微气泡及其在有机物污水处理应用的研究进展

唐瑞雪，蒋文君

（四川大学水利水电学院，四川成都 610065）

0 引言

水污染问题在世界范围内引起极大重视。在我国，近几十年来随着人口的增长、经济的快速发展及城市化进程的加快，地表水、地下水污染问题变得尤为突出。河流、湖泊、水库等地表水水质污染状况不容忽视。根据2012年中国环境状况公报显示，长江、黄河等全国地表水国控断面总体为轻度污染，在地表水资源不足的情况下，地下水的污染问题更加令人堪忧。污染水环境恢复是实现我国国民经济和社会可持续发展的重要途径之一，对水的修复工作势在必行。

微气泡技术是一项新兴技术，微气泡一般指几微米到几十微米大小的微小气泡,微气泡粒径小，上升速度慢，存在时间长，传质效果好，大幅提高了增氧效率，有效地改善了水体供氧，达到了修复水体的目的。文中对微气泡的特性、产生原理、发生装置以及微气泡在有机污染水体的应用进行了综述。

1 微气泡

1.1 微气泡的特性

微气泡具有一些不同于普通气泡的行为特性，应用较为广泛的特性有四个方面，分别为存在时间长、传质效率高、存在ζ电位、产生自由基，这些特殊行为特性使得其在环境污染治理与水环境污染修复中表了传质效率高、处理效果好、运行成本低的优点[1]。

1.2 微气泡的产生装置

微气泡发生装置不断得以改进与发展，其有较为典型的研究。Sadatomi等[3]研制了一种流水管中具有球形体的微气泡发生装置，湍流从微气泡发生器进水口进入，冲击到球形体上，大气泡被分解产生微气泡。Sadatomi等[4]对此微气泡发生器进行改进，将球形体改进成了小孔，研究发现改进成小孔后，其具备良好的微气泡发生性能。应用较多的微气泡发生器主要为旋流微气泡发生器、文丘里微气泡发生器、喷射器型微气泡发生器、加压溶解型微气泡发生器[5]，微气泡发生装置所产生的微气泡加快氧气在水体中的传输速率，体现出了微气泡的强化传质特性。

国内外学者对微气泡发生装置的研究仍在继续，但还普遍存在微气泡发生装置能耗高、结构较为复杂等问题，同时，微气泡生产技术与其他技术的联合应用还需进一步研究。

1.3 微气泡的观测

陈福泰等[6]对气浮工艺中的微气泡进行数码显微动态测量，能准确且方便地测量出气泡径粒，为后续微气泡的测量提供了有效参考。

微气泡直接进行光学观测是研究微气泡物理性质的重要手段，但微气泡由于粒径小、反光效果差，对观测技术要求高，需要复杂的仪器设备。李恒震等[7]设计了一套微纳米气泡的光学观测系统，观测微气泡在水体中及多孔介质中的径粒分布、运动速度和吸附特性等，为微气泡在实际应用中的测控提供有效参考。据观测结果，50 μm以下的微纳米气泡在水体中以胶体形式运移，运动速度与水流速度相同。微纳米气泡在饱和多孔介质中的运动特性，是通过理论模型观测出的，理论研究发现微气泡在多孔介质中也以胶体形式运移，受到对流作用、机械弥散作用、吸附作用的影响[8]。这一研究结果向实际工程应用提供改进方向的参考，在设计中一定程度上避免影响，使得微气泡能发挥其最佳性能。

梁坤峰等[9]观测超声作用下水中微气泡的运动特性，当气泡的初始位置处于超声场的不同位置处时，气泡运动的方向相异，气泡具有上下两个方向的位移变化。可将超声对微气泡运动的这一影响应用到实际工程中，实现气泡的定向移动，后期研究中可利用这一定向性实现微气泡的再利用等潜在价值。

2 有机物污染的修复

2.1 地下水的修复

2.1.1 地下水处理方法

根据修复地点的不同，地下水的修复可以分为异位修复和原位修复两大类。异位修复又叫做抽出处理修复技术(P&T技术)，虽在短期内处理效率高，但长期来看，许多溶解度极低的有机污染物很难通过水的抽出而出来，并且此法经济代价巨大；原位修复法又分为物理和化学两大类方法，物理方法中地下水曝气（以下简称AS技术）是一种去除地下水中可挥发性有机物的新型最佳方式。但是现有的AS法产生的气泡直径都是毫米级，产生后迅速上浮，在水中停留时间短，影响范围小；气泡比表面积小，水气交换效率低；气泡内压强小，溶解慢，供氧效果较差，好氧微生物降解能力没有得到充分发挥[8]。由前已知，微气泡在水中存在时间长，传质效率高，影响范围大，因此，将微气泡结合在AS技术中，可弥补AS法中存在的不足。

2.1.2 微气泡在地下水曝气中的应用

地下水曝气法的原理：将洁净的空气以一定压力注入受污染的地下水饱和区。在注入后，气体与地下水中的污染物接触，气体上升时，挥发性污染物随同气体一同溢出地表，接着用SVE系统回收处理，从而去除地下水污染物。同时，由于曝气，氧气浓度的增加促进了好氧微生物的生物降解作用，加快了污染物的去除[8]。

李恒震等将微气泡结合在地下水曝气的数值模拟实验中，与传统曝气相比，一段时间（约两周）后气泡的破裂导致氧气的持续扩散，提高了曝气的影响范围；由于土壤属于多孔介质，吸附能力提高的微气泡存在时间更长，并能为好氧微生物供氧，提高其对有机污染物的降解率[8]。但是，由实验数据可知，氧气的浓度增加较慢，甚至需要一年才能达到理想效果，如果能进一步提高氧气的浓度增加速率，将会是一种更优的地下水修复技术。

2.2 河水修复

2.2.1 河水修复方法

河道污水的处理方法也可分为原位和异位。以杭州河道治理为例，由于水量和环境处于不断变化中，河水在不受控的情况下处理效果并不是很好，截污仍然是河道水质改善的先决条件[10]。在有关部门加强对源头监管的同时，对于污水的集中处理效果将更好，比如集中处理有机污染严重的黄河水的引黄水库[12]。当然，不排除极个别可以原位修复的河道情况[11]。

2.2.2 微气泡在河水有机物污染处理的应用

杭州城市河道的治理虽发现原位修复效果不是很显著，但更确定纳米气泡可以实现水体的增氧作用，河道水质改善的关键手段是水体复氧，微纳米气泡技术具有推广使用的价值[10]。

在传统气浮方法的基础上，贾伟建等[12]人改进出利用微气泡的分级共聚气浮方法，对引黄水库中的黄河水进行处理，该工艺对于相对分子质量较大（＞3×103）的有机物的去除率可达85%，之所以利用微气泡能达到如此好的效果，是因为微气泡表面的带电离子有有机物胶体电中和脱稳凝聚，和微气泡的吸附作用；但是随着有机物相对分子质量的减小，去除能力下降。

在传统曝气法和膜生物反应器的基础上，张磊等[13]研究了基于SPG膜的微气泡曝气的生物膜反应器，该法将传统曝气法的氧利用率提高至接近100%，并有较优的COD处理能力。对河流污染来源是生活污水的情况有一定借鉴性。

占明飞等[14]在重污染村镇的河道治理中，利用微纳米气泡复氧系统、微气泡复氧造流器系统结合其它生态方式，为好氧微生物提供了好的栖息环境，消除了村镇河道水体的黑臭现象（有机物是导致水体产生色度和嗅味的主要来源），COD与氨氮等指标均达到地表水Ⅳ～Ⅴ类排放标准，为苏南地区和黑臭河道治理提供一种借鉴模式。

除上述介绍集中处理实例，利用微气泡也可以在个别情况对河水进行原位修复，在太湖入湖河道，采用微纳米气泡气液分散系统进行原位净化处理，COD去除率达到了36.8%，达到了30%～40%的平均水平，且该法的成本较低，每净化一立方米水，大约消耗0.1元，具有较大经济优势[11]。

对于由工业废水排放引起的河流污染治理，可以借鉴张静等[15]的臭氧微气泡法和周清童等[2]的超微气泡法。

3 结语

现研究阶段对微气泡发生装置及微气泡特性的研究普遍比较单一，将微气泡发生技术和其他技术联用的研究还未普及，存在成本高、能耗高等问题，后续的研究可以向这一方向发展。微气泡发生装置应向低能耗、低成本、更简化的方向发展，可列为未来的研究重点。

在水体净化中，将微纳米气泡与传统净水技术联合应用，可有效增强原有技术的处理效果，但与哪种方式联用，采取原位还是异位修复，需要据主要污水类型、有机污染程度、水体类别等实际情况而定。

［1］杨丽，廖传华，朱跃钊，等.微纳米气泡特性及在环境污染控制中的应用［J］.化工进展，2012，31（6）：1333-1337.

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［4］M.Sadatomi,A.Kawahara,H.Matsuura,etal.Micro-bubble generation rate and bubble dissolution rate into water by a simple multi-fluid mixer with orifice and porous tube［J］.Experimental Thermal and Fluid Science,2012（41）：21-30.

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［13］张磊，刘平，马锦，等.基于微气泡曝气的生物膜反应器处理废水研究［J］.环境科学，2013,34（6）：2276-2282.

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