微納米氣泡技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展

吳娜 薛曉莉 張志立

摘要 ? ?微納米氣泡的獨特物理化學性質(zhì)和生理活性在國內(nèi)外有廣泛的關(guān)注，并在納米氣泡形成的機制、氣泡測定方法、分布特征等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列成果。微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域具有廣泛的研究基礎(chǔ)和前景，在污水處理領(lǐng)域、河道治理領(lǐng)域、土壤及地下水修復(fù)領(lǐng)域、氣浮領(lǐng)域、廢氣治理領(lǐng)域等方面均有涉及。本文綜述了微納米氣泡技術(shù)在以上各領(lǐng)域方面的研究基礎(chǔ)及前景。

關(guān)鍵詞 ? ?微納米氣泡技術(shù);污水處理;河道治理;環(huán)保

中圖分類號 ? ?X-1 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）17-0154-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

對于微納米氣泡的研究始于19世紀，微納米氣泡的應(yīng)用情況最早可以追溯至20世紀90年代，日本科學家最先研究出微納米氣泡發(fā)生裝置，主要應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面。隨著對微納米氣泡研究的深入，發(fā)現(xiàn)其在流體動力學、生物科學等多個應(yīng)用領(lǐng)域中都有著較為深遠的影響[1]。雖然學者們對氣泡的具體大小范圍有不同看法，但大多數(shù)同意微氣泡直徑應(yīng)該在10～100 μm的范圍，1～10 μm為亞微米氣泡，10～1 000 nm為納米氣泡[2]，而釋放和水力剪切的結(jié)構(gòu)是影響氣泡尺寸的關(guān)鍵。在微距鏡頭下微納米氣泡如圖1所示。微納米氣泡的性質(zhì)主要有在水中停留時間長、自身增壓溶解、比表面積大、表面帶電、收縮性、氧化性、殺菌性、穩(wěn)定性、電離現(xiàn)象、超聲波性、生理活性、擴散性等。

從2013—2017年首次公開的專利中可找出近期相關(guān)技術(shù)的研發(fā)重點及熱點。從2013—2017年首次公開的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)及其應(yīng)用相關(guān)專利的IPC統(tǒng)計（表1）可以看出，研究熱點與重點集中在乳化和水處理，包括廢水處理、水域曝氣、脫氣等。微納米氣泡技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)詳細介紹微納米氣泡技術(shù)在環(huán)保各方面的應(yīng)用情況。

1 ? ?微納米氣泡技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

曝氣是廢水好氧生物處理工藝的基本過程，可為污染物的好氧生物降解提供溶解氧。在曝氣單元中，溶解氧濃度的高低對有機污染物的去除起著直接作用。微納米氣泡曝氣作為新一代的高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)，對改善水質(zhì)的作用主要有以下幾個方面[3]：一是消除有機物污染和黑臭;二是減少水體營養(yǎng)鹽含量;三是消除藻類水華;四是改善水色及透明度;五是減少底泥內(nèi)源污染;六是氧化底泥中的污染物質(zhì)，改善厭氧環(huán)境[4]。

很多學者對微納米氣泡與廢水處理之間的關(guān)系進行了相應(yīng)研究。在同樣的溶解氧濃度下，微納米氣泡幾乎完全抑制了水體里厭氧菌的生長，而普通曝氣則依然存在大量的厭氧菌，因而微納米氣泡曝氣大大提高了好氧菌的活性以及生存條件，對有機物的去除有著非常好的積極作用。合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院對微納米氣泡曝氣技術(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用進行了相應(yīng)的研究[5]。結(jié)果表明，與普通鼓風曝氣對比，微納米氣泡曝氣對CODCr、SS、氨氮、TP和TN的去除效率可以提高10%～20%，并且節(jié)省15%左右的電能。Ashutosh等[6]研究了微米氣泡去除尼龍膜表面膜污染的效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微米氣泡清洗可以去除大部分固化微生物、胞外多糖和蛋白質(zhì)，對膜清洗更加有效和生態(tài)，不會造成二次污染。

另外，微納米氣泡水對滅菌基本沒有效果，微納米氣泡本身沒有滅殺細菌的特性，但是氣泡在破裂時會產(chǎn)生一些能夠滅殺細菌的羥基自由基，表現(xiàn)依據(jù)是通過微納米氣泡曝氣后水中的菌落有明顯變化，但是由于其數(shù)量比較少，同時又由于水中可能存在很多易被氧化的物質(zhì)減少或者消失，因而在通常情況下微納米氣泡水對外不表現(xiàn)出殺菌能力。由此可以看出，微納米氣泡的主要功能是除菌而并不是殺菌，微納米氣泡水通過吸附可以將更多的細菌沖洗帶走，如果用來清洗物體表面，則除菌效果比較好，清洗作用較普通水強。

張奎興等[7]以珠江水系某支涌為研究對象，研究AH型超微米氣泡發(fā)生水處理裝置治理污水的能力。結(jié)果表明，微納米曝氣使水體中的溶解氧上升明顯，水質(zhì)得到一定改善，對COD和BOD去除率也達到70%左右，氨氮和總磷也大幅度去除，去除色度也較好。中國環(huán)境科學研究院、北京科技大學、河北工程大學、遼寧石油化工大學環(huán)境與生物工程學院于2011年對微米氣泡曝氣技術(shù)處理黑臭河水的效果進行了相應(yīng)的研究[8]，結(jié)果表明，微米氣泡曝氣處理黑臭水體具有很好的效果，對黑臭污水的處理效果由高到低依次為微米氣泡曝氣>普通曝氣>無曝氣方式。張?zhí)熘萚9]利用微納米增氧曝氣協(xié)同生物凈化河道治理系統(tǒng)對河道進行增氧曝氣，在其案例中溶解氧可提升至2～3 mg/L，透明度可提升至30 cm，COD、SS、TN、TP去除效率可達到25%～30%。徐 ?彬等[10]采用微納米氣泡對河道進行凈化處理，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后情況有明顯的提升，主要污染物水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類水平，COD、氨氮、總磷平均去除率分為36.8%、42.4%和49.1%，效果顯著。

綜上所述，在治理河道過程中，一般將微納米氣泡技術(shù)與生物凈化技術(shù)協(xié)同在一起。通過微納米氣泡技術(shù)增加河道的溶解氧及生物活性，對河流和湖泊的COD、氨氮、總磷等指標均有較高的去除率，對DO、透明度等指標有明顯改善。單純微納米氣泡氨氮降解作用不大，有些體系還會增加氨氮濃度，氨氮濃度的下降主要依靠微生物的作用，而在微納米曝氣條件下可以提高污水中溶解性有機物（DOM）的含量，進而提升污水的可生化性能，且在曝氣中大大提高了反應(yīng)池的生物量和生物活性，顯著提高污水的處理效率。因此，需要將微納米氣泡增氧手段和傳統(tǒng)水處理手段進行聯(lián)合，才能將廢水中的污染物去除效率大大增加。

2 ? ?微納米氣泡技術(shù)在土壤及地下水修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

微納米氣泡強化修復(fù)技術(shù)的去除機理包括以下幾個方面：一是與抽出處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，使用注水井和抽水井系統(tǒng)形成人工地下水流場;二是利用微納米泡存在時間長、影響范圍大、高效傳質(zhì)的特點，應(yīng)用不同氣體實現(xiàn)污染物的去除;三是在抽水及注水過程中，地下水可對吸附于土顆粒表面的污染物沖洗剝離。與地下水曝氣法相比，微納米氣泡強化修復(fù)技術(shù)的特點[11]如表2所示。

Choi等[12]研究表明，用15%過氧化氫處理被石油污染的垃圾場表層土壤2 h后，總石油烴去除率達25.9%。Li等[13]研究表明，微納米氣泡地下水修復(fù)技術(shù)可大大提高生物修復(fù)效果。有研究表明，將微納米氣泡技術(shù)與臭氧氧化技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于有機污染嚴重的地下水，結(jié)果表明，其在有機污染場地的原位修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用前景。

雖然微納米氣泡地下水修復(fù)技術(shù)尚處于探索起步階段，但根據(jù)相關(guān)研究成果，將地下水原位曝氣修復(fù)技術(shù)與微納米氣泡技術(shù)相結(jié)合，有望對被石油類污染物、重金屬污染的土壤進行高效修復(fù)。目前的研究尚處于實驗室階段，在實際污染場地中的應(yīng)用仍然非常少。

3 ? ?微納米氣泡技術(shù)在氣浮領(lǐng)域的應(yīng)用分析

微納米氣泡表面帶有負電荷，在水體中能產(chǎn)生非常濃密而細膩的氣泡，不會出現(xiàn)融合增大而破裂的現(xiàn)象。表面電荷對水體微粒的吸附性可以將水體中有機懸浮物固定并分離，乳液破乳后粉體堆積密度小于水，浮在水上;微納顆粒比重大，沉底，與微氣泡結(jié)合的粉體可加速上浮。因此，微納米氣泡具有良好的氣浮性能。利用微納米氣泡的這個性能，可將其加入添加了絮凝劑的廢水中，使其通過表面張力作用黏附于廢水中的顆粒物上，形成整體密度<1的絮凝體，使其上浮至水面，通過對漂浮于水面污物的收集，實現(xiàn)固液分離，使廢水水質(zhì)得以改善[14]。

有學者比較了微米氣泡氣浮工藝與傳統(tǒng)氣泡氣浮工藝對印染廢水的預(yù)處理效果;也有學者提出了利用微納米氣泡對含藻污水進行氣浮處理，實現(xiàn)清水與藍藻分離;另外，將臭氧及微納米氣浮相結(jié)合，利用氣浮及臭氧的強氧化性，對難降解有機物進行分離氧化。以上研究都表明，氣浮效果良好[15]，并且部分已經(jīng)得到工程應(yīng)用。

目前，市場上已有微納米氣泡氣浮相關(guān)定型設(shè)備，如水體凈化增氧一體化遙控氣浮船等功能項設(shè)備，可通過微納米氣浮原理對各性質(zhì)的廢水進行氣浮操作，達到去除水體微小顆粒物的目的，實現(xiàn)固液分離的凈化效果，再聯(lián)合其他水處理手段，徹底將廢水凈化達標。

4 ? ?微納米氣泡在廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用分析

微納米氣泡可應(yīng)用于環(huán)境保護領(lǐng)域中廢水、廢氣等治理[16]。例如，城市中汽車噴漆廢氣會對周邊居民的身心健康造成影響，應(yīng)設(shè)法降低噴漆廢氣的排放濃度，利用微納米氣泡工藝進行噴漆房廢氣凈化處理可實現(xiàn)上述目的[17]?？蒲袉挝辉槍ξ⒓{米氣泡技術(shù)在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用進行試驗，試驗主要分為兩部分：一是針對漆霧的捕捉，二是針對廢氣的凈化，試驗結(jié)果表明，去除效率不太理想（<60%）。由于目前微納米在廢氣治理上的研究及應(yīng)用較少，從數(shù)據(jù)上看，微納米氣泡在廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用效果有限，尚存在一些亟待研究及改進之處，需進一步強化凈化效果，并且與其他技術(shù)進行結(jié)合，如與其他凈化技術(shù)聯(lián)用對廢氣進行大面積治理，提高廢氣去除效率。

5 ? ?結(jié)語

綜上所述，微納米氣泡在環(huán)保的很多方面均有研究和應(yīng)用，但研究主要集中在污水處理及河道治理方面，在廢氣處理、地下水修復(fù)方面研究比較少，成熟的應(yīng)用更少之又少。因此，在之后的微納米研究進展可能在水處理方面更精益求精，并且減少成本，擴大推廣。在廢氣及地下水修復(fù)方面則應(yīng)深入研究，使微納米氣泡可以在這兩方面得到成熟的推廣應(yīng)用。

6 ? ?參考文獻

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