微納米曝氣技術在黑臭水體治理中的研究及應用

陶昱明，王亦銘，丁 露，楊小麗

(1.南京市給排水工程設計院有限公司，江蘇南京 210002；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京 211189)

隨著生活水平和工業水平的不斷提高，部分生活污水、工業廢水和生活垃圾未得到有效控制排放進入水體，產生大量污染物質，超出了水體的自凈能力和環境容量。有機物在被氧化的過程中消耗了大量溶解氧，導致水體缺氧或厭氧。厭氧微生物在降解有機物的過程中產生氨氣、硫化氫、甲烷等氣體，并散發出氣味。厭氧狀態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致水體發黑[1-2]。

黑臭水體治理應優先采用控源截污措施，控制入河污染，再采取生態修復措施改善與提升水質，促進河道生態健康。控源截污是黑臭水體治理的前提和基礎，但考慮到城市管理的多樣性及地下管網的復雜性，無法短時間內實現徹底截污。人工曝氣技術通過提高水體中溶解氧(DO)含量，增強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、對環境影響小等優點，已成為黑臭水體最常用的治理手段[3-4]。因此，曝氣技術作為黑臭水體階段性治理措施，以及后期生態修復措施，極具研究意義與應用前景。但是，傳統曝氣技術存在能耗大、氧利用效率低等缺陷，且曝氣過程中若使用不當會引起底泥懸浮，導致水體二次污染。微納米曝氣技術是近年來取得突破性進展的新技術，產生的微納米氣泡具有粒徑小、水中停留時間長、傳質效果好等優點，引起了人們的廣泛關注[5-6]。

目前，微納米曝氣技術在氣浮、黑臭水體治理、地下水修復等領域有較多的應用，并取得了良好的效果，但尚未有研究系統性地闡述微納米曝氣技術對黑臭水體的治理效果和修復機理。本文調研了微納米曝氣技術在黑臭水體治理中的研究與應用，介紹了微納米氣泡的特性，闡述了微納米曝氣技術對水體污染物的去除效果，分析了該技術對黑臭水體的修復機理，并對微納米曝氣技術今后的研究重點予以展望。

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，與傳統大氣泡相比，微納米氣泡在水處理中的應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的吸附能力。其次，微納米氣泡在水中的停留時間比普通氣泡長，這是因為微納米氣泡粒徑較小，上升速度慢，可以在水中長時間停留。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定存在100 h，濃度高時可停留30 d。而且，微納米氣泡在上升過程中，半徑不斷減小，氣泡內部壓力不斷增大。氣泡周圍溶解氣體的量隨氣泡內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。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間，這些特性顯著提高了其傳質效率。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，Li等[11]還發現，ζ電位值越高，氣泡在水中的停留時間越長，這可能是由于微納米氣泡的雙電層結構對氣體擴散產生了阻力，降低了氣泡的溶解速率。最后，微納米氣泡收縮和破裂時，氣-液界面消失引起的劇烈變化會釋放界面上高濃度的正負離子所積累的能量，從而產生大量的羥基自由基，羥基自由基的強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了直徑< 50 μm的微納米氣泡破裂會生成羥基自由基。如圖1所示，傳統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 微納米曝氣對黑臭水體污染物的去除效果

2.1 微納米曝氣對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對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。黑臭水體的缺氧環境極大地改變了泥水界面的化學及生物過程，同時加快了底泥向上覆水體釋放氮、磷等營養鹽的速率。微納米氣泡可擴散和滲透至底泥內部，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結合原位消減黑臭底泥，在無截污自然狀態下，底泥厚度減少44%～58%，底泥含水率、有機質及有機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相結合，對底泥中多環芳烴的去除率可達48.16%～91.83%。Wang等[31]利用氧納米氣泡改性礦物在水土界面進行新型曝氣，底泥TP釋放速率比對照組下降5.15 mg/(m2·d)，TN釋放速率比對照組下降44.99 mg/(m2·d)，顯著抑制了底泥中營養鹽的釋放。

3 微納米曝氣對黑臭水體的修復機理

微納米曝氣對黑臭水體的修復機理包括提高水體DO濃度、生成自由基促進污染物降解、增強好氧微生物活性和促進水生動植物生長等方面，如圖2所示。

圖2 微納米曝氣修復機理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Micro-Nano Aeration Remediation Mechanism

3.1 微納米曝氣對黑臭水體的復氧效果

DO濃度是影響水體受污染程度的關鍵因素之一。本文選取了4組典型案例，對比了普通曝氣與微納米曝氣在對黑臭水體復氧效果上的差異。由表3可知，當水體DO濃度相近時，微納米曝氣的曝氣量僅為微孔曝氣的1/10；當曝氣量相同時，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%。這主要是因為，普通曝氣技術產生的氣泡粒徑較大，氣泡快速上升至水面破裂消失，氧傳質效率較低，溶氧效果差；微納米曝氣技術產生的氣泡粒徑小、停留時間長，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黑臭水體的復氧效果Tab.3 Effect of Micro-Nano Aeration and Common Aeration on Reoxygenation of Black-Odorous Waterbodies

3.2 微納米曝氣產生自由基對污染物去除的影響

微納米曝氣技術主要通過提高黑臭水體DO濃度、刺激好氧微生物的活性實現水體污染物降解。微納米氣泡發生收縮和破裂的過程中，會產生大量羥基自由基[12,34]。羥基自由基能夠將難降解有機物轉化為更易降解的生物中間體，從而提高有機污染物的可生化性，并進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]的研究發現，微納米氣泡破裂產生的羥基自由基可有效去除水中的亞甲基藍，且O2含量與pH是影響自由基生成數量的關鍵因素。Li等[38]的研究發現，使用空氣微納米氣泡產生的羥基自由基有效降解了廢水中的苯酚，處理2 h后去除率達到60%。

3.3 微納米曝氣對微生物群落結構的影響

DO濃度是影響微生物群落結構的關鍵因素之一。微生物代謝過程會消耗水體中的DO，造成水生環境缺氧，導致厭氧微生物活性增強。作為水生態系統中的重要組成部分，微生物群落結構對水體的自凈能力起到關鍵作用。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]發現，經過微納米曝氣-浸沒式樹脂浮床技術處理后，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刺激了對污染物有降解作用的好氧微生物。Wu等[21]的研究發現，微納米曝氣技術改變微生物群落結構的方式是提高DO濃度和降解水體污染物，修復后，微生物豐度下降且好氧菌成為優勢菌種。王碩等[40]對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微生物群落結構的差異，發現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 微納米曝氣對水生動植物的影響

黑臭水體水動力條件差、營養鹽含量高，會引起藻類迅速繁殖，導致水中DO濃度降低，水生生物大量死亡，進一步加劇水體黑臭現象。研究發現，微納米曝氣對藻類生長有抑制作用。黃磊等[41]探究了微納米曝氣技術的控藻效果，發現單獨曝氣組的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]發現，微納米氣泡對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，藻細胞密度和葉綠素a含量在72 h后分別降低了88%和94%；同時，電鏡觀察發現，藻細胞的結構均發生破損。王越等[32]對比了微氣泡曝氣與普通曝氣對黑臭水體的修復效果，發現微氣泡曝氣裝置中OD680在一周內迅速下降，并維持在較低水平。OD680為含藻液在680 nm波長處的吸光值, 可以間接反映藻細胞的數量，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物，但近年來研究人員發現了ROS作為細胞信號通路重要生理調節劑的新作用。作為植物的代謝副產物，適當水平的ROS對植物生長起到積極作用。微納米氣泡可在存在動態刺激的情況下生成外源性ROS，適量濃度的ROS能夠促進植物的生長。Liu等[43]研究了納米氣泡水在種子萌發過程中外源性ROS的作用，發現大麥種子浸入納米氣泡水中17 h后，種子的平均發芽率為58%，是蒸餾水的2倍。Liu等[44]發現，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芽率。Park等[45]在水培培養系統中注入微米氣泡培養生菜，發現微米氣泡系統中生菜的鮮重和干重分別是經普通氣泡處理的2.1倍和1.7倍。

微納米氣泡對水生動物的生長也有一定的促進作用。Ebina等[46]的研究發現，使用納米氣泡水養殖香魚，能夠顯著提高香魚的生長速度，正常養殖的香魚體重從3.0 kg增加至6.4 kg，而納米氣泡水養殖的香魚體重從3.0 kg增加至10.2 kg。李娟[47]發現，經過微納米氣泡養殖5個月后的牡蠣，體積明顯大于正常養殖2年的牡蠣。因此，微納米曝氣技術通過抑制藻類繁殖、促進水生動植物的生長，重構水生生態，可恢復水體的自凈能力。

4 結論與展望

微納米氣泡具有比表面積大、停留時間長、氧傳質效率高等眾多優點，能夠實現水體高效、持久復氧，提高水體中好氧微生物的活性，加快水體污染物降解。同時，微納米曝氣還可抑制黑臭水體底泥內源污染的釋放，改善微生物及底棲生物生境，促進底泥微生態系統的恢復。因此，微納米曝氣技術具有較好的研究意義和應用前景。針對微納米曝氣在黑臭水體治理研究現狀，提出以下展望。

(1)開發微納米曝氣耦合生物-生態集成技術。單獨微納米曝氣存在能耗與去除效率不匹配的問題，生物-生態技術在黑臭水體原位修復過程中具有環境友好、生態節能的特點，耦合微納米曝氣在降低能耗、提升去除效率的同時，保證了黑臭水體持續性生態化治理效果。

(2)加強微納米氣泡產生自由基對黑臭水體污染物的降解效果及機理研究。微納米氣泡破裂時會產生自由基，自由基能夠促進水體中的污染物降解，并提高其可生化性，但現有研究對自由基在水體污染物去除中的貢獻尚未定論。

(3)開展示范工程，考察微納米曝氣在實際黑臭水體中的長期運行效果及改善底泥微生境的作用機理。目前，已有研究證實微納米曝氣技術對微生物及水生動植物的生長有促進作用，但大部分停留在實驗室階段，且將水生系統各部分割裂研究，缺乏在實際水生生態系統中微生物與水生動植物的協同作用效果及機理研究。