微小，具有不同于普通氣泡的突出特性。尤其是傳質(zhì)效率高、吸附能力強(qiáng)、可產(chǎn)生羥基自由基這三方面的特性，使微納米氣泡技術(shù)在環(huán)境污染控制領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。微納米氣泡技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景及需進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題如下：

(1)在環(huán)境污染控制領(lǐng)域中，微納米氣泡技術(shù)在地表水水體凈化方面應(yīng)用最廣。對(duì)河流和湖泊的COD、氨氮、總磷等指標(biāo)均有較高的去除率，對(duì)DO、透明度等指標(biāo)有明顯改善。但以微納米氣泡代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣泡進(jìn)行曝氣，尚未形成完整的工藝參數(shù)體系。為了更好地發(fā)揮微納米曝氣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要建立水質(zhì)特征-微納米曝氣參數(shù)-氣泡特性之間的協(xié)變響應(yīng)機(jī)制。

(2)微納米氣泡技術(shù)在地下水水土環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢，尚處于探索起步階段。根據(jù)有相關(guān)研究成果，將微納米氣泡技術(shù)與地下水原位曝氣修復(fù)技術(shù)結(jié)合，有望對(duì)被石油類(lèi)污染物、重金屬污染的土壤進(jìn)行高效的修復(fù)。

(3)將微納米氣泡應(yīng)用到氣浮工藝中，可有效去除工業(yè)污(廢)水中的SS、COD、氨氮，但此過(guò)程一般需要臭氧輔助強(qiáng)化氧化效果，微納米氣泡技術(shù)與其他強(qiáng)氧化措施的優(yōu)化協(xié)同問(wèn)題需進(jìn)一步研究。比如，控制臭氧量以強(qiáng)化微納米氣泡潰滅時(shí)的羥基自由基產(chǎn)量，從而強(qiáng)化微納米氣泡對(duì)難降解有機(jī)物的氧化分解能力。

(4)強(qiáng)化羥基自由基產(chǎn)量，除了輔加臭氧等強(qiáng)氧化措施，還可以從微納米氣泡發(fā)生裝置本身入手。目前，微納米氣泡發(fā)生器的開(kāi)發(fā)也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，如何開(kāi)發(fā)出高羥基自由基產(chǎn)量且低能耗、低成本的微納米氣泡發(fā)生裝置是現(xiàn)階段研究的難點(diǎn)。

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The Application of Micro-nano Bubble in Environmental Pollution Control

LIU Qiuju XIONG Ruohan SONG Yanfang WANG Shanshan WANG Wanting

(Environmental Sciences College of Northeast Normal University，Jilin Changchun 130000)

In this paper，the characteristics of micro-nano bubble were introduced mainly on the existence of a long time，the mass transfer efficiency，the high interface zeta potential and the release of hydroxyl radicals. The application of micro-nano bubble technology in environmental pollution control field was reviewed from three aspects：the purification of surface water bodies，the remediation of groundwater environment and the treatment of sewage or waste water. And some existed problems on micro-nano bubble technology were pointed out. For example，it has not formed a complete set of process parameters，and the application of groundwater remediation is slow. In addition，three further research directions were proposed. Firstly，establish the covariant response mechanism of water quality characteristics，micro-nano aeration parameters and bubble characteristics. Secondly，Combine micro-nano bubble technology with other strong oxidative measures and optimize its synergistic conditions. Thirdly，enhance the production of hydroxyl radicals on the development of micro-nano bubble generator.

micro-nano bubble；environmental pollution control；application；purification；remediation；characteristic

劉秋菊，在讀本科生，環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)

王婉婷，碩士研究生，環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)

X21

A

1673-288X(2017)03-0100-03

引用文獻(xiàn)格式：劉秋菊 等.微納米氣泡在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(3)：100-102.