崔野

（中铁二十局集团房地产开发有限公司，重庆 401336）

1 微纳米曝气技术介绍

1.1 微纳米曝气产生背景

近年来，随着社会迅速发展和人们生活水平大幅提高，大量城市生活污水和工业废水被排放，导致中国大部分城市河道断面受到不同程度的污染[1]。曝气技术作为一种原位水体修复技术，利用其可对失去自净能力的黑臭水体进行曝气充氧，恢复生态系统和水体的自净功能[2]，是水体修复的常用技术手段。近年来，微纳曝气技术已成为社会热点话题之一。作为新一代曝气技术，与传统普通曝气技术相比，利用其不仅能产生停留时间更长[3-4]、拥有羟基自由基[5]的微纳米气泡，而且在增强传质[6]等方面，均优于传统普通曝气技术。微纳米曝气技术与传统曝气技术比较如表1 所示。

表1 微纳米曝气技术与传统曝气技术比较

1.2 微纳米曝气技术定义

微曝气技术作为一种新兴的水体曝气技术，原理是利用其产生的气泡可以增加污染水体中溶解氧的含量，从而刺激污染水体中微生物的生物活性，进而提高污染水体中有机污染物去除效果[7-8]。微纳米气泡的直径通常在几纳米到几微米之间[9]，由发生装置、连接管和气头[10]产生。

1.3 微纳米曝气研究现状

为了全面掌握微纳米曝气技术的研究进展，本文对中文和英文文献进行检索分析，其中英文文献选自Web of Science（WOS）核心合集数据库，中文文献选自中国知网（CNKⅠ）数据库，检索范围限制为核心期刊。剔除无关论文，最终筛选出170 篇英文文献和62篇中文文献，并通过文献管理中心进行导出。

2012—2021 年期间，微纳米曝气技术研究的中文、英文论文的年度发文量如图1 所示（其中2021 年文献量较少的原因是检索时间到2021 年6 月截止）。根据文献的年发文量可知，微纳米曝气技术的相关研究文献量每年总体呈递增趋势，表明生物滞留技术逐渐受到研究者的关注。目前，该项技术在国外应用比较广泛，国内的研究还比较少，值得引起人们的重视。

图1 2012—2021 年关于微纳米曝气技术研究的CNKⅠ和WOS 文献年度发文量

2 微纳米气泡物理性质研究

2.1 比表面积大

研究发现，微纳米气泡的比表面积通常与其气泡直径呈负相关[11]，比表面积a与粒径d的关系为a=6/d，根据公式推理可得，在一定体积下，直径为10 μm 的气泡的比表面积理论上是直径为1 mm 的气泡的100 倍。它的接触面积增加了100 倍，所以相应的反应速率也增加了100 倍，从而加速了污染物的降解速率。

2.2 水力停留时间长

气泡上升速度（即在水中停留时间）是影响气泡在水污染治理过程中效能的一个关键参数[12]，而气泡上升速度与其粒径的平方成正比[13]。该结论适用于直径小于2 mm 的气泡，对于粒径超出2 mm 的气泡，其上升速度并不会受其直径的影响。对于宏观气泡而言，其粒径大小范围通常在几毫米到几厘米之间，浮力相对较大，气泡上升到液面会出现破裂现象，导致水力停留时间极短。而微纳米气泡的直径为在几纳米到几微米之间，由于其体积小，在水中受到的浮力小，从而表现出上升缓慢的特性[14]。

2.3 产生羟基自由基

许多研究发现[14]微纳米气泡在水中上升时体积会逐渐减小，此过程会导致气泡表面电荷密度快速增大，当气泡收缩破裂时，气泡表面高质量浓度正负离子积累的能量瞬间释放，导致出现局部高温高压的极端情况，促使水分解生成羟基自由基（·OH）。TAKAHASHⅠ等[4]研究发现，超声空化产生的微米气泡破裂时可以释放羟基，而且通过水动力学方式产生直径小于50 μm的气泡，在破裂时也会产生羟基。羟基（·OH）的氧化还原电位为2.8 V，比臭氧和过氧化氢都高，可加速臭氧微米气泡的氧化还原作用，在有机污染物去除领域中有巨大的应用潜力[15]。

2.4 界面ζ电位高

微泡的重要特征之一是表面电荷，通常以ζ电位为特征。TAKAHASHⅠ[16]系统地研究了微米气泡的界面电荷，发现气液界面的氢键结构与水的不同，导致界面电荷存在。微纳米气泡的电位主要受酸碱度、盐离子和表面活性剂的类型和质量浓度的影响。微纳米气泡水溶液的pH 值在2～12 范围内，所有微纳米气泡都带负电荷[17]，且ζ电位绝对值随pH 值的增加近似线性增加[18]。相关研究[19]认为，高价离子增加气泡的ζ电位与吸引力有关，因此三价金属离子比一价和二价金属离子更容易产生ζ电位为正的气泡。FENG 等[20]发现，添加表面活性剂产生的微气泡的稳定性与表面活性剂、pH、盐度等因素有关。表面活性剂质量浓度越高，pH 值和盐度越低，微气泡的稳定性越好。

2.5 氧传质系数高

刘春等[21]研究发现，在氧传质系数上，微纳米气泡曝气技术明显高于传统曝气，同时其提高效果与界面活性剂、空气流量、盐度等众多因素有关。表面活性剂可以改善微纳米气泡的气含率和气泡在水中的停留时间，从而加强总体积传质系数。TERASAKA 等[22]研究了关于不同微纳米气泡产生方式对于溶氧传质系数的影响，研究结果发现，在气液二相流体混合/剪断方式下产生的微纳米气泡，其溶氧传质系数最高。

3 微纳米曝气技术的强化措施及应用现状

3.1 MAT-O3/BAC 联合技术

臭氧/生物活性炭（O3/BAC）工艺是目前水处理中常用技术之一[19]，该工艺结合了臭氧和活性炭的优点，通过吸附和氧化实现对有机物的快速去除[23]。但是，O3/BAC 也存在一些隐患。例如，臭氧工艺中会产生小分子生物有机碳，这些有机碳可能成为消毒副产物的前体，从而对流出物的产生了不可靠的化学安全性。微纳米气泡具有直径小、比表面积大、停留时间长等特点，从而提高臭氧在水中的传递效率，增强其氧化能力[24-25]。史丽芳等[26]将微泡曝气技术与臭氧/生物活性炭技术相结合，旨在利用O3/BAC 优化工艺为水处理提供新的思路。其研究数据表明，在臭氧工艺处理阶段通入微纳米气泡，对UV254 的去除率较通入普通气泡可提高约31%。

3.2 MAT-IMA 联合技术

黑臭水体治理常用的方法包括物理法、化学法、微生物修复法等[27]。仅仅使用一种单一的处理手段难以治理黑臭水体。针对实际水体状况，将各种方法有机结合，才可有效修复黑臭水体。陈丽娜等[28]采用微纳米曝气（MAT）+ 微生物活化（ⅠMA）技术，同时辅以侧线生物处理系统治理黑臭水体。微纳米曝气采用的方法是超高压气水混合，该方法在超饱和状态下会产生大量气泡，这些气泡对于去除机物污染和黑臭具有重要作用[29]。该工艺的核心在于通过微纳米曝气技术，大幅增加污染水体中溶解氧的含量，加快了本土好氧微生物菌群的繁殖速度，从而达到微生物快速增长与水中有机污染物的快速降解的目的[30-31]。

3.3 MAT-生态浮岛联合技术

近年来，国内外对生态浮岛技术的研究主要倾向于植物的比较选择、浮岛内外部结构设计，以及如何增加水中溶解氧含量等方面，曝气-生态浮岛联合技术等相关研究也成为热点。但传统的曝气方式会使水体中的气泡体积庞大，上浮并迅速扩散到空气中，从而导致气泡在水体中停留时间较短，进而降低污染水体中溶解氧的含量。同时，气泡上浮过快会猛烈搅动水体，不易使水生植物根系和生物填料形成生物膜，导致其去除有机污染物的效果不好[32-33]。针对这一系列问题，潘俊等[34]构建了一种新型微纳曝气-生态浮岛技术。研究表明，通过微纳橡胶曝气管产生的微纳米气泡可明显提高去除氮磷的效果。

4 结语与展望

近年来，微纳米曝气技术因其产生的微纳米气泡具有众多优点，例如水中停留时间长、比表面积大、氧传质效率高等，因而在水环境治理方面的应用受到人们的广泛关注，但目前尚有许多问题有待研究解决。

微纳米气泡产生装置在结构构造、运行能耗、稳定性方面还有待加强。如装置加工较困难，曝气头易堵塞，部分装置对气液混合流体速度要求高等问题。探究新型微纳米曝气增氧装置已逐渐成为微纳米曝气技术的热点。微纳米曝气-臭氧/生物活性炭、微纳米曝气-微生物活化、微纳米曝气-生态浮岛联合等技术目前在中国少有研究应用，应根据国外研究成果并结合国内条件，因地制宜选择合适的技术路线并探明对于污染水体的去除机理，进而为国内水处理提供新方向。