微納米氣泡概述及水產養殖應用微納米氣泡曝氣技術增氧
楊文華等
一、微納米氣泡概述
（一）微納米氣泡的定義
學術上對氣泡分類主要根據氣泡性質的不同，最常用的指標是氣泡大小、表面特徵和氣泡壽命。這些特徵主要決定於氣泡大小，因此許多學者把氣泡大小作為唯一分類標準。按照這個標準，氣泡被分為大氣泡、微米氣泡、亞微米氣泡或納米氣泡。雖然學者們對氣泡的大小範圍有不同看法，Temesgen等根據眾多文獻研究總結，直徑10μm～100μm為微米氣泡，1μm～10μm為亞微米氣泡，10nm～1000nm為納米氣泡。而具有一些特殊理化性質的微小氣泡，主要集中在氣泡直徑在數百納米到10微米之間的泡沫，稱之為微納米氣泡。[吉山花瑤自媒體網絡首發]
（二）微納米氣泡的性質
長期大量研究表明，微納米氣泡具有特殊的物理化學性質。
1.上升速度慢（滯留性）。普通氣泡在水體中迅速上升到水面並破裂消失，存在時間極短。而微納米氣泡在水中上升速度較慢，從產生到破裂需幾十秒甚至幾分鐘。直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，後者是前者的1/2000。
2.自身增壓溶解。微納米氣泡內部的壓力遠遠大於外界液體的壓力，可以將更多的氣泡內的氣體溶解到水中，並伴隨有自身溶解消失的現象。
3.比表面積大。相對於微納米氣泡的體積，其比表面積非常大，具有超常的氣體溶解能力。極大促進氣液之間的反應速度。
4.表面帶電。表面帶有負電荷，對水中微小粒子具有增強吸附的作用；並隨微納米氣泡收縮、溶解的過程在產生表面電荷濃縮、電離，產生氫氧自由基等現象。
5.氧化性。因微納米氣泡在壓壞時局部處於強大的高溫高壓狀態，激發大量的自由基，可以發揮出強大的氧化性。
6.殺菌性。微納米氣泡的殺菌性與常規的殺菌技術有著獨特的區別，它的殺菌過程包括吸引與殺滅兩個過程，採用二相流體法生成的泡沫因兩相摩擦而產生強大的靜電，這種帶電的氣泡可以吸附水體中的細菌與病毒。隨著氣泡的縮小壓壞破裂，由於氣泡周圍激發大量的自由基及破裂所產生的超高溫高壓，把吸附的細菌病毒殺死。
7.穩定性。氣泡的逗留性可以讓機能性的臭氧水實現物理化學穩定性，這是常規氣泡所不具有獨有特性。
（三）微納米氣泡曝氣技術
微納米氣泡曝氣技術，利用微納米氣泡快速發生裝置把氣體（如：空氣、氧氣、臭氧等）用高速旋迴切割方式溶入水中，快速、高效地製取微納米氣泡水，提高氣體的溶解效率，滿足對水體進行處理的要求。
微納米氣泡快速發生裝置曝氣後，水體呈乳白色。微納米氣泡在水中的上升速度較慢，停止曝氣後乳白色氣泡穩定存在3min～5min才消失，曝氣效果如下（見圖1、圖2）。
以氧氣源曝氣，水體經微納米氣泡快速發生裝置曝氣後，初始溶氧值19.8mg/L，5天後溶氧值13.1mg/L（見圖3）。該裝置以氧氣源曝氣瞬間可達到超飽和溶氧值，停止曝氣後溶氧值衰減緩慢，說明微納米氣泡快速發生裝置可向水體瞬間快速增氧，由於微納米氣泡比表面積大、上升速度慢以及自身加壓溶解，溶氧值衰減非常緩慢。
圖1 微納米氣泡快速發生裝置曝氣瞬間
圖2 微納米氣泡快速發生裝置曝氣效果
微納米氣泡快速發生裝置向5m 3的水體中循環曝氣，以氧氣源曝氣20min即可達到飽和溶氧值，繼續曝氣溶氧值持續快速升高，120min後可達42.2mg/L，停止曝氣72小時後，水體溶氧值依然高達26mg/L，仍處於超飽和狀態。但是以空氣源曝氣，溶氧值達到飽和後變化不大，停止曝氣後溶氧值衰減亦不明顯（見圖4、圖5）。
圖3 微納米氣泡發生裝置過流式曝氣溶氧值及其衰減曲線
圖4 微納米氣泡快速發生裝置曝氣增氧曲線
圖5 微納米氣泡水溶氧衰減曲線
二、水產養殖應用微納米氣泡曝氣技術增氧
由於微納米氣泡特殊的物理化學性質，使得其在水處理、農業等眾多領域具有廣泛的應用。本研究探索水產養殖生產中應用微納米氣泡快速發生裝置曝氣增氧情況，並對比相關研究，分析微納米氣泡曝氣技術的應用價值。
（一）微納米氣泡曝氣技術在循環水養殖系統快速增氧
試驗1在循環水養殖系統養殖虹鱒魚時應用微納米氣泡快速發生裝置曝氣增氧。循環水養殖系統包括4個養殖桶、微濾機、紫外線消毒器、脫氣池、微生物反應池、鼓風機、調節池、微納米氣泡快速發生裝置，制氧機，動力泵。系統總水量18m 3 ，每個養殖桶水量1.7m 3 ，水體30min循環一次，虹鱒密度約30kg/m 3 。微納米氣泡快速發生裝置以制氧機提供氧氣源對系統曝氣增氧，鼓風機對微生物反應池曝氣增氧。在調節池曝氣，在1號養殖池測定溶氧值。早上8:00後補水，9:00後餵飼料。15:00後補水，15:30後餵飼料。早上8:00測試初始溶氧值後開啟微納米氣泡快速發生裝置曝氣增氧，每30min測定一次溶氧值（12:00～13:00期間未監測）。微納米氣泡快速發生裝置增氧曝氣時水溫及溶氧值變化情況如下圖（圖6、圖7）。
圖6 養殖虹鱒時微納米氣泡快速發生裝置曝氣的水溫變化
圖7 養殖虹鱒時微納米氣泡快速發生裝置曝氣的溶氧值變化
水溫總體呈上升趨勢（見圖6），主要受室溫、補水以及微納米氣泡快速發生裝置開機運行的影響。早上8:00補水後水溫略微下降，但是隨著室溫的升高以及微納米氣泡快速發生裝置的開啟，水溫持續上升，15:00補水後水溫又略微下降。
曝氣8小時水體溶氧值總體呈現先上升後下降的趨勢（見圖7），主要受水溫、投餵飼料以及魚排洩物等影響。初始溶氧值13.23mg/L，開啟微納米氣泡快速發生裝置1小時內溶氧值迅速提升，達17.78mg/L。之後水體溶氧值增加速度稍微放緩，一方面由於溫度逐漸升高而影響曝氣溶氧速度，另一方面由於9:00投餵飼料，飼料等有機物消耗氧氣，3小時後溶氧值達到增加到19.91mg/L，11:00之後隨著溫度繼續升高以及魚類代謝排洩物增多，溶氧值增加緩慢甚至開始下降，15:30後投餵飼料，溶氧值繼續下降。另外，水體藻類及光合細菌對溶氧值也存在一定影響，尚需進一步研究探討。
通過研究發現，微納米氣泡快速發生裝置向30kg/m 3 的養魚水體曝氣，在初始溶氧值已達到超飽和狀態（13.23mg/L）的條件下，溶氧在1小時仍然可迅速增加4.55mg/L，持續曝氣3小時後溶氧值高達19.9mg/L，實現快速高效增氧。水體溶氧值隨水溫的上升而增加緩慢，同等條件下溫度越低溶氧值越高，飼料和魚排洩物等有機物耗氧，並明顯影響水體溶氧值。
（二）微納米氣泡在循環水養殖系統衰減緩慢
試驗2在上述循環水養殖系統無魚狀態時進行。早上8:00後補水，測試初始溶氧值後開啟微納米氣泡快速發生裝置曝氣增氧，每30min測定一次溶氧值（12:00～13:00期間未監測）。13:30測定溶氧值後關機，每15min測定一次溶氧值。微納米氣泡快速發生裝置增氧曝氣時水溫及溶氧值變化情況如下圖（圖8、圖9）。
圖8 無魚時微納米氣泡快速發生裝置曝氣的水溫變化
圖9 無魚時微納米氣泡快速發生裝置曝氣的溶氧值變化
水溫總體呈上升趨勢，主要受室溫、補水以及微納米氣泡快速發生裝置開機運行的影響。早上8:00補水後水溫略微下降，但是隨著室溫的升高以及微納米氣泡快速發生裝置的開啟，水溫持續上升，13:30後雖然關閉微納米氣泡快速發生裝置，但是水溫依然隨室溫的升高而持續上升（見圖8）。4月24日水溫可能受陰雨天氣及氣壓影響高於25日及26日。
曝氣5小時水體溶氧值總體呈現上升趨勢，主要受水溫的影響。初始溶氧值8.86mg/L，開啟微納米氣泡快速發生裝置1小時內溶氧值迅速提升，達16.66mg/L，隨著溫度逐漸升高溶氧值增加速度稍微放緩，13:30時溶氧值達到18.24mg/L，13:30後關閉微納米氣泡快速發生裝置，溶氧值在1.5小時後下降到9.12mg/L（見圖9），一方面水體超飽和狀態的溶氧在逐漸衰減，另一方面系統內的微生物及管道內沉積的顆粒沉澱汙物也在消耗水體溶氧。
通過研究發現，微納米氣泡快速發生裝置以氧氣源曝氣，可使無魚的循環水養殖系統的溶氧在1小時內迅速增加7.80mg/L，之後溶氧值增加緩慢。在無魚的循環水養殖系統曝氣後（見圖9）比在井水曝氣後（見圖3）溶氧值衰減快，原因可能是：（1）井水中消耗氧氣的物質少，在曝氣過程中基本已被氧化，在停止曝氣後消耗水體溶氧少或不再消耗水體溶氧。無魚的循環水養殖系統中，生物池中大量的微生物、管道沉積的顆粒物以及一些藻類都會消耗水體溶氧。（2）井水停止曝氣後，水體呈靜止狀態，溶於水中的氧氣不易逸出。而無魚的養殖系統中，水體一直處於循環流動狀態，溶於水中的氧氣相對靜止狀態更容易逸出。
微納米氣泡曝氣技術應用於水產養殖增氧，可以使溶氧值迅速增加、緩慢衰減，這與王揚才應用超微氣泡技術在室內養殖對蝦的結論一致。王揚才應用超微氣泡發生裝置（空氣源）和鼓風機向對蝦養殖池曝氣，水量約7.5m 3 ，溶氧值在1min內接近飽和值8mg/L。停止曝氣後，鼓風機曝氣的溶氧快速下降，15min後基本下降到初始溶氧水平（5mg/L），而超微氣泡發生裝置曝氣的溶氧下降速度較慢，65min後下降到初始溶氧水平。
三、微納米氣泡曝氣技術在水產養
殖領域潛在的應用價值鮑旭騰根據前人的研究總結介紹了微納米氣泡在漁業領域的應用及潛在的應用價值，包括水體快速增氧、水體修復和淨化、提高氣浮效率、漁業船舶減阻、管道減阻、治療和預防魚病、提高飼料等發酵效率、促進生長、促進魚糜去色淨白等。根據微納米氣泡的性質及微納米氣泡在其他領域應用的研究結論所預計微納米氣泡在水產養殖領域的潛在應用價值，有待實踐應用加以驗證。
（一）氣浮及水質淨化
在研究水產養殖應用微納米氣泡曝氣技術增氧時還發現，由於微納米氣泡表面帶有負電荷，對水中微小粒子具有增強吸附的作用，在調節池曝氣時一些固態有機物被微納米氣泡吸附而上浮（見圖10），可過濾去除，進而減少耗氧源。
圖10 微納米氣泡的氣浮作用
王揚才研究超微氣泡技術在對蝦室內養殖的應用時發現超微氣泡能加快養殖水體顆粒物的降解。超微氣泡發生裝置在水體底部，其噴射的氣流在水平方向運行，沉積顆粒物受氣流衝擊隨水流懸浮於養殖水體中，由於超微氣泡表面的電荷對懸浮物有良好的黏附效率，在微泡組水體表面會形成大量顆粒物聚集。這些顆粒物從水體底部沉積狀態進入水層懸浮狀態，增加了與水體中氧氣的接觸，從而加快顆粒物的生物降解，實現水質淨化。張奎興採用AH型超微米氣泡發生水處理裝置研究其治理汙水能力，試驗結果表明該方法能顯著降低BOD和總磷及氨氮含量，溶解氧大幅度提高，對色度也有較好去除，水質明顯改善。上述研究對於水產養殖水處理工藝中應用微納米氣泡降低耗氧、降解水質氨氮等指標提供了參考。
（二）微生物硝化作用
吳善超在研究微納米氣泡在氮素循環過程中的應用時發現，微納米氣泡轉化亞硝氮時，亞硝氮濃度較高時微納米氣泡對其轉化具有優勢；臭氧微納米氣泡對亞硝氮的轉化有促進作用；氧氣微納米氣泡對亞硝氮轉化的影響與溶液pH值密切相關，在一定範圍內酸性越強，氧化效率越高；近中性或鹼性條件下，氧氣對於亞硝氮轉化基本不起作用或不發生反應。這對於水產養殖水處理工藝中應用微納米氣泡促進微生物硝化作用提供了參考。
（三）水生植物淨化
張保君採用微納米曝氣、鼓風曝氣和無曝氣對比研究了再力花植物浮床水質淨化效果及規律。結果表明，微納米曝氣浮床比無曝氣浮床對水體COD Mn 、TN、NH 4 + -N和TP去除率分別提高19.95%、13.35%、21.72%、18.20%，而鼓風曝氣組則分別為8.23%、5.64%、10.61%、10.53%；但微納米曝氣形成的富氧環境不利於NO 3 -N的去除。這對於水產養殖水處理工藝中植物淨化環節應用微納米曝氣技術提供了參考。
（四）臭氧消毒
氣泡的滯留性讓臭氧水實現物理化學穩定性，初裡冰採用微納米氣泡不僅可以提高臭氧在水中的傳質速度，從而提高臭氧的利用率，還可以強化臭氧的氧化能力。這對於水產養殖水處理工藝中應用微納米臭氧曝氣技術降解氨氮等指標提供了參考。
（五）提高產量
李燕等研究養殖南美白對蝦時發現，微孔曝氣增氧比葉輪增氧機增氧的飼料係數降低9.5%，平均畝產提高17.1%，平均畝利潤提高50%。這對於水產養殖水處理工藝中應用微納米的生理活性特點提高產量提供了參考。
四、微納米氣泡曝氣技術在水產養殖領域應用的展望
根 據 聯 合 國 糧 農 組 織 最 新 發布的《世界漁業和水產養殖狀況》的內容，2016年，全球魚類產量約1.71×10 8 噸，水產養殖（含內陸和海洋）產量佔總產量的47%。從產值來看，漁業和水產養殖產量初次銷售總額約為3620億美元，其中水產養殖產量佔2320億美元。水產養殖具有巨大的發展空間，而進行環保、高效生態循環養殖也是未來發展的主流趨勢，微納米氣泡特殊的理化性質使得其在水產養殖方面具有多種潛在應用價值，有待進一步研究探索。