微納米氣泡在環境污染控制領域的應用

劉秋菊 熊若晗 宋艷芳 王珊珊 王婉婷

(東北師范大學環境學院，吉林 長春 130000)

微納米氣泡在環境污染控制領域的應用

劉秋菊 熊若晗 宋艷芳 王珊珊 王婉婷

(東北師范大學環境學院，吉林 長春 130000)

本文介紹了微納米氣泡存在時間長、傳質效率高、界面ζ電位高以及可產生羥基自由基等方面的特性，分別從地表水水體凈化、地下水水土環境修復及污(廢)水處理等3個方面綜述了微納米氣泡技術在環境污染控制領域的應用進展，并提出：微納米氣泡曝氣技術尚未形成一套完整的工藝參數體系，且在地下水修復方面的應用研究進展緩慢；進一步研究方向，一是建立水質特征-微納米曝氣參數-氣泡特性之間的協變響應機制，二是將微納米氣泡技術與其它強氧化措施相結合并優化其協同條件，三是在微納米氣泡發生器的開發方面強化羥基自由基的產生量。

微納米氣泡；環境污染控制；應用；凈化；修復；特性

微納米氣泡通常是指直徑為200nm～50μm的微小氣泡[1]，具有體積小、比表面積大、ζ電位高等特點。最早在20世紀90年代由日本科學家研制出發生設備，并應用于水產養殖方面。近年來，微納米氣泡因其與普通氣泡不同的突出特性而備受關注，并逐漸被應用在環境污染控制領域，表現出了優良的技術優勢與良好的應用前景。目前，微納米氣泡技術相關的研究正逐漸成為環境污染控制領域中的新熱點。

1 微納米氣泡的特性

微納米氣泡因體積極其微小，具有不同于普通氣泡的突出特點，如在存在時間長、傳質效率高、界面ζ電位高及可產生羥基自由基等特性。

1.1 存在時間長

普通氣泡由于體積較大，在水中產生后會迅速上升，在水中的停留時間極短；而微納米氣泡由于體積小，在水中受到的浮力小，從而表現出上升緩慢的特性。如直徑為1mm的氣泡在水中的上升速度為6m/min，而如直徑為10μm的氣泡在水中的上升速度僅為3mm/min，后者的上升速度是前者的1/2000。另有研究表明，微納米氣泡在水中的懸浮時間可達252s[2]。

1.2 傳質效率高

微納米氣泡體積小，具有極大的比表面積，氣液界面處的表面張力大。微納米氣泡內部氣體由于受到強表面張力的作用而被壓縮，氣泡體積縮小，氣泡內壓力增大，表現為自增壓效應。不斷增大的內壓使得氣泡內氣體穿過氣液界面溶解到水中。且隨著氣泡直徑的減小，表面張力的作用效果越來越明顯，最終內部壓力達到一定極限值而導致氣泡界面破裂消失[3]。微納米氣泡在收縮過程中的自增壓特性，使得氣液界面處傳質效率增強，并且當水體中的氣體含量達到飽和時，微納米氣泡仍可進行氣液傳質，從而達到較高的傳質效率[4]。

1.3 界面ζ電位高

微納米氣泡表面吸附帶負電的離子，形成表面電荷離子層；由于負離子的電性吸引，在表面電荷離子周圍又吸附帶正電的反電荷離子層，從而形成雙電層結構。微納米氣泡表面電荷產生的電勢差常用ζ電位表示，它是氣泡表面吸附性能的決定性因素。ζ電位越高，則氣泡對水中帶電粒子的吸附性能越好。Ushikubo等[5]研究發現，以空氣和氧氣為載體的微納米氣泡，其ζ電位分別為-20～-17mV、-45～-34mV。

1.4 產生羥基自由基

微納米氣泡在水中體積逐漸縮小，雙電層表面的電荷密度迅速升高，直到氣泡破裂時，高濃度正負離子積蓄的能量瞬間釋放，產生局部高溫、高壓的極端條件，促使H2O分解產生具有極強氧化作用的羥基自由基[6]。Masayoshi Takahashi等[7]通過電子自旋共振光譜證明，以臭氧為載氣的微納米氣泡在強酸性溶液中潰滅時產生大量羥基自由基，可降解聚乙烯醇，但臭氧自身卻不能分解氧化聚乙烯醇。因此，可將臭氧與微納米氣泡技術相結合，用以針對性處理難降解有機物。

2 微納米氣泡在環境污染控制領域的應用

微納米氣泡優于傳統氣泡的突出特性，使其在環境污染控制領域顯現出一定的技術優勢和良好的應用前景。

2.1 地表水水體凈化

2015年，我國地表水Ⅳ類及以下水體占35.5%[8]，部分河段及湖泊污染嚴重，其重要誘因為水體納污量超過其環境容量。微生物在分解污染物的過程中消耗水體中的溶解氧，導致水體含氧量下降，水質嚴重惡化。對水體進行曝氣復氧，可有效改善水質，且不產生二次污染。以微納米氣泡代替傳統氣泡進行曝氣，可增強氧傳質作用，提高溶解氧濃度，強化氧化作用。

在廣州市白云湖水利工程中，于不同水域布置9套微納米氣泡發生裝置進行曝氣，單套曝氣裝置的溶解氧平均增幅為6.684%，表明微納米曝氣裝置對溶解氧指標的改善具有一定的作用[9]。徐彬等[10]采用微納米氣泡氣液分散系統對太湖入湖河道水體進行原位凈化處理，結果表明，CODMn、氨氮、總磷的平均去除率分別為36.8%、42.4%和49.1%，入湖水質達到國家地表水Ⅱ-Ⅲ類標準。上海某公司曾利用微納米氣泡發生器在寧波某河道進行水質改善實驗[11]。治理60d后實驗河段水質明顯改善，水體透明度由治理前的0.05m上升到0.5m，河道淤泥厚度由50cm下降到30cm，表層淤泥中的有機污染物也有不同程度的降解。實驗結果表明，微納米氣泡技術對微污染水體具有良好的修復作用。洪濤等[12]采用國產微米氣泡發生裝置處理黑臭河水，結果表明，對CODCr、NH3-N、土臭素和2-甲基異莰醇的最大去除率分別比普通曝氣高12%、10%、16%和12%。從各種指標分析來看，用微米氣泡曝氣處理黑臭水體具有很好的效果。

微納米氣泡因其存在時間長、傳質效率高等特性，目前已逐漸代替傳統氣泡而被應用于改善和提高地表水環境質量，對于微污染、重污染地表水水體均有良好的修復作用，表現出良好的技術優勢。

2.2 土壤及地下水水體修復

近幾十年來，我國地下水污染問題日益嚴重。在各種污染物中，石油類組分因其高毒害性而備受關注，尤其是淺層地下水土環境系統中的石油類污染在全世界范圍內具有普遍性與嚴重性[13]。去除土壤和地下水中可揮發有機污染物最有效的方法是地下水原位曝氣修復技術。

早在上世紀90年代，Jenkins等[14]即利用微米氣泡技術對被二甲苯污染的土壤進行了原位曝氣修復試驗，將氧氣微氣泡與可降解二甲苯的Pseudomonas putida菌株混合后注入土柱間隙中，處理后土壤中殘留的二甲苯濃度低至儀器檢測限以下，且在該過程中微氣泡在修復區域的保持時間長達45min，微生物菌株對氧氣的利用率達71%～82%。目前，微納米氣泡技術也開始逐步應用到土壤修復中。Choi等[15]利用微納米氣泡洗滌系統處理被石油污染的垃圾場表層土壤，調節過氧化氫濃度為15%，連續處理2 h后，總石油烴去除率達25.9%。

Xia等[16]將臭氧氧化與微納米氣泡技術相結合，應用于地下水有機污染嚴重的南京某工廠，在4m×4m內進行原位修復實驗，研究表明臭氧MNBs在有機污染場地的原位修復中具有潛在的應用前景。Li等[17]提出，將微納米氣泡應用于地下水修復技術，可大大提高生物修復效果。另外，在應用微納米氣泡技術增強生物修復時，應考慮地下水鹽度。當鹽度為0.7g/L時，氧傳質效率最高[18]。

在對污染場地進行曝氣的過程中，空氣以微納米級氣泡注入地下含水層。由于微納米氣泡具有更小的體積與更強的吸附能力，能吹脫并吸附存在于地下水位以下和毛細管邊緣的殘留態、吸附態有機污染物；另外，微納米氣泡氧傳質能力強，在一定程度上可促進溶解態和吸附態有機污染物發生好氧生物降解。因此，將微納米氣泡技術應用于地下水原位曝氣，可更加高效地去除揮發性有機污染物和可被好氧生物降解的有機污染物，顯現出較強的技術優勢與應用潛力。

2.3 污廢水處理

微納米氣泡在破裂的瞬間釋放出具有極強氧化作用的羥基自由基，可氧化分解有機污染物。目前，在工業污(廢)水處理方面，將微納米氣泡技術與傳統污水處理工藝相結合，達到了更有效的處理效果[19]。

張敏等[20]采用自行設計的混凝-微納米氣浮裝置對煉化企業污水處理廠的二沉池出水進行深度處理，最佳工藝參數為：混凝劑FeCl330mg/L，工作壓力0.2MPa，回流比20%，水力停留時間6min。在此實驗條件下，COD去除率為39.13%，SS去除率為51.85%，氣浮出水COD<60mg/L，達到《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)一級B標準。呂宙[21]在探索將微納米氣泡搭載臭氧曝氣處理污水的試驗中發現，在一定時間內，微納米臭氧曝氣對水體中各污染物的降解效率要優于微納米空氣曝氣；Chang等[22]將臭氧氧化與微納米氣泡技術相結合處理紡織廢水，研究結果表明，處理后水質達到回收標準，可回收紡織廢水作為工業用水。唐向陽等[23]將微納米曝氣與氣浮工藝相結合處理造紙法煙草薄片廢水，以殼聚糖為絮凝劑，經微納米氣浮后的稀白水、濃白水的COD、SS、氨氮濃度均達到生產回用標準。

將臭氧等強氧化方法協同微納米氣泡作用可促使微納米氣泡釋放出更多的羥基自由基，對有機污染物進行強化分解，可有效降低廢水的COD；另外，由于微納米氣泡體積小、比表面積大，具有極強的吸附能力，將微納米氣泡技術與氣浮工藝相結合，可高效去除水中的懸浮物。且操作簡單、不產生二次污染，在污(廢)水處理方面表現出良好的應用前景。

3 結 語

綜上所述，微納米氣泡因體積極其微小，具有不同于普通氣泡的突出特性。尤其是傳質效率高、吸附能力強、可產生羥基自由基這三方面的特性，使微納米氣泡技術在環境污染控制領域逐漸得到應用。微納米氣泡技術的應用現狀、應用前景及需進一步研究解決的問題如下：

(1)在環境污染控制領域中，微納米氣泡技術在地表水水體凈化方面應用最廣。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。但以微納米氣泡代替傳統氣泡進行曝氣，尚未形成完整的工藝參數體系。為了更好地發揮微納米曝氣的技術優勢，需要建立水質特征-微納米曝氣參數-氣泡特性之間的協變響應機制。

(2)微納米氣泡技術在地下水水土環境修復方面的應用研究進展緩慢，尚處于探索起步階段。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，有望對被石油類污染物、重金屬污染的土壤進行高效的修復。

(3)將微納米氣泡應用到氣浮工藝中，可有效去除工業污(廢)水中的SS、COD、氨氮，但此過程一般需要臭氧輔助強化氧化效果，微納米氣泡技術與其他強氧化措施的優化協同問題需進一步研究。比如，控制臭氧量以強化微納米氣泡潰滅時的羥基自由基產量，從而強化微納米氣泡對難降解有機物的氧化分解能力。

(4)強化羥基自由基產量，除了輔加臭氧等強氧化措施，還可以從微納米氣泡發生裝置本身入手。目前，微納米氣泡發生器的開發也是一個研究熱點，如何開發出高羥基自由基產量且低能耗、低成本的微納米氣泡發生裝置是現階段研究的難點。

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The Application of Micro-nano Bubble in Environmental Pollution Control

LIU Qiuju XIONG Ruohan SONG Yanfang WANG Shanshan WANG Wanting

(Environmental Sciences College of Northeast Normal University，Jilin Changchun 130000)

In this paper，the characteristics of micro-nano bubble were introduced mainly on the existence of a long time，the mass transfer efficiency，the high interface zeta potential and the release of hydroxyl radicals. The application of micro-nano bubble technology in environmental pollution control field was reviewed from three aspects：the purification of surface water bodies，the remediation of groundwater environment and the treatment of sewage or waste water. And some existed problems on micro-nano bubble technology were pointed out. For example，it has not formed a complete set of process parameters，and the application of groundwater remediation is slow. In addition，three further research directions were proposed. Firstly，establish the covariant response mechanism of water quality characteristics，micro-nano aeration parameters and bubble characteristics. Secondly，Combine micro-nano bubble technology with other strong oxidative measures and optimize its synergistic conditions. Thirdly，enhance the production of hydroxyl radicals on the development of micro-nano bubble generator.

micro-nano bubble；environmental pollution control；application；purification；remediation；characteristic

劉秋菊，在讀本科生，環境工程專業

王婉婷，碩士研究生，環境工程專業

X21

A

1673-288X(2017)03-0100-03

引用文獻格式：劉秋菊 等.微納米氣泡在環境污染控制領域的應用[J].環境與可持續發展，2017，42(3)：100-102.