微納米曝氣技術在水環境治理中的應用*

郜銀梁，王 瀾，李紅桔，張 揚，許 洋，林佩斌

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518011)

曝氣過程是氧分子穿過氣膜及液膜從空氣轉移到水中的過程，在這一過程中能加速水體復氧，快速提高水體溶解氧的含量，為好氧微生物提供充足的氧氣，增強好氧微生物活力，改善水環境，恢復水體生態系統[1]。曝氣技術作為一種水體增氧技術在生活污水、工業廢水處理和河道水體生態修復過程中有著非常重要的作用。曝氣技術根據產生氣泡的大小可分為傳統曝氣(氣泡直徑在0.5～5 mm之間)、微納米曝氣(氣泡直徑在數十納米到幾個微米)等。傳統曝氣技術產生的氣泡直徑較大，使得氣泡在水中停留時間短，氧傳質效率較低。微納米曝氣技術通過縮小氣泡尺寸克服了傳統曝氣技術的缺點，因而受到廣泛關注。

1 微納米曝氣技術介紹

1.1 微納米曝氣技術定義

微納米曝氣是一種新型的人工水體曝氣技術，它利用微納米氣泡增加水體中氧的含量，進而增強水體中好氧微生物的活性，提高對有機物的降解能力[1-2]。微納米氣泡通常是指介于微米氣泡和納米氣泡之間的混合氣泡，其直徑通常在數十納米到幾個微米之間[3]。微納米氣泡由氣泡發生裝置、微納米曝氣頭和連接管件共同作用產生[4]。

1.2 微納米曝氣技術的優點

傳統曝氣技術產生的氣泡直徑通常在0.5～5 mm之間，在水中產生的氣泡不均勻，氧傳質效率低，在浮力的作用下會很快上升到水面并破裂消失，在水中的停留時間很短[5]。而微納米曝氣產生的氣泡尺寸小，氣泡內氣體的壓力會隨著氣泡尺寸的減小而增加。微納米曝氣技術的優點如下：

1.2.1 停留時間長

圖1 普通氣泡與微納米氣泡上升過程對比圖

有研究表明，當氣泡的直徑大于25 μm時，氣泡在水中會很快上升并逸出水面；當氣泡直徑小于等于25 μm時，氣泡則會長時間停留、懸浮于水中，具有良好的氣浮性，如圖1所示。氣泡直徑小在一定程度上克服了氧氣難溶于水的缺點，有利于長時間保持水體中溶解氧含量在較高水平[6-7]。

1.2.2 氧傳質效率高

微納米氣泡直徑小，但比表面積大，增加了空氣與水的接觸面積，并且氣泡在上升過程中會逐漸收縮，氣泡內氣體的壓力會隨著氣泡尺寸的減小而增加，能大幅度提高傳質推動力[8]。同時氣泡不受空氣在水中溶解度的影響，受溫度、壓力等外部條件的限制也很小[4]，能夠增強氧的傳質效率。

1.2.3 吸附效率高

微納米氣泡表面帶有負電荷，并且高于普通氣泡，通常微納米氣泡的表面電荷為-50～-30 mV，使得氣泡間很難融合[4]。利用微納米氣泡的帶負電性，可以吸附水中帶正電的物質，去除水體中的有機懸浮固體或污染物。

表1 微納米曝氣技術與傳統曝氣技術比較[9]

2 微納米曝氣技術在水環境中的應用現狀

微納米曝氣技術通過與其它污水處理工藝相結合，可以顯著提高工藝的處理效果。對生活污水、紡織印染廢水、城市景觀水體等水體具有很好的去除效果。

2.1 對生活污水的處理效果

微納米曝氣技術與污水處理工藝聯用，可處理生活污水，通常用在污水處理廠二級生物處理及深度處理中。

Fan等[10]提出了利用微納米氣泡與光化學(UV/TiO2)技術相結合的方法深度處理二沉池污水。在這一復合體系中，微納米氣泡富集氧進而增強光催化作用，同時，光催化作用形成的電子促進自由基的生成。在微納米氣泡和UV/TiO2的作用下產生·OH，·OH具有極強的氧化性，可以氧化并去除殘留在廢水中的溶解性有機物質，并且處理后的污水可作為再生水使用。

王雷[8]在序批式生物膜反應器(SBBR)中采用微納米曝氣，研究其對生活污水的處理效果，在水力停留時間(HRT)為12 h，COD負荷為500 mg/L時，SBBR對SUVA254、E253/E203、SUVA280、A226～400的去除率分別為46.03%、31.17%、40.64%和16.83%。采用微納米曝氣可以提高污水的可生化性能。

2.2 對河湖黑臭水及城市景觀水體的處理效果

在黑臭水體的治理方法中，生物方法由于避免了二次污染，并具有可持續性的優點而成為目前最為科學的方法[9]。在生物方法治理黑臭水體時，主要的影響因素就是河道的水環境，曝氣是營造良好水環境的最重要手段。

張保君[7]采用微納米曝氣技術聯合浮床對太湖支浜進行處理，研究表明微納米曝氣植物浮床對水質的處理效果優于普通曝氣浮床和鼓風曝氣浮床，對COD、NH3-N、TN、TP的去除效果比鼓風曝氣組分別提高了11.72%、11.11%、7.71%和7.67%。齊鈺鵬[1]采用微納米曝氣技術強化碳纖維浮床治理城市河道水體，并與普通曝氣技術進行對比，發現在相同運行條件下，微納米曝氣聯合碳纖維浮床對COD、NH3-N、TP的去除率分別比普通曝氣聯合碳纖維浮床高10%、8%和5%左右，說明微納米曝氣技術可以提高污染物的去除效果。洪濤等[11]進行了微納米曝氣對黑臭河水處理效果的研究，結果表明，在曝氣強度相同的條件下，微納米曝氣技術可以使水體保持更高的溶解氧濃度，在微納米曝氣時間短于普通曝氣時間的情況下，水體中溶解氧濃度高出3.33 mg/L，對黑臭河道水體中COD和氨氮的去除率要高出12%和10%。易境等[12]研究了本土微生物活化處理系統與微納米曝氣技術聯合處理黑臭水體，實現了水體原位修復，顯著降低了水體中COD、氨氮、總氮和總磷的含量，使原本黑臭的水體經治理后達到地表水Ⅲ類標準。段相鋒等[13]采用功率為1.1 kW的新型微納米曝氣增氧機治理黑臭水體，實驗分為A、B、C三組，每天曝氣時間分別為3 h、2 h和1 h，曝氣10 d，結果發現：曝氣6 d后，A、B組COD、DO濃度達到最大值，水質可達地表水II類標準，繼續曝氣，只有C組濃度有變化，A、B組保持穩定。由此得出結論，在特定功率下(1.1 kW)大約需12～18 h可使黑臭水體變為清潔水體。

湖泊等景觀水體多為靜止不流動狀態，當水體中氮、磷含量過高時會使得水體嚴重富營養化，在適宜的光照和溫度條件下，水體中藍藻會大量爆發，影響水體的觀感。曝氣技術可以增強水體流動性并提高水體中溶解氧含量，提高水生動物的生存環境，抑制藻類生長，是景觀水體治理的手段之一。

陸暉等[14]的研究表明，微納米曝氣對水體中COD去除率為67.59%，氨氮去除率為70.20%，總氮去除率為66.75%，總磷去除率為17.30%。曝氣對水體中氮的去除效果較好，對總磷的去除效果不明顯。通過對葉綠素a的測量結果顯示，適度曝氣可以抑制水體中藻類的生長。

2.3 對紡織、印染廢水及養殖廢水的處理效果

氣浮法預處理印染廢水，可以有效減少廢水處理中投入的混凝劑量，而氣泡大小是影響氣浮效果的關鍵因素之一。微納米曝氣產生的氣泡直徑很小，可以顯著改善氣浮效果。

Liu等[15]的研究表明，微納米氣泡浮選可以顯著降低混凝劑的投加量和預處理時間，并且相較于傳統氣泡浮選，COD、色度和油的去除率分別提高了30%、11%和40%。Chu等[16]實驗結果表明，采用微納米氣泡技術對紡織廢水進行臭氧氧化時，臭氧幾乎被完全利用，去除80%顏色所用時間比常規氣泡法所用時間減少140 min，COD的去除率可提高20%，因此利用微納米氣泡可以提高臭氧傳質效率，增強臭氧對紡織廢水的氧化能力。Zhang等[17]采用微納米氣泡、臭氧和活性炭聯合處理含陽離子紅3R的紡織染料廢水。在這一聯合作用下，臭氧利用率高達98.3%，產生的·OH對總有機碳的去除率達75%，還可去除其他難降解有機物。劉樹鑫[18]采用微納米氣浮技術對模擬水性油墨廢水處理進行研究，考察微納米氣泡對污染物的處理效果。實驗結果表明，微納米氣泡對油墨、COD和NH3-N的去除率分別為12.5%、53.3%和12.7%，在同等實驗條件下比普通氣泡技術對這三種物質的去除效果分別高出5倍、5倍和3倍。Chu等[19]的研究表明，利用微納米氣泡臭氧氧化能夠大量增加染料廢水中溶解性COD(SCOD)和微固體COD的含量。當臭氧劑量為0.06～0.16 g O3/(g TSS)時，SCOD含量增加15%～31%，微固體COD含量增加25%～34%，這說明污泥從不溶向溶解方向轉化。同時還表明，微納米氣泡系統的污泥增容率較普通氣泡系統高出10%以上。

周維奇等[20]利用微納米曝氣技術與臭氧氧化技術聯合處理含抗生素的模擬養殖塘廢水的處理。與普通曝氣盤相比，微納米氣泡機能提高10.5 g/h臭氧產量，并且臭氧的氣體逸失率降低了69.2%。在相同的進氣時間條件下，微納米曝氣對COD的去除率要高于普通曝氣，利用臭氧微納米氣泡技術能夠使水體中抗生素的去除率達60%以上。

2.4 對其它水體的處理效果

微納米曝氣技術與具有較強消毒能力的臭氧聯合使用，能夠消除給水中的大腸桿菌，并且可以顯著降低臭氧的消耗量。微納米氣泡崩塌也會產生具有強氧化性的·OH，可以有效提高殺菌能力。邱金偉[21]的研究表明，在pH為9～10時，納米氣泡對地下水中二價錳離子的去除率可達97%左右，對二價鐵的去除率可達98%。

3 結論與展望

微納米氣泡具有比表面積大、在水中停留時間長、氧傳質效率高和吸附能力強等眾多優點，在水環境治理方面受到越來越多的關注。微納米氣泡曝氣技術在水環境方面的應用主要是作為一種輔助手段與其他技術聯合使用，強化其它技術的處理效果，以達到最佳的水質凈化效果。開發更加高效穩定的微納米曝氣裝置，聯合生物處理技術處理污水，降低成本，提升水處理效率可作為今后研究工作的一個重點。