微氣泡及其在有機(jī)物污水處理應(yīng)用的研究進(jìn)展

唐瑞雪，蔣文君

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065）

0 引言

水污染問(wèn)題在世界范圍內(nèi)引起極大重視。在我國(guó)，近幾十年來(lái)隨著人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，地表水、地下水污染問(wèn)題變得尤為突出。河流、湖泊、水庫(kù)等地表水水質(zhì)污染狀況不容忽視。根據(jù)2012年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，長(zhǎng)江、黃河等全國(guó)地表水國(guó)控?cái)嗝婵傮w為輕度污染，在地表水資源不足的情況下，地下水的污染問(wèn)題更加令人堪憂(yōu)。污染水環(huán)境恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，對(duì)水的修復(fù)工作勢(shì)在必行。

微氣泡技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，微氣泡一般指幾微米到幾十微米大小的微小氣泡,微氣泡粒徑小，上升速度慢，存在時(shí)間長(zhǎng)，傳質(zhì)效果好，大幅提高了增氧效率，有效地改善了水體供氧，達(dá)到了修復(fù)水體的目的。文中對(duì)微氣泡的特性、產(chǎn)生原理、發(fā)生裝置以及微氣泡在有機(jī)污染水體的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 微氣泡

1.1 微氣泡的特性

微氣泡具有一些不同于普通氣泡的行為特性，應(yīng)用較為廣泛的特性有四個(gè)方面，分別為存在時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效率高、存在ζ電位、產(chǎn)生自由基，這些特殊行為特性使得其在環(huán)境污染治理與水環(huán)境污染修復(fù)中表了傳質(zhì)效率高、處理效果好、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.2 微氣泡的產(chǎn)生裝置

微氣泡發(fā)生裝置不斷得以改進(jìn)與發(fā)展，其有較為典型的研究。Sadatomi等[3]研制了一種流水管中具有球形體的微氣泡發(fā)生裝置，湍流從微氣泡發(fā)生器進(jìn)水口進(jìn)入，沖擊到球形體上，大氣泡被分解產(chǎn)生微氣泡。Sadatomi等[4]對(duì)此微氣泡發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)，將球形體改進(jìn)成了小孔，研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)成小孔后，其具備良好的微氣泡發(fā)生性能。應(yīng)用較多的微氣泡發(fā)生器主要為旋流微氣泡發(fā)生器、文丘里微氣泡發(fā)生器、噴射器型微氣泡發(fā)生器、加壓溶解型微氣泡發(fā)生器[5]，微氣泡發(fā)生裝置所產(chǎn)生的微氣泡加快氧氣在水體中的傳輸速率，體現(xiàn)出了微氣泡的強(qiáng)化傳質(zhì)特性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微氣泡發(fā)生裝置的研究仍在繼續(xù)，但還普遍存在微氣泡發(fā)生裝置能耗高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等問(wèn)題，同時(shí)，微氣泡生產(chǎn)技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

1.3 微氣泡的觀(guān)測(cè)

陳福泰等[6]對(duì)氣浮工藝中的微氣泡進(jìn)行數(shù)碼顯微動(dòng)態(tài)測(cè)量，能準(zhǔn)確且方便地測(cè)量出氣泡徑粒，為后續(xù)微氣泡的測(cè)量提供了有效參考。

微氣泡直接進(jìn)行光學(xué)觀(guān)測(cè)是研究微氣泡物理性質(zhì)的重要手段，但微氣泡由于粒徑小、反光效果差，對(duì)觀(guān)測(cè)技術(shù)要求高，需要復(fù)雜的儀器設(shè)備。李恒震等[7]設(shè)計(jì)了一套微納米氣泡的光學(xué)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，觀(guān)測(cè)微氣泡在水體中及多孔介質(zhì)中的徑粒分布、運(yùn)動(dòng)速度和吸附特性等，為微氣泡在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)控提供有效參考。據(jù)觀(guān)測(cè)結(jié)果，50 μm以下的微納米氣泡在水體中以膠體形式運(yùn)移，運(yùn)動(dòng)速度與水流速度相同。微納米氣泡在飽和多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)特性，是通過(guò)理論模型觀(guān)測(cè)出的，理論研究發(fā)現(xiàn)微氣泡在多孔介質(zhì)中也以膠體形式運(yùn)移，受到對(duì)流作用、機(jī)械彌散作用、吸附作用的影響[8]。這一研究結(jié)果向?qū)嶋H工程應(yīng)用提供改進(jìn)方向的參考，在設(shè)計(jì)中一定程度上避免影響，使得微氣泡能發(fā)揮其最佳性能。

梁坤峰等[9]觀(guān)測(cè)超聲作用下水中微氣泡的運(yùn)動(dòng)特性，當(dāng)氣泡的初始位置處于超聲場(chǎng)的不同位置處時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)的方向相異，氣泡具有上下兩個(gè)方向的位移變化?？蓪⒊晫?duì)微氣泡運(yùn)動(dòng)的這一影響應(yīng)用到實(shí)際工程中，實(shí)現(xiàn)氣泡的定向移動(dòng)，后期研究中可利用這一定向性實(shí)現(xiàn)微氣泡的再利用等潛在價(jià)值。

2 有機(jī)物污染的修復(fù)

2.1 地下水的修復(fù)

2.1.1 地下水處理方法

根據(jù)修復(fù)地點(diǎn)的不同，地下水的修復(fù)可以分為異位修復(fù)和原位修復(fù)兩大類(lèi)。異位修復(fù)又叫做抽出處理修復(fù)技術(shù)(P&T技術(shù))，雖在短期內(nèi)處理效率高，但長(zhǎng)期來(lái)看，許多溶解度極低的有機(jī)污染物很難通過(guò)水的抽出而出來(lái)，并且此法經(jīng)濟(jì)代價(jià)巨大；原位修復(fù)法又分為物理和化學(xué)兩大類(lèi)方法，物理方法中地下水曝氣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AS技術(shù)）是一種去除地下水中可揮發(fā)性有機(jī)物的新型最佳方式。但是現(xiàn)有的AS法產(chǎn)生的氣泡直徑都是毫米級(jí)，產(chǎn)生后迅速上浮，在水中停留時(shí)間短，影響范圍??；氣泡比表面積小，水氣交換效率低；氣泡內(nèi)壓強(qiáng)小，溶解慢，供氧效果較差，好氧微生物降解能力沒(méi)有得到充分發(fā)揮[8]。由前已知，微氣泡在水中存在時(shí)間長(zhǎng)，傳質(zhì)效率高，影響范圍大，因此，將微氣泡結(jié)合在A(yíng)S技術(shù)中，可彌補(bǔ)AS法中存在的不足。

2.1.2 微氣泡在地下水曝氣中的應(yīng)用

地下水曝氣法的原理：將潔凈的空氣以一定壓力注入受污染的地下水飽和區(qū)。在注入后，氣體與地下水中的污染物接觸，氣體上升時(shí)，揮發(fā)性污染物隨同氣體一同溢出地表，接著用SVE系統(tǒng)回收處理，從而去除地下水污染物。同時(shí)，由于曝氣，氧氣濃度的增加促進(jìn)了好氧微生物的生物降解作用，加快了污染物的去除[8]。

李恒震等將微氣泡結(jié)合在地下水曝氣的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)曝氣相比，一段時(shí)間（約兩周）后氣泡的破裂導(dǎo)致氧氣的持續(xù)擴(kuò)散，提高了曝氣的影響范圍；由于土壤屬于多孔介質(zhì)，吸附能力提高的微氣泡存在時(shí)間更長(zhǎng)，并能為好氧微生物供氧，提高其對(duì)有機(jī)污染物的降解率[8]。但是，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氧氣的濃度增加較慢，甚至需要一年才能達(dá)到理想效果，如果能進(jìn)一步提高氧氣的濃度增加速率，將會(huì)是一種更優(yōu)的地下水修復(fù)技術(shù)。

2.2 河水修復(fù)

2.2.1 河水修復(fù)方法

河道污水的處理方法也可分為原位和異位。以杭州河道治理為例，由于水量和環(huán)境處于不斷變化中，河水在不受控的情況下處理效果并不是很好，截污仍然是河道水質(zhì)改善的先決條件[10]。在有關(guān)部門(mén)加強(qiáng)對(duì)源頭監(jiān)管的同時(shí)，對(duì)于污水的集中處理效果將更好，比如集中處理有機(jī)污染嚴(yán)重的黃河水的引黃水庫(kù)[12]。當(dāng)然，不排除極個(gè)別可以原位修復(fù)的河道情況[11]。

2.2.2 微氣泡在河水有機(jī)物污染處理的應(yīng)用

杭州城市河道的治理雖發(fā)現(xiàn)原位修復(fù)效果不是很顯著，但更確定納米氣泡可以實(shí)現(xiàn)水體的增氧作用，河道水質(zhì)改善的關(guān)鍵手段是水體復(fù)氧，微納米氣泡技術(shù)具有推廣使用的價(jià)值[10]。

在傳統(tǒng)氣浮方法的基礎(chǔ)上，賈偉建等[12]人改進(jìn)出利用微氣泡的分級(jí)共聚氣浮方法，對(duì)引黃水庫(kù)中的黃河水進(jìn)行處理，該工藝對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量較大（＞3×103）的有機(jī)物的去除率可達(dá)85%，之所以利用微氣泡能達(dá)到如此好的效果，是因?yàn)槲馀荼砻娴膸щ婋x子有有機(jī)物膠體電中和脫穩(wěn)凝聚，和微氣泡的吸附作用；但是隨著有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量的減小，去除能力下降。

在傳統(tǒng)曝氣法和膜生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，張磊等[13]研究了基于SPG膜的微氣泡曝氣的生物膜反應(yīng)器，該法將傳統(tǒng)曝氣法的氧利用率提高至接近100%，并有較優(yōu)的COD處理能力。對(duì)河流污染來(lái)源是生活污水的情況有一定借鑒性。

占明飛等[14]在重污染村鎮(zhèn)的河道治理中，利用微納米氣泡復(fù)氧系統(tǒng)、微氣泡復(fù)氧造流器系統(tǒng)結(jié)合其它生態(tài)方式，為好氧微生物提供了好的棲息環(huán)境，消除了村鎮(zhèn)河道水體的黑臭現(xiàn)象（有機(jī)物是導(dǎo)致水體產(chǎn)生色度和嗅味的主要來(lái)源），COD與氨氮等指標(biāo)均達(dá)到地表水Ⅳ～Ⅴ類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn)，為蘇南地區(qū)和黑臭河道治理提供一種借鑒模式。

除上述介紹集中處理實(shí)例，利用微氣泡也可以在個(gè)別情況對(duì)河水進(jìn)行原位修復(fù)，在太湖入湖河道，采用微納米氣泡氣液分散系統(tǒng)進(jìn)行原位凈化處理，COD去除率達(dá)到了36.8%，達(dá)到了30%～40%的平均水平，且該法的成本較低，每?jī)艋涣⒎矫姿?，大約消耗0.1元，具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[11]。

對(duì)于由工業(yè)廢水排放引起的河流污染治理，可以借鑒張靜等[15]的臭氧微氣泡法和周清童等[2]的超微氣泡法。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)研究階段對(duì)微氣泡發(fā)生裝置及微氣泡特性的研究普遍比較單一，將微氣泡發(fā)生技術(shù)和其他技術(shù)聯(lián)用的研究還未普及，存在成本高、能耗高等問(wèn)題，后續(xù)的研究可以向這一方向發(fā)展。微氣泡發(fā)生裝置應(yīng)向低能耗、低成本、更簡(jiǎn)化的方向發(fā)展，可列為未來(lái)的研究重點(diǎn)。

在水體凈化中，將微納米氣泡與傳統(tǒng)凈水技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，可有效增強(qiáng)原有技術(shù)的處理效果，但與哪種方式聯(lián)用，采取原位還是異位修復(fù)，需要據(jù)主要污水類(lèi)型、有機(jī)污染程度、水體類(lèi)別等實(shí)際情況而定。

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