微納米曝氣技術(shù)在黑臭水體治理中的研究及應(yīng)用

陶昱明，王亦銘，丁 露，楊小麗

(1.南京市給排水工程設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京 210002；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 211189)

隨著生活水平和工業(yè)水平的不斷提高，部分生活污水、工業(yè)廢水和生活垃圾未得到有效控制排放進(jìn)入水體，產(chǎn)生大量污染物質(zhì)，超出了水體的自凈能力和環(huán)境容量。有機(jī)物在被氧化的過程中消耗了大量溶解氧，導(dǎo)致水體缺氧或厭氧。厭氧微生物在降解有機(jī)物的過程中產(chǎn)生氨氣、硫化氫、甲烷等氣體，并散發(fā)出氣味。厭氧狀態(tài)改變了底泥的氧化還原電位，底泥中的鐵、錳被還原，并向上覆水體釋放導(dǎo)致水體發(fā)黑[1-2]。

黑臭水體治理應(yīng)優(yōu)先采用控源截污措施，控制入河污染，再采取生態(tài)修復(fù)措施改善與提升水質(zhì)，促進(jìn)河道生態(tài)健康?？卦唇匚凼呛诔羲w治理的前提和基礎(chǔ)，但考慮到城市管理的多樣性及地下管網(wǎng)的復(fù)雜性，無法短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)徹底截污。人工曝氣技術(shù)通過提高水體中溶解氧(DO)含量，增強(qiáng)好氧微生物代謝活性，加快了水體中污染物的氧化過程，具有見效快、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已成為黑臭水體最常用的治理手段[3-4]。因此，曝氣技術(shù)作為黑臭水體階段性治理措施，以及后期生態(tài)修復(fù)措施，極具研究意義與應(yīng)用前景。但是，傳統(tǒng)曝氣技術(shù)存在能耗大、氧利用效率低等缺陷，且曝氣過程中若使用不當(dāng)會(huì)引起底泥懸浮，導(dǎo)致水體二次污染。微納米曝氣技術(shù)是近年來取得突破性進(jìn)展的新技術(shù)，產(chǎn)生的微納米氣泡具有粒徑小、水中停留時(shí)間長、傳質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注[5-6]。

目前，微納米曝氣技術(shù)在氣浮、黑臭水體治理、地下水修復(fù)等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，并取得了良好的效果，但尚未有研究系統(tǒng)性地闡述微納米曝氣技術(shù)對(duì)黑臭水體的治理效果和修復(fù)機(jī)理。本文調(diào)研了微納米曝氣技術(shù)在黑臭水體治理中的研究與應(yīng)用，介紹了微納米氣泡的特性，闡述了微納米曝氣技術(shù)對(duì)水體污染物的去除效果，分析了該技術(shù)對(duì)黑臭水體的修復(fù)機(jī)理，并對(duì)微納米曝氣技術(shù)今后的研究重點(diǎn)予以展望。

1 微納米氣泡的特性

微納米氣泡指直徑為200 nm～50 μm的氣泡，與傳統(tǒng)大氣泡相比，微納米氣泡在水處理中的應(yīng)用主要基于以下特性。首先，微納米氣泡的比表面積較大。Yoshida等[7]證實(shí)了比表面積是決定氣泡吸附性能最重要的因素，微納米氣泡巨大的表面積賦予了其更強(qiáng)的吸附能力。其次，微納米氣泡在水中的停留時(shí)間比普通氣泡長，這是因?yàn)槲⒓{米氣泡粒徑較小，上升速度慢，可以在水中長時(shí)間停留。Tunrer[8]首次證明了半徑為30 μm的微米氣泡能在低黏度液體中穩(wěn)定存在100 h，濃度高時(shí)可停留30 d。而且，微納米氣泡在上升過程中，半徑不斷減小，氣泡內(nèi)部壓力不斷增大。氣泡周圍溶解氣體的量隨氣泡內(nèi)部壓力的增大而增大[9]。微納米氣泡不斷收縮，最終溶解在水體中，使氣體在水中的溶解度呈超飽和狀態(tài)。由于微納米氣泡比普通氣泡具有更大的比表面積和更長的停留時(shí)間，這些特性顯著提高了其傳質(zhì)效率。再次，微納米氣泡界面ζ電位高，ζ電位在很大程度上決定了微納米氣泡界面的吸附性能[10]。同時(shí)，Li等[11]還發(fā)現(xiàn)，ζ電位值越高，氣泡在水中的停留時(shí)間越長，這可能是由于微納米氣泡的雙電層結(jié)構(gòu)對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生了阻力，降低了氣泡的溶解速率。最后，微納米氣泡收縮和破裂時(shí)，氣-液界面消失引起的劇烈變化會(huì)釋放界面上高濃度的正負(fù)離子所積累的能量，從而產(chǎn)生大量的羥基自由基，羥基自由基的強(qiáng)氧化性可以降解水中的難降解污染物。Takahashi等[12]通過電子自旋共振譜證實(shí)了直徑< 50 μm的微納米氣泡破裂會(huì)生成羥基自由基。如圖1所示，傳統(tǒng)大氣泡快速上升到水面并破裂，而微納米氣泡在緩慢上升的過程中不斷收縮，最終溶解在水中。表1對(duì)比了微納米氣泡與普通氣泡的特性。

圖1 微納米氣泡與大氣泡示意圖[12]Fig.1 Schematic Diagram of Micro-Nano Bubbles and Macro Bubbles[12]

2 微納米曝氣對(duì)黑臭水體污染物的去除效果

2.1 微納米曝氣對(duì)上覆水體污染物的去除效果

表1 微納米氣泡與普通氣泡的比較Tab.1 Comparison between Micro-Nano Bubbles and Common Bubbles

表2 不同微納米曝氣技術(shù)對(duì)黑臭水體污染物的去除效果Tab.2 Removal Effect of Different Micro-Nano Aeration Technologies on Pollutants in Black-Odorous Waterbodies

2.2 微納米曝氣對(duì)底泥污染物的去除效果

從黑臭水體的成因來看，水體受污染底泥的內(nèi)源釋放是引起水體黑臭的重要原因之一。黑臭水體的缺氧環(huán)境極大地改變了泥水界面的化學(xué)及生物過程，同時(shí)加快了底泥向上覆水體釋放氮、磷等營養(yǎng)鹽的速率。微納米氣泡可擴(kuò)散和滲透至底泥內(nèi)部，有效提高了泥水界面溶解氧及底泥氧化還原電位，改善了微生物及底棲生物生境，因而對(duì)底泥污染物具有很好的去除效果。劉建林[29]將微納米曝氣與生物膜技術(shù)結(jié)合原位消減黑臭底泥，在無截污自然狀態(tài)下，底泥厚度減少44%～58%，底泥含水率、有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳均有一定程度的下降。Batagoda等[30]將臭氧納米氣泡與超聲波技術(shù)相結(jié)合，對(duì)底泥中多環(huán)芳烴的去除率可達(dá)48.16%～91.83%。Wang等[31]利用氧納米氣泡改性礦物在水土界面進(jìn)行新型曝氣，底泥TP釋放速率比對(duì)照組下降5.15 mg/(m2·d)，TN釋放速率比對(duì)照組下降44.99 mg/(m2·d)，顯著抑制了底泥中營養(yǎng)鹽的釋放。

3 微納米曝氣對(duì)黑臭水體的修復(fù)機(jī)理

微納米曝氣對(duì)黑臭水體的修復(fù)機(jī)理包括提高水體DO濃度、生成自由基促進(jìn)污染物降解、增強(qiáng)好氧微生物活性和促進(jìn)水生動(dòng)植物生長等方面，如圖2所示。

圖2 微納米曝氣修復(fù)機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Micro-Nano Aeration Remediation Mechanism

3.1 微納米曝氣對(duì)黑臭水體的復(fù)氧效果

DO濃度是影響水體受污染程度的關(guān)鍵因素之一。本文選取了4組典型案例，對(duì)比了普通曝氣與微納米曝氣在對(duì)黑臭水體復(fù)氧效果上的差異。由表3可知，當(dāng)水體DO濃度相近時(shí)，微納米曝氣的曝氣量?jī)H為微孔曝氣的1/10；當(dāng)曝氣量相同時(shí)，微納米曝氣裝置DO濃度比普通曝氣裝置的DO濃度高出13.6%～50.9%。這主要是因?yàn)?，普通曝氣技術(shù)產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，氣泡快速上升至水面破裂消失，氧傳質(zhì)效率較低，溶氧效果差；微納米曝氣技術(shù)產(chǎn)生的氣泡粒徑小、停留時(shí)間長，能夠和水體充分接觸，溶氧效果好。

表3 微納米曝氣與普通曝氣對(duì)黑臭水體的復(fù)氧效果Tab.3 Effect of Micro-Nano Aeration and Common Aeration on Reoxygenation of Black-Odorous Waterbodies

3.2 微納米曝氣產(chǎn)生自由基對(duì)污染物去除的影響

微納米曝氣技術(shù)主要通過提高黑臭水體DO濃度、刺激好氧微生物的活性實(shí)現(xiàn)水體污染物降解。微納米氣泡發(fā)生收縮和破裂的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量羥基自由基[12,34]。羥基自由基能夠?qū)㈦y降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為更易降解的生物中間體，從而提高有機(jī)污染物的可生化性，并進(jìn)一步加快污染物的降解效率[35]。Tasaki等[36]的研究表明，185 nm的紫外線照射可加快微氣泡生成羥基自由基的速率，且可提高甲基橙的脫色率。Wang等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，微納米氣泡破裂產(chǎn)生的羥基自由基可有效去除水中的亞甲基藍(lán)，且O2含量與pH是影響自由基生成數(shù)量的關(guān)鍵因素。Li等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，使用空氣微納米氣泡產(chǎn)生的羥基自由基有效降解了廢水中的苯酚，處理2 h后去除率達(dá)到60%。

3.3 微納米曝氣對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

DO濃度是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。微生物代謝過程會(huì)消耗水體中的DO，造成水生環(huán)境缺氧，導(dǎo)致厭氧微生物活性增強(qiáng)。作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)水體的自凈能力起到關(guān)鍵作用。微納米曝氣能顯著提高水體的DO濃度，這有利于提高好氧微生物的生物量和活性。Sun等[39]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過微納米曝氣-浸沒式樹脂浮床技術(shù)處理后，河流的微生物群落豐度減少了約50%，好氧微生物的豐度顯著提升，這可能是由于微納米曝氣技術(shù)刺激了對(duì)污染物有降解作用的好氧微生物。Wu等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，微納米曝氣技術(shù)改變微生物群落結(jié)構(gòu)的方式是提高DO濃度和降解水體污染物，修復(fù)后，微生物豐度下降且好氧菌成為優(yōu)勢(shì)菌種。王碩等[40]對(duì)比了普通曝氣和微納米曝氣2種曝氣體系下水體和底泥內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，發(fā)現(xiàn)微納米氣泡曝氣組的微生物幾乎全部為好氧微生物，而普通氣泡曝氣組的微生物群落內(nèi)好氧微生物和厭氧微生物占比無明顯差異。

3.4 微納米曝氣對(duì)水生動(dòng)植物的影響

黑臭水體水動(dòng)力條件差、營養(yǎng)鹽含量高，會(huì)引起藻類迅速繁殖，導(dǎo)致水中DO濃度降低，水生生物大量死亡，進(jìn)一步加劇水體黑臭現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，微納米曝氣對(duì)藻類生長有抑制作用。黃磊等[41]探究了微納米曝氣技術(shù)的控藻效果，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)曝氣組的TP、葉綠素a、藻總密度的削減率分別為49.6%、33.2%、35.3%。Li等[42]發(fā)現(xiàn)，微納米氣泡對(duì)銅綠微囊藻的生長有顯著的抑制作用，用微氣泡曝氣處理10 min后，藻細(xì)胞密度和葉綠素a含量在72 h后分別降低了88%和94%；同時(shí)，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，藻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)均發(fā)生破損。王越等[32]對(duì)比了微氣泡曝氣與普通曝氣對(duì)黑臭水體的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)微氣泡曝氣裝置中OD680在一周內(nèi)迅速下降，并維持在較低水平。OD680為含藻液在680 nm波長處的吸光值, 可以間接反映藻細(xì)胞的數(shù)量，這說明微納米曝氣可有效去除藻類并抑制藻類繁殖。

活性氧(ROS)過去一直被視為有害的代謝產(chǎn)物，但近年來研究人員發(fā)現(xiàn)了ROS作為細(xì)胞信號(hào)通路重要生理調(diào)節(jié)劑的新作用。作為植物的代謝副產(chǎn)物，適當(dāng)水平的ROS對(duì)植物生長起到積極作用。微納米氣泡可在存在動(dòng)態(tài)刺激的情況下生成外源性ROS，適量濃度的ROS能夠促進(jìn)植物的生長。Liu等[43]研究了納米氣泡水在種子萌發(fā)過程中外源性ROS的作用，發(fā)現(xiàn)大麥種子浸入納米氣泡水中17 h后，種子的平均發(fā)芽率為58%，是蒸餾水的2倍。Liu等[44]發(fā)現(xiàn)，菠菜種子在蒸餾水、20%納米氣泡水和100%納米氣泡水中的最終發(fā)芽率分別為54%、65%和69%，說明納米氣泡水可提升菠菜種子的發(fā)芽率。Park等[45]在水培培養(yǎng)系統(tǒng)中注入微米氣泡培養(yǎng)生菜，發(fā)現(xiàn)微米氣泡系統(tǒng)中生菜的鮮重和干重分別是經(jīng)普通氣泡處理的2.1倍和1.7倍。

微納米氣泡對(duì)水生動(dòng)物的生長也有一定的促進(jìn)作用。Ebina等[46]的研究發(fā)現(xiàn)，使用納米氣泡水養(yǎng)殖香魚，能夠顯著提高香魚的生長速度，正常養(yǎng)殖的香魚體重從3.0 kg增加至6.4 kg，而納米氣泡水養(yǎng)殖的香魚體重從3.0 kg增加至10.2 kg。李娟[47]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過微納米氣泡養(yǎng)殖5個(gè)月后的牡蠣，體積明顯大于正常養(yǎng)殖2年的牡蠣。因此，微納米曝氣技術(shù)通過抑制藻類繁殖、促進(jìn)水生動(dòng)植物的生長，重構(gòu)水生生態(tài)，可恢復(fù)水體的自凈能力。

4 結(jié)論與展望

微納米氣泡具有比表面積大、停留時(shí)間長、氧傳質(zhì)效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)水體高效、持久復(fù)氧，提高水體中好氧微生物的活性，加快水體污染物降解。同時(shí)，微納米曝氣還可抑制黑臭水體底泥內(nèi)源污染的釋放，改善微生物及底棲生物生境，促進(jìn)底泥微生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，微納米曝氣技術(shù)具有較好的研究意義和應(yīng)用前景。針對(duì)微納米曝氣在黑臭水體治理研究現(xiàn)狀，提出以下展望。

(1)開發(fā)微納米曝氣耦合生物-生態(tài)集成技術(shù)。單獨(dú)微納米曝氣存在能耗與去除效率不匹配的問題，生物-生態(tài)技術(shù)在黑臭水體原位修復(fù)過程中具有環(huán)境友好、生態(tài)節(jié)能的特點(diǎn)，耦合微納米曝氣在降低能耗、提升去除效率的同時(shí)，保證了黑臭水體持續(xù)性生態(tài)化治理效果。

(2)加強(qiáng)微納米氣泡產(chǎn)生自由基對(duì)黑臭水體污染物的降解效果及機(jī)理研究。微納米氣泡破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生自由基，自由基能夠促進(jìn)水體中的污染物降解，并提高其可生化性，但現(xiàn)有研究對(duì)自由基在水體污染物去除中的貢獻(xiàn)尚未定論。

(3)開展示范工程，考察微納米曝氣在實(shí)際黑臭水體中的長期運(yùn)行效果及改善底泥微生境的作用機(jī)理。目前，已有研究證實(shí)微納米曝氣技術(shù)對(duì)微生物及水生動(dòng)植物的生長有促進(jìn)作用，但大部分停留在實(shí)驗(yàn)室階段，且將水生系統(tǒng)各部分割裂研究，缺乏在實(shí)際水生生態(tài)系統(tǒng)中微生物與水生動(dòng)植物的協(xié)同作用效果及機(jī)理研究。