微納米曝氣技術在水環(huán)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(huán)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(zhuǎn)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(huán)境，恢復水體生態(tài)系統(tǒng)[1]。曝氣技術作為一種水體增氧技術在生活污水、工業(yè)廢水處理和河道水體生態(tài)修復過程中有著非常重要的作用。曝氣技術根據(jù)產(chǎn)生氣泡的大小可分為傳統(tǒng)曝氣(氣泡直徑在0.5～5 mm之間)、微納米曝氣(氣泡直徑在數(shù)十納米到幾個微米)等。傳統(tǒng)曝氣技術產(chǎn)生的氣泡直徑較大，使得氣泡在水中停留時間短，氧傳質(zhì)效率較低。微納米曝氣技術通過縮小氣泡尺寸克服了傳統(tǒng)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(shù)十納米到幾個微米之間[3]。微納米氣泡由氣泡發(fā)生裝置、微納米曝氣頭和連接管件共同作用產(chǎn)生[4]。

1.2 微納米曝氣技術的優(yōu)點

傳統(tǒng)曝氣技術產(chǎn)生的氣泡直徑通常在0.5～5 mm之間，在水中產(chǎn)生的氣泡不均勻，氧傳質(zhì)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(chǎn)生的氣泡尺寸小，氣泡內(nèi)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(yōu)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)，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(tǒng)曝氣技術比較[9]

2 微納米曝氣技術在水環(huán)境中的應用現(xiàn)狀

微納米曝氣技術通過與其它污水處理工藝相結(jié)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(lián)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(jié)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(chǎn)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(zhì)，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(xù)性的優(yōu)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(huán)境，曝氣是營造良好水環(huán)境的最重要手段。

張保君[7]采用微納米曝氣技術聯(lián)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(zhì)的處理效果優(yōu)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(fā)現(xiàn)在相同運行條件下，微納米曝氣聯(lián)合碳纖維浮床對COD、NH3-N、TP的去除率分別比普通曝氣聯(lián)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(jié)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(tǒng)與微納米曝氣技術聯(lián)合處理黑臭水體，實現(xiàn)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(jīng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：曝氣6 d后，A、B組COD、DO濃度達到最大值，水質(zhì)可達地表水II類標準，繼續(xù)曝氣，只有C組濃度有變化，A、B組保持穩(wěn)定。由此得出結(jié)論，在特定功率下(1.1 kW)大約需12～18 h可使黑臭水體變?yōu)榍鍧嵥w。

湖泊等景觀水體多為靜止不流動狀態(tài)，當水體中氮、磷含量過高時會使得水體嚴重富營養(yǎng)化，在適宜的光照和溫度條件下，水體中藍藻會大量爆發(fā)，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(huán)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(jié)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(yǎng)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(chǎn)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(tǒng)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(jié)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(guī)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(zhì)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(lián)合處理含陽離子紅3R的紡織染料廢水。在這一聯(lián)合作用下，臭氧利用率高達98.3%，產(chǎn)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(jié)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(zhì)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(zhuǎn)化。同時還表明，微納米氣泡系統(tǒng)的污泥增容率較普通氣泡系統(tǒng)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(lián)合處理含抗生素的模擬養(yǎng)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(chǎn)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(lián)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(chǎn)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(jié)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(zhì)效率高和吸附能力強等眾多優(yōu)點，在水環(huán)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(huán)境方面的應用主要是作為一種輔助手段與其他技術聯(lián)合使用，強化其它技術的處理效果，以達到最佳的水質(zhì)凈化效果。開發(fā)更加高效穩(wěn)定的微納米曝氣裝置，聯(lián)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。