微纳米气泡技术在环保领域的应用研究进展
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摘要 微纳米气泡的独特物理化学性质和生理活性在国内外有广泛的关注，并在纳米气泡形成的机制、气泡测定方法、分布特征等基础研究领域取得了一系列成果。微纳米气泡技术应用于环保领域具有广泛的研究基础和前景，在污水处理领域、河道治理领域、土壤及地下水修复领域、气浮领域、废气治理领域等方面均有涉及。本文综述了微纳米气泡技术在以上各领域方面的研究基础及前景。
关键词 微纳米气泡技术;污水处理;河道治理;环保
中图分类号 X-1 文献标识码 A
文章编号 1007-5739（2020）17-0154-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）
对于微纳米气泡的研究始于19世纪，微纳米气泡的应用情况最早可以追溯至20世纪90年代，日本科学家最先研究出微纳米气泡发生装置，主要应用于水产养殖方面。随着对微纳米气泡研究的深入，发现其在流体动力学、生物科学等多个应用领域中都有着较为深远的影响[1]。虽然学者们对气泡的具体大小范围有不同看法，但大多数同意微气泡直径应该在10～100 μm的范围，1～10 μm为亚微米气泡，10～1 000 nm为纳米气泡[2]，而释放和水力剪切的结构是影响气泡尺寸的关键。在微距镜头下微纳米气泡如图1所示。微纳米气泡的性质主要有在水中停留时间长、自身增压溶解、比表面积大、表面带电、收缩性、氧化性、杀菌性、稳定性、电离现象、超声波性、生理活性、扩散性等。
从2013—2017年首次公开的专利中可找出近期相关技术的研发重点及热点。从2013—2017年首次公开的微纳米气泡发生技术及其应用相关专利的IPC统计（表1）可以看出，研究热点与重点集中在乳化和水处理，包括废水处理、水域曝气、脱气等。微纳米气泡技术在环保领域的应用受到广泛关注，现详细介绍微纳米气泡技术在环保各方面的应用情况。
1 微纳米气泡技术在污水处理领域的应用
曝气是废水好氧生物处理工艺的基本过程，可为污染物的好氧生物降解提供溶解氧。在曝气单元中，溶解氧浓度的高低對有机污染物的去除起着直接作用。微纳米气泡曝气作为新一代的高效节能环保技术，对改善水质的作用主要有以下几个方面[3]：一是消除有机物污染和黑臭;二是减少水体营养盐含量;三是消除藻类水华;四是改善水色及透明度;五是减少底泥内源污染;六是氧化底泥中的污染物质，改善厌氧环境[4]。
很多学者对微纳米气泡与废水处理之间的关系进行了相应研究。在同样的溶解氧浓度下，微纳米气泡几乎完全抑制了水体里厌氧菌的生长，而普通曝气则依然存在大量的厌氧菌，因而微纳米气泡曝气大大提高了好氧菌的活性以及生存条件，对有机物的去除有着非常好的积极作用。合肥工业大学资源与环境工程学院对微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用进行了相应的研究[5]。结果表明，与普通鼓风曝气对比，微纳米气泡曝气对CODCr、SS、氨氮、TP和TN的去除效率可以提高10%～20%，并且节省15%左右的电能。Ashutosh等[6]研究了微米气泡去除尼龙膜表面膜污染的效能，结果发现，微米气泡清洗可以去除大部分固化微生物、胞外多糖和蛋白质，对膜清洗更加有效和生态，不会造成二次污染。
另外，微纳米气泡水对灭菌基本没有效果，微纳米气泡本身没有灭杀细菌的特性，但是气泡在破裂时会产生一些能够灭杀细菌的羟基自由基，表现依据是通过微纳米气泡曝气后水中的菌落有明显变化，但是由于其数量比较少，同时又由于水中可能存在很多易被氧化的物质减少或者消失，因而在通常情况下微纳米气泡水对外不表现出杀菌能力。由此可以看出，微纳米气泡的主要功能是除菌而并不是杀菌，微纳米气泡水通过吸附可以将更多的细菌冲洗带走，如果用来清洗物体表面，则除菌效果比较好，清洗作用较普通水强。
张奎兴等[7]以珠江水系某支涌为研究对象，研究AH型超微米气泡发生水处理装置治理污水的能力。结果表明，微纳米曝气使水体中的溶解氧上升明显，水质得到一定改善，对COD和BOD去除率也达到70%左右，氨氮和总磷也大幅度去除，去除色度也较好。中国环境科学研究院、北京科技大学、河北工程大学、辽宁石油化工大学环境与生物工程学院于2011年对微米气泡曝气技术处理黑臭河水的效果进行了相应的研究[8]，结果表明，微米气泡曝气处理黑臭水体具有很好的效果，对黑臭污水的处理效果由高到低依次为微米气泡曝气>普通曝气>无曝气方式。张天柱等[9]利用微纳米增氧曝气协同生物净化河道治理系统对河道进行增氧曝气，在其案例中溶解氧可提升至2～3 mg/L，透明度可提升至30 cm，COD、SS、TN、TP去除效率可达到25%～30%。徐 彬等[10]采用微纳米气泡对河道进行净化处理，系统运行稳定后情况有明显的提升，主要污染物水质稳定在Ⅱ～Ⅲ类水平，COD、氨氮、总磷平均去除率分为36.8%、42.4%和49.1%，效果显著。
综上所述，在治理河道过程中，一般将微纳米气泡技术与生物净化技术协同在一起。通过微纳米气泡技术增加河道的溶解氧及生物活性，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。单纯微纳米气泡氨氮降解作用不大，有些体系还会增加氨氮浓度，氨氮浓度的下降主要依靠微生物的作用，而在微纳米曝气条件下可以提高污水中溶解性有机物（DOM）的含量，进而提升污水的可生化性能，且在曝气中大大提高了反应池的生物量和生物活性，显著提高污水的处理效率。因此，需要将微纳米气泡增氧手段和传统水处理手段进行联合，才能将废水中的污染物去除效率大大增加。 2 微纳米气泡技术在土壤及地下水修复领域的应用
微纳米气泡强化修复技术的去除机理包括以下几个方面：一是与抽出处理技术联合应用，使用注水井和抽水井系统形成人工地下水流场;二是利用微纳米泡存在时间长、影响范围大、高效传质的特点，应用不同气体实现污染物的去除;三是在抽水及注水过程中，地下水可对吸附于土颗粒表面的污染物冲洗剥离。与地下水曝气法相比，微纳米气泡强化修复技术的特点[11]如表2所示。
Choi等[12]研究表明，用15%过氧化氢处理被石油污染的垃圾场表层土壤2 h后，总石油烃去除率达25.9%。Li等[13]研究表明，微纳米气泡地下水修复技术可大大提高生物修复效果。有研究表明，将微纳米气泡技术与臭氧氧化技术相结合，应用于有机污染严重的地下水，结果表明，其在有机污染场地的原位修复中具有潜在的应用前景。
虽然微纳米气泡地下水修复技术尚处于探索起步阶段，但根据相关研究成果，将地下水原位曝气修复技术与微纳米气泡技术相结合，有望对被石油类污染物、重金属污染的土壤进行高效修复。目前的研究尚处于实验室阶段，在实际污染场地中的应用仍然非常少。
3 微纳米气泡技术在气浮领域的应用分析
微纳米气泡表面带有负电荷，在水体中能产生非常浓密而细腻的气泡，不会出现融合增大而破裂的现象。表面电荷对水体微粒的吸附性可以将水体中有机悬浮物固定并分离，乳液破乳后粉体堆积密度小于水，浮在水上;微纳颗粒比重大，沉底，与微气泡结合的粉体可加速上浮。因此，微纳米气泡具有良好的气浮性能。利用微纳米气泡的这个性能，可将其加入添加了絮凝剂的废水中，使其通过表面张力作用黏附于废水中的颗粒物上，形成整体密度<1的絮凝体，使其上浮至水面，通过对漂浮于水面污物的收集，实现固液分离，使废水水质得以改善[14]。
有学者比较了微米气泡气浮工艺与传统气泡气浮工艺对印染废水的预处理效果;也有学者提出了利用微纳米气泡对含藻污水进行气浮处理，实现清水与蓝藻分离;另外，将臭氧及微纳米气浮相结合，利用气浮及臭氧的强氧化性，对难降解有机物进行分离氧化。以上研究都表明，气浮效果良好[15]，并且部分已经得到工程应用。
目前，市场上已有微纳米气泡气浮相關定型设备，如水体净化增氧一体化遥控气浮船等功能项设备，可通过微纳米气浮原理对各性质的废水进行气浮操作，达到去除水体微小颗粒物的目的，实现固液分离的净化效果，再联合其他水处理手段，彻底将废水净化达标。
4 微纳米气泡在废气治理领域的应用分析
微纳米气泡可应用于环境保护领域中废水、废气等治理[16]。例如，城市中汽车喷漆废气会对周边居民的身心健康造成影响，应设法降低喷漆废气的排放浓度，利用微纳米气泡工艺进行喷漆房废气净化处理可实现上述目的[17]。科研单位曾针对微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用进行试验，试验主要分为两部分：一是针对漆雾的捕捉，二是针对废气的净化，试验结果表明，去除效率不太理想（<60%）。由于目前微纳米在废气治理上的研究及应用较少，从数据上看，微纳米气泡在废气治理领域的应用效果有限，尚存在一些亟待研究及改进之处，需进一步强化净化效果，并且与其他技术进行结合，如与其他净化技术联用对废气进行大面积治理，提高废气去除效率。
5 结语
综上所述，微纳米气泡在环保的很多方面均有研究和应用，但研究主要集中在污水处理及河道治理方面，在废气处理、地下水修复方面研究比较少，成熟的应用更少之又少。因此，在之后的微纳米研究进展可能在水处理方面更精益求精，并且减少成本，扩大推广。在废气及地下水修复方面则应深入研究，使微纳米气泡可以在这两方面得到成熟的推广应用。
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