微納米氣泡技術在環保領域的應用

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，並在納米氣泡形成的機制、氣泡測定方法、分布特徵等基礎研究領域取得了一系列成果。微納米氣泡技術應用於環保領域具有廣泛的研究基礎和前景，在汙水處理領域、河道治理領域、土壤及地下水修復領域、氣浮領域、廢氣治理領域方面均有涉及。本文探索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、汙水處理、河道治理、環保

1、微納米氣泡技術

對於微納米氣泡的研究始於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，主要應用於水產養殖方面。隨著對微納米氣泡研究的深入，發現其對生物科學、流體動力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大小範圍具體有不同看法，但大多數同意微氣泡直徑應該在10－100微米的範圍，1-10μm為亞微米氣泡，10-1000nm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圖片如圖1所示。微納米氣泡的性質主要有以下幾點：（1）在水中停留時間長；（2）自身增壓溶解；（3）比表面積大；（4）表面帶電；（5）收縮性；（6）氧化性；（7）殺菌性；（8）穩定性；（9）電離現象；（10）超聲波性；（11）生理活性；（12）擴散性。

圖1 微納米氣泡在微距鏡頭的顯像

對（2013年-2017年）首次公開的專利可以找出近期相關技術的研發重點及熱點。2013 年-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、脫氣等等。微納米氣泡技術在環保領域的應用受到廣泛關注，下面將詳細介紹微納米氣泡技術在環保各方面的應用情況。

2、微納米氣泡技術在環保領域的應用

2.1微納米氣泡技術在汙水處理領域的應用

曝氣是廢水好氧生物處理工藝的基本過程，可為汙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汙染物的去除起著直接作用。微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]：(1)消除有機物汙染和黑臭；(2)減少水體營養鹽含量；(3)消除藻類水華；(4)改善水色及透明度；(5)減少底泥內源汙染；（6）氧化底泥中的汙染物質，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係進行了相應的研究。在同樣的溶解氧濃度下，微納米氣泡幾乎完全抑制了水體裡厭氧菌的生長，而普通曝氣則依然存在大量的厭氧菌，因此微納米氣泡曝氣大大的提高了好氧菌的活性及生存條件，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汙水處理中的應用進行了相應的研究[5]。研究表明，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%，並節省15%左右的電能。Ashutosh Agarwal等[6]研究了微米氣泡去除尼龍膜表面膜汙染的效能，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，對膜清洗更加有效及生態，不造成二次汙染。

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，但是氣泡在破裂的時候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後水中的菌落有明顯變化，但是由於其數量比較少，同時又有水中可能存在很多易被氧化的物質減少或者消失，因此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並不是殺菌，微納米氣泡水通過吸附，可以將更多的細菌衝洗帶走，用來清洗物體表面的話，除菌效果比較好，清洗作用比普通水強。

張奎興等[7]以珠江水系某支湧為研究對象，研究AH型超微米氣泡發生水處理裝置治理汙水的能力。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去除率也將近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於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]，微米氣泡曝氣處理黑臭水體具有很好的效果，對黑臭汙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。北京中農天陸[9]利用微納米增氧曝氣協同生物淨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，透明度提升至30cm，COD、SS、TN、TP去除效率達到25%-30%。徐彬等[10]採用微納米氣泡對河道進行淨化處理，系統運行穩定後情況有明顯的提升，主要汙染物水質穩定在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。

可以看出，在治理河道過程中，一般將微納米氣泡技術與生物淨化技術協同一起。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汙水中溶解性有機物（DOM）的含量，進而提升汙水的可生化性能，且在曝氣中大大提高了反應池的生物量和生物活性，顯著提高汙水的處理效率。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，才能將廢水中的汙染物去除效率大大的增加。

2.2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主要包括：a利用微納米氣泡的高效傳質、存在時間長、影響範圍大的特點，應用不同氣體實現汙染物的去除；b微納米氣泡強化修復技術與抽出處理技術聯合應用，在現場應用中使用注水井和抽水井系統形成人工地下水流場，通過抽水井可直接抽取汙染地下水進行處理；c在注水及抽水過程中，地下水可對吸附於土顆粒表面的汙染物衝洗剝離。微納米氣泡強化修復技術是一種新型的曝氣技術，與地下水曝氣法相比的異同如下表2所示[11]：

2011年Choi等[12]利用微納米氣泡洗滌系統處理被石油汙染的垃圾場表層土壤調節過氧化氫濃度為15%，連續處理2h 後，總石油烴去除率達25.9%。2013年Li等[13]提出，將微納米氣泡應用於地下水修復技術，可大大提高生物修復效果。2016年Xia等[14]將臭氧氧化與微納米氣泡技術相結合，應用於地下水有機汙染嚴重的南京某工廠，研究表明臭氧MNBs在有機汙染場地的原位修復中具有潛在的應用前景。

微納米氣泡技術在地下水水土環境修複方面的應用研究進展緩慢，尚處於探索起步階段。根據有相關研究成果，將微納米氣泡技術與地下水原位曝氣修復技術結合，有望對被石油類汙染物、重金屬汙染的土壤進行高效的修復。目前針對微納米氣泡的研究證明了該技術在有機汙染地下水原位修復中所具有的潛力，但是目前為止的研究局限於對現象的觀察，在微納米氣泡的傳質能力以及修復機理方面還有待深入的研究分析，微納米氣泡在實際汙染場地中的應用仍然非常少。

2.3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而不會像常規氣泡一樣出現融合增大而破裂。表面電荷對水體微粒的吸附性可以把水體中有機懸浮物固定並分離，乳液破乳後粉體堆積密度小於水，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。利用微納米氣泡良好的氣浮性，將微納米氣泡通入到添加了絮凝劑的廢水中，微納米氣泡通過表面張力作用黏附於廢水中的顆粒物上，形成整體密度＜１的絮凝體，使其上浮至水面，通過對漂浮於水面汙物的收集，實現固液分離，使廢水水質得以改善[15]。

Liu 等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汙水進行氣浮處理，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[16]，並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，如水體淨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，實現固液分離的淨化效果，再聯合其他水處理手段，徹底將廢水淨化達標。

2.4微納米氣泡在廢氣治理領域的應用分析

微納米氣泡可應用於環境保護領域中廢水、廢氣等治理[17]。例如汽車零部件製造企業，產品表面需保持美觀，並防止表面被空氣氧化，因此需對產品進行噴漆。但由於城市規劃的缺陷，居民區與廠區距離很近，為減少噴漆廢氣對居民的影響，需降低噴漆廢氣的排放濃度。基於這方面的目的，可選擇微納米氣泡工藝進行噴漆房廢氣淨化處理[18]。科研單位曾針對微納米氣泡技術在噴塗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，二是針對廢氣的淨化，試驗結果表明去除效率不太理想（＜60%）。由於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，尚存在一些待研究及改進之處，需進一步強化淨化效果，並與其他技術進行結合，如與其他淨化技術聯用對廢氣進行大面積治理，提高廢氣去除效率。

3 小結

綜上所述，我們發現微納米氣泡在環保很多方面均有研究和其應用，但研究主要集中在汙水處理及河道治理方面。其廢氣處理、地下水修複方面研究比較少，其成熟應用更少之又少。因此在之後的微納米的研究進展可能在水處理方面更精益求精，並減少成本，擴大推廣。而在廢氣及地下水修複方面則深入研究，使微納米氣泡可以在這兩方面得到成熟的推廣應用。

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