微納米曝氣技術在污染水體中的應用研究進展＊

崔野

（中鐵二十局集團房地產開發(fā)有限公司，重慶 401336）

1 微納米曝氣技術介紹

1.1 微納米曝氣產生背景

近年來，隨著社會迅速發(fā)展和人們生活水平大幅提高，大量城市生活污水和工業(yè)廢水被排放，導致中國大部分城市河道斷面受到不同程度的污染[1]。曝氣技術作為一種原位水體修復技術，利用其可對失去自凈能力的黑臭水體進行曝氣充氧，恢復生態(tài)系統和水體的自凈功能[2]，是水體修復的常用技術手段。近年來，微納曝氣技術已成為社會熱點話題之一。作為新一代曝氣技術，與傳統普通曝氣技術相比，利用其不僅能產生停留時間更長[3-4]、擁有羥基自由基[5]的微納米氣泡，而且在增強傳質[6]等方面，均優(yōu)于傳統普通曝氣技術。微納米曝氣技術與傳統曝氣技術比較如表1 所示。

表1 微納米曝氣技術與傳統曝氣技術比較

1.2 微納米曝氣技術定義

微曝氣技術作為一種新興的水體曝氣技術，原理是利用其產生的氣泡可以增加污染水體中溶解氧的含量，從而刺激污染水體中微生物的生物活性，進而提高污染水體中有機污染物去除效果[7-8]。微納米氣泡的直徑通常在幾納米到幾微米之間[9]，由發(fā)生裝置、連接管和氣頭[10]產生。

1.3 微納米曝氣研究現狀

為了全面掌握微納米曝氣技術的研究進展，本文對中文和英文文獻進行檢索分析，其中英文文獻選自Web of Science（WOS）核心合集數據庫，中文文獻選自中國知網（CNKⅠ）數據庫，檢索范圍限制為核心期刊。剔除無關論文，最終篩選出170 篇英文文獻和62篇中文文獻，并通過文獻管理中心進行導出。

2012—2021 年期間，微納米曝氣技術研究的中文、英文論文的年度發(fā)文量如圖1 所示（其中2021 年文獻量較少的原因是檢索時間到2021 年6 月截止）。根據文獻的年發(fā)文量可知，微納米曝氣技術的相關研究文獻量每年總體呈遞增趨勢，表明生物滯留技術逐漸受到研究者的關注。目前，該項技術在國外應用比較廣泛，國內的研究還比較少，值得引起人們的重視。

圖1 2012—2021 年關于微納米曝氣技術研究的CNKⅠ和WOS 文獻年度發(fā)文量

2 微納米氣泡物理性質研究

2.1 比表面積大

研究發(fā)現，微納米氣泡的比表面積通常與其氣泡直徑呈負相關[11]，比表面積a與粒徑d的關系為a=6/d，根據公式推理可得，在一定體積下，直徑為10 μm 的氣泡的比表面積理論上是直徑為1 mm 的氣泡的100 倍。它的接觸面積增加了100 倍，所以相應的反應速率也增加了100 倍，從而加速了污染物的降解速率。

2.2 水力停留時間長

氣泡上升速度（即在水中停留時間）是影響氣泡在水污染治理過程中效能的一個關鍵參數[12]，而氣泡上升速度與其粒徑的平方成正比[13]。該結論適用于直徑小于2 mm 的氣泡，對于粒徑超出2 mm 的氣泡，其上升速度并不會受其直徑的影響。對于宏觀氣泡而言，其粒徑大小范圍通常在幾毫米到幾厘米之間，浮力相對較大，氣泡上升到液面會出現破裂現象，導致水力停留時間極短。而微納米氣泡的直徑為在幾納米到幾微米之間，由于其體積小，在水中受到的浮力小，從而表現出上升緩慢的特性[14]。

2.3 產生羥基自由基

許多研究發(fā)現[14]微納米氣泡在水中上升時體積會逐漸減小，此過程會導致氣泡表面電荷密度快速增大，當氣泡收縮破裂時，氣泡表面高質量濃度正負離子積累的能量瞬間釋放，導致出現局部高溫高壓的極端情況，促使水分解生成羥基自由基（·OH）。TAKAHASHⅠ等[4]研究發(fā)現，超聲空化產生的微米氣泡破裂時可以釋放羥基，而且通過水動力學方式產生直徑小于50 μm的氣泡，在破裂時也會產生羥基。羥基（·OH）的氧化還原電位為2.8 V，比臭氧和過氧化氫都高，可加速臭氧微米氣泡的氧化還原作用，在有機污染物去除領域中有巨大的應用潛力[15]。

2.4 界面ζ電位高

微泡的重要特征之一是表面電荷，通常以ζ電位為特征。TAKAHASHⅠ[16]系統地研究了微米氣泡的界面電荷，發(fā)現氣液界面的氫鍵結構與水的不同，導致界面電荷存在。微納米氣泡的電位主要受酸堿度、鹽離子和表面活性劑的類型和質量濃度的影響。微納米氣泡水溶液的pH 值在2～12 范圍內，所有微納米氣泡都帶負電荷[17]，且ζ電位絕對值隨pH 值的增加近似線性增加[18]。相關研究[19]認為，高價離子增加氣泡的ζ電位與吸引力有關，因此三價金屬離子比一價和二價金屬離子更容易產生ζ電位為正的氣泡。FENG 等[20]發(fā)現，添加表面活性劑產生的微氣泡的穩(wěn)定性與表面活性劑、pH、鹽度等因素有關。表面活性劑質量濃度越高，pH 值和鹽度越低，微氣泡的穩(wěn)定性越好。

2.5 氧傳質系數高

劉春等[21]研究發(fā)現，在氧傳質系數上，微納米氣泡曝氣技術明顯高于傳統曝氣，同時其提高效果與界面活性劑、空氣流量、鹽度等眾多因素有關。表面活性劑可以改善微納米氣泡的氣含率和氣泡在水中的停留時間，從而加強總體積傳質系數。TERASAKA 等[22]研究了關于不同微納米氣泡產生方式對于溶氧傳質系數的影響，研究結果發(fā)現，在氣液二相流體混合/剪斷方式下產生的微納米氣泡，其溶氧傳質系數最高。

3 微納米曝氣技術的強化措施及應用現狀

3.1 MAT-O3/BAC 聯合技術

臭氧/生物活性炭（O3/BAC）工藝是目前水處理中常用技術之一[19]，該工藝結合了臭氧和活性炭的優(yōu)點，通過吸附和氧化實現對有機物的快速去除[23]。但是，O3/BAC 也存在一些隱患。例如，臭氧工藝中會產生小分子生物有機碳，這些有機碳可能成為消毒副產物的前體，從而對流出物的產生了不可靠的化學安全性。微納米氣泡具有直徑小、比表面積大、停留時間長等特點，從而提高臭氧在水中的傳遞效率，增強其氧化能力[24-25]。史麗芳等[26]將微泡曝氣技術與臭氧/生物活性炭技術相結合，旨在利用O3/BAC 優(yōu)化工藝為水處理提供新的思路。其研究數據表明，在臭氧工藝處理階段通入微納米氣泡，對UV254 的去除率較通入普通氣泡可提高約31%。

3.2 MAT-IMA 聯合技術

黑臭水體治理常用的方法包括物理法、化學法、微生物修復法等[27]。僅僅使用一種單一的處理手段難以治理黑臭水體。針對實際水體狀況，將各種方法有機結合，才可有效修復黑臭水體。陳麗娜等[28]采用微納米曝氣（MAT）+ 微生物活化（ⅠMA）技術，同時輔以側線生物處理系統治理黑臭水體。微納米曝氣采用的方法是超高壓氣水混合，該方法在超飽和狀態(tài)下會產生大量氣泡，這些氣泡對于去除機物污染和黑臭具有重要作用[29]。該工藝的核心在于通過微納米曝氣技術，大幅增加污染水體中溶解氧的含量，加快了本土好氧微生物菌群的繁殖速度，從而達到微生物快速增長與水中有機污染物的快速降解的目的[30-31]。

3.3 MAT-生態(tài)浮島聯合技術

近年來，國內外對生態(tài)浮島技術的研究主要傾向于植物的比較選擇、浮島內外部結構設計，以及如何增加水中溶解氧含量等方面，曝氣-生態(tài)浮島聯合技術等相關研究也成為熱點。但傳統的曝氣方式會使水體中的氣泡體積龐大，上浮并迅速擴散到空氣中，從而導致氣泡在水體中停留時間較短，進而降低污染水體中溶解氧的含量。同時，氣泡上浮過快會猛烈攪動水體，不易使水生植物根系和生物填料形成生物膜，導致其去除有機污染物的效果不好[32-33]。針對這一系列問題，潘俊等[34]構建了一種新型微納曝氣-生態(tài)浮島技術。研究表明，通過微納橡膠曝氣管產生的微納米氣泡可明顯提高去除氮磷的效果。

4 結語與展望

近年來，微納米曝氣技術因其產生的微納米氣泡具有眾多優(yōu)點，例如水中停留時間長、比表面積大、氧傳質效率高等，因而在水環(huán)境治理方面的應用受到人們的廣泛關注，但目前尚有許多問題有待研究解決。

微納米氣泡產生裝置在結構構造、運行能耗、穩(wěn)定性方面還有待加強。如裝置加工較困難，曝氣頭易堵塞，部分裝置對氣液混合流體速度要求高等問題。探究新型微納米曝氣增氧裝置已逐漸成為微納米曝氣技術的熱點。微納米曝氣-臭氧/生物活性炭、微納米曝氣-微生物活化、微納米曝氣-生態(tài)浮島聯合等技術目前在中國少有研究應用，應根據國外研究成果并結合國內條件，因地制宜選擇合適的技術路線并探明對于污染水體的去除機理，進而為國內水處理提供新方向。