微纳米气泡在环境污染控制领域的应用

刘秋菊 熊若晗 宋艳芳 王珊珊 王婉婷

(东北师范大学环境学院，吉林 长春 130000)

微纳米气泡在环境污染控制领域的应用

刘秋菊 熊若晗 宋艳芳 王珊珊 王婉婷

(东北师范大学环境学院，吉林 长春 130000)

本文介绍了微纳米气泡存在时间长、传质效率高、界面ζ电位高以及可产生羟基自由基等方面的特性，分别从地表水水体净化、地下水水土环境修复及污(废)水处理等3个方面综述了微纳米气泡技术在环境污染控制领域的应用进展，并提出：微纳米气泡曝气技术尚未形成一套完整的工艺参数体系，且在地下水修复方面的应用研究进展缓慢；进一步研究方向，一是建立水质特征-微纳米曝气参数-气泡特性之间的协变响应机制，二是将微纳米气泡技术与其它强氧化措施相结合并优化其协同条件，三是在微纳米气泡发生器的开发方面强化羟基自由基的产生量。

微纳米气泡；环境污染控制；应用；净化；修复；特性

微纳米气泡通常是指直径为200nm～50μm的微小气泡[1]，具有体积小、比表面积大、ζ电位高等特点。最早在20世纪90年代由日本科学家研制出发生设备，并应用于水产养殖方面。近年来，微纳米气泡因其与普通气泡不同的突出特性而备受关注，并逐渐被应用在环境污染控制领域，表现出了优良的技术优势与良好的应用前景。目前，微纳米气泡技术相关的研究正逐渐成为环境污染控制领域中的新热点。

1 微纳米气泡的特性

微纳米气泡因体积极其微小，具有不同于普通气泡的突出特点，如在存在时间长、传质效率高、界面ζ电位高及可产生羟基自由基等特性。

1.1 存在时间长

普通气泡由于体积较大，在水中产生后会迅速上升，在水中的停留时间极短；而微纳米气泡由于体积小，在水中受到的浮力小，从而表现出上升缓慢的特性。如直径为1mm的气泡在水中的上升速度为6m/min，而如直径为10μm的气泡在水中的上升速度仅为3mm/min，后者的上升速度是前者的1/2000。另有研究表明，微纳米气泡在水中的悬浮时间可达252s[2]。

1.2 传质效率高

微纳米气泡体积小，具有极大的比表面积，气液界面处的表面张力大。微纳米气泡内部气体由于受到强表面张力的作用而被压缩，气泡体积缩小，气泡内压力增大，表现为自增压效应。不断增大的内压使得气泡内气体穿过气液界面溶解到水中。且随着气泡直径的减小，表面张力的作用效果越来越明显，最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破裂消失[3]。微纳米气泡在收缩过程中的自增压特性，使得气液界面处传质效率增强，并且当水体中的气体含量达到饱和时，微纳米气泡仍可进行气液传质，从而达到较高的传质效率[4]。

1.3 界面ζ电位高

微纳米气泡表面吸附带负电的离子，形成表面电荷离子层；由于负离子的电性吸引，在表面电荷离子周围又吸附带正电的反电荷离子层，从而形成双电层结构。微纳米气泡表面电荷产生的电势差常用ζ电位表示，它是气泡表面吸附性能的决定性因素。ζ电位越高，则气泡对水中带电粒子的吸附性能越好。Ushikubo等[5]研究发现，以空气和氧气为载体的微纳米气泡，其ζ电位分别为-20～-17mV、-45～-34mV。

1.4 产生羟基自由基

微纳米气泡在水中体积逐渐缩小，双电层表面的电荷密度迅速升高，直到气泡破裂时，高浓度正负离子积蓄的能量瞬间释放，产生局部高温、高压的极端条件，促使H2O分解产生具有极强氧化作用的羟基自由基[6]。Masayoshi Takahashi等[7]通过电子自旋共振光谱证明，以臭氧为载气的微纳米气泡在强酸性溶液中溃灭时产生大量羟基自由基，可降解聚乙烯醇，但臭氧自身却不能分解氧化聚乙烯醇。因此，可将臭氧与微纳米气泡技术相结合，用以针对性处理难降解有机物。

2 微纳米气泡在环境污染控制领域的应用

微纳米气泡优于传统气泡的突出特性，使其在环境污染控制领域显现出一定的技术优势和良好的应用前景。

2.1 地表水水体净化

2015年，我国地表水Ⅳ类及以下水体占35.5%[8]，部分河段及湖泊污染严重，其重要诱因为水体纳污量超过其环境容量。微生物在分解污染物的过程中消耗水体中的溶解氧，导致水体含氧量下降，水质严重恶化。对水体进行曝气复氧，可有效改善水质，且不产生二次污染。以微纳米气泡代替传统气泡进行曝气，可增强氧传质作用，提高溶解氧浓度，强化氧化作用。

在广州市白云湖水利工程中，于不同水域布置9套微纳米气泡发生装置进行曝气，单套曝气装置的溶解氧平均增幅为6.684%，表明微纳米曝气装置对溶解氧指标的改善具有一定的作用[9]。徐彬等[10]采用微纳米气泡气液分散系统对太湖入湖河道水体进行原位净化处理，结果表明，CODMn、氨氮、总磷的平均去除率分别为36.8%、42.4%和49.1%，入湖水质达到国家地表水Ⅱ-Ⅲ类标准。上海某公司曾利用微纳米气泡发生器在宁波某河道进行水质改善实验[11]。治理60d后实验河段水质明显改善，水体透明度由治理前的0.05m上升到0.5m，河道淤泥厚度由50cm下降到30cm，表层淤泥中的有机污染物也有不同程度的降解。实验结果表明，微纳米气泡技术对微污染水体具有良好的修复作用。洪涛等[12]采用国产微米气泡发生装置处理黑臭河水，结果表明，对CODCr、NH3-N、土臭素和2-甲基异莰醇的最大去除率分别比普通曝气高12%、10%、16%和12%。从各种指标分析来看，用微米气泡曝气处理黑臭水体具有很好的效果。

微纳米气泡因其存在时间长、传质效率高等特性，目前已逐渐代替传统气泡而被应用于改善和提高地表水环境质量，对于微污染、重污染地表水水体均有良好的修复作用，表现出良好的技术优势。

2.2 土壤及地下水水体修复

近几十年来，我国地下水污染问题日益严重。在各种污染物中，石油类组分因其高毒害性而备受关注，尤其是浅层地下水土环境系统中的石油类污染在全世界范围内具有普遍性与严重性[13]。去除土壤和地下水中可挥发有机污染物最有效的方法是地下水原位曝气修复技术。

早在上世纪90年代，Jenkins等[14]即利用微米气泡技术对被二甲苯污染的土壤进行了原位曝气修复试验，将氧气微气泡与可降解二甲苯的Pseudomonas putida菌株混合后注入土柱间隙中，处理后土壤中残留的二甲苯浓度低至仪器检测限以下，且在该过程中微气泡在修复区域的保持时间长达45min，微生物菌株对氧气的利用率达71%～82%。目前，微纳米气泡技术也开始逐步应用到土壤修复中。Choi等[15]利用微纳米气泡洗涤系统处理被石油污染的垃圾场表层土壤，调节过氧化氢浓度为15%，连续处理2 h后，总石油烃去除率达25.9%。

Xia等[16]将臭氧氧化与微纳米气泡技术相结合，应用于地下水有机污染严重的南京某工厂，在4m×4m内进行原位修复实验，研究表明臭氧MNBs在有机污染场地的原位修复中具有潜在的应用前景。Li等[17]提出，将微纳米气泡应用于地下水修复技术，可大大提高生物修复效果。另外，在应用微纳米气泡技术增强生物修复时，应考虑地下水盐度。当盐度为0.7g/L时，氧传质效率最高[18]。

在对污染场地进行曝气的过程中，空气以微纳米级气泡注入地下含水层。由于微纳米气泡具有更小的体积与更强的吸附能力，能吹脱并吸附存在于地下水位以下和毛细管边缘的残留态、吸附态有机污染物；另外，微纳米气泡氧传质能力强，在一定程度上可促进溶解态和吸附态有机污染物发生好氧生物降解。因此，将微纳米气泡技术应用于地下水原位曝气，可更加高效地去除挥发性有机污染物和可被好氧生物降解的有机污染物，显现出较强的技术优势与应用潜力。

2.3 污废水处理

微纳米气泡在破裂的瞬间释放出具有极强氧化作用的羟基自由基，可氧化分解有机污染物。目前，在工业污(废)水处理方面，将微纳米气泡技术与传统污水处理工艺相结合，达到了更有效的处理效果[19]。

张敏等[20]采用自行设计的混凝-微纳米气浮装置对炼化企业污水处理厂的二沉池出水进行深度处理，最佳工艺参数为：混凝剂FeCl330mg/L，工作压力0.2MPa，回流比20%，水力停留时间6min。在此实验条件下，COD去除率为39.13%，SS去除率为51.85%，气浮出水COD<60mg/L，达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级B标准。吕宙[21]在探索将微纳米气泡搭载臭氧曝气处理污水的试验中发现，在一定时间内，微纳米臭氧曝气对水体中各污染物的降解效率要优于微纳米空气曝气；Chang等[22]将臭氧氧化与微纳米气泡技术相结合处理纺织废水，研究结果表明，处理后水质达到回收标准，可回收纺织废水作为工业用水。唐向阳等[23]将微纳米曝气与气浮工艺相结合处理造纸法烟草薄片废水，以壳聚糖为絮凝剂，经微纳米气浮后的稀白水、浓白水的COD、SS、氨氮浓度均达到生产回用标准。

将臭氧等强氧化方法协同微纳米气泡作用可促使微纳米气泡释放出更多的羟基自由基，对有机污染物进行强化分解，可有效降低废水的COD；另外，由于微纳米气泡体积小、比表面积大，具有极强的吸附能力，将微纳米气泡技术与气浮工艺相结合，可高效去除水中的悬浮物。且操作简单、不产生二次污染，在污(废)水处理方面表现出良好的应用前景。

3 结 语

综上所述，微纳米气泡因体积极其微小，具有不同于普通气泡的突出特性。尤其是传质效率高、吸附能力强、可产生羟基自由基这三方面的特性，使微纳米气泡技术在环境污染控制领域逐渐得到应用。微纳米气泡技术的应用现状、应用前景及需进一步研究解决的问题如下：

(1)在环境污染控制领域中，微纳米气泡技术在地表水水体净化方面应用最广。对河流和湖泊的COD、氨氮、总磷等指标均有较高的去除率，对DO、透明度等指标有明显改善。但以微纳米气泡代替传统气泡进行曝气，尚未形成完整的工艺参数体系。为了更好地发挥微纳米曝气的技术优势，需要建立水质特征-微纳米曝气参数-气泡特性之间的协变响应机制。

(2)微纳米气泡技术在地下水水土环境修复方面的应用研究进展缓慢，尚处于探索起步阶段。根据有相关研究成果，将微纳米气泡技术与地下水原位曝气修复技术结合，有望对被石油类污染物、重金属污染的土壤进行高效的修复。

(3)将微纳米气泡应用到气浮工艺中，可有效去除工业污(废)水中的SS、COD、氨氮，但此过程一般需要臭氧辅助强化氧化效果，微纳米气泡技术与其他强氧化措施的优化协同问题需进一步研究。比如，控制臭氧量以强化微纳米气泡溃灭时的羟基自由基产量，从而强化微纳米气泡对难降解有机物的氧化分解能力。

(4)强化羟基自由基产量，除了辅加臭氧等强氧化措施，还可以从微纳米气泡发生装置本身入手。目前，微纳米气泡发生器的开发也是一个研究热点，如何开发出高羟基自由基产量且低能耗、低成本的微纳米气泡发生装置是现阶段研究的难点。

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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

刘秋菊，在读本科生，环境工程专业

王婉婷，硕士研究生，环境工程专业

X21

A

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

引用文献格式：刘秋菊 等.微纳米气泡在环境污染控制领域的应用[J].环境与可持续发展，2017，42(3)：100-102.