微納米氣泡技術在環保領域的應用研究進展

吳娜 薛曉莉 張志立

摘要 ? ?微納米氣泡的獨特物理化學性質和生理活性在國內外有廣泛的關注，并在納米氣泡形成的機制、氣泡測定方法、分布特征等基礎研究領域取得了一系列成果。微納米氣泡技術應用于環保領域具有廣泛的研究基礎和前景，在污水處理領域、河道治理領域、土壤及地下水修復領域、氣浮領域、廢氣治理領域等方面均有涉及。本文綜述了微納米氣泡技術在以上各領域方面的研究基礎及前景。

關鍵詞 ? ?微納米氣泡技術;污水處理;河道治理;環保

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）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生裝置，主要應用于水產養殖方面。隨著對微納米氣泡研究的深入，發現其在流體動力學、生物科學等多個應用領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，但大多數同意微氣泡直徑應該在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構是影響氣泡尺寸的關鍵。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、穩定性、電離現象、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技術的研發重點及熱點。從2013—2017年首次公開的微納米氣泡發生技術及其應用相關專利的IPC統計（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。微納米氣泡技術在環保領域的應用受到廣泛關注，現詳細介紹微納米氣泡技術在環保各方面的應用情況。

1 ? ?微納米氣泡技術在污水處理領域的應用

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能環保技術，對改善水質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;五是減少底泥內源污染;六是氧化底泥中的污染物質，改善厭氧環境[4]。

很多學者對微納米氣泡與廢水處理之間的關系進行了相應研究。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。合肥工業大學資源與環境工程學院對微納米氣泡曝氣技術在生活污水處理中的應用進行了相應的研究[5]。結果表明，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，結果發現，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，對膜清洗更加有效和生態，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生一些能夠滅殺細菌的羥基自由基，表現依據是通過微納米氣泡曝氣后水中的菌落有明顯變化，但是由于其數量比較少，同時又由于水中可能存在很多易被氧化的物質減少或者消失，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型超微米氣泡發生水處理裝置治理污水的能力。結果表明，微納米曝氣使水體中的溶解氧上升明顯，水質得到一定改善，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境與生物工程學院于2011年對微米氣泡曝氣技術處理黑臭河水的效果進行了相應的研究[8]，結果表明，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。張天柱等[9]利用微納米增氧曝氣協同生物凈化河道治理系統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，系統運行穩定后情況有明顯的提升，主要污染物水質穩定在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與生物凈化技術協同在一起。通過微納米氣泡技術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水處理手段進行聯合，才能將廢水中的污染物去除效率大大增加。

2 ? ?微納米氣泡技術在土壤及地下水修復領域的應用

微納米氣泡強化修復技術的去除機理包括以下幾個方面：一是與抽出處理技術聯合應用，使用注水井和抽水井系統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、高效傳質的特點，應用不同氣體實現污染物的去除;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技術的特點[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技術可大大提高生物修復效果。有研究表明，將微納米氣泡技術與臭氧氧化技術相結合，應用于有機污染嚴重的地下水，結果表明，其在有機污染場地的原位修復中具有潛在的應用前景。

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

3 ? ?微納米氣泡技術在氣浮領域的應用分析

微納米氣泡表面帶有負電荷，在水體中能產生非常濃密而細膩的氣泡，不會出現融合增大而破裂的現象。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，實現固液分離，使廢水水質得以改善[14]。

有學者比較了微米氣泡氣浮工藝與傳統氣泡氣浮工藝對印染廢水的預處理效果;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，實現清水與藍藻分離;另外，將臭氧及微納米氣浮相結合，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]，并且部分已經得到工程應用。

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

4 ? ?微納米氣泡在廢氣治理領域的應用分析

微納米氣泡可應用于環境保護領域中廢水、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，應設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上述目的[17]。科研單位曾針對微納米氣泡技術在噴涂廢氣治理中的應用進行試驗，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用較少，從數據上看，微納米氣泡在廢氣治理領域的應用效果有限，尚存在一些亟待研究及改進之處，需進一步強化凈化效果，并且與其他技術進行結合，如與其他凈化技術聯用對廢氣進行大面積治理，提高廢氣去除效率。

5 ? ?結語

綜上所述，微納米氣泡在環保的很多方面均有研究和應用，但研究主要集中在污水處理及河道治理方面，在廢氣處理、地下水修復方面研究比較少，成熟的應用更少之又少。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方面則應深入研究，使微納米氣泡可以在這兩方面得到成熟的推廣應用。

6 ? ?參考文獻

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