微納米氣泡發(fā)生器在水處理中的應(yīng)用

微納米氣泡的出現(xiàn)及其不同于普通氣泡的特點(diǎn)，使其在水處理等領(lǐng)域顯現(xiàn)出優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景,介紹了微納米氣泡以及其比表面積大、停留時(shí)間長(zhǎng)、自身增壓溶解、界面電位高、產(chǎn)生自由基、強(qiáng)化傳質(zhì)效率等特點(diǎn)，論述了微納米氣泡在水體增氧、氣浮工藝、強(qiáng)化臭氧化、增強(qiáng)生物活性等環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
引 言
微米氣泡(microbubble)通常是指存在于水中直徑為10～50μm的微小氣泡，直徑小于200nm的超微小氣泡稱為納米氣泡(nanobubble)，介于微米氣泡和納米氣泡之間的氣泡稱為微納米氣泡(micro-nano bubble)，與傳統(tǒng)大氣泡(coarse bubble，直徑>50mm)和小氣泡(fine bubble，直徑<5mm)相比，微納米氣泡直徑小，其傳質(zhì)特性和界面性質(zhì)均顯著不同于傳統(tǒng)大氣泡。
1 微納米氣泡的基本特性
1.1 比表面積大
微納米氣泡擁有較大的比表面積，氣泡的比表面積可表示為S/V=3/r。在氣泡體積不變時(shí)，氣泡比表面積與氣泡半徑成反比，氣泡半徑為10μm和1mm的氣泡相比，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍。
1.2 水中停留時(shí)間長(zhǎng)
傳統(tǒng)充氧曝氣，氣泡直徑大，與水體接觸表面積小，氣泡快速上升到水面并破裂消失，停留時(shí)間過短，溶氧效果差。而微納米氣泡在水中上升的速度較慢，從產(chǎn)生到破裂的歷程通常達(dá)到幾十秒甚至幾分鐘。有研究表明，直徑1mm氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑為10μm氣泡上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。
1.3 自身增壓溶解
水中的氣泡四周存在氣液界面，氣液界面的存在使得氣泡受到水的表面張力作用。對(duì)于具有球形界面的氣泡，表面張力能夠壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使氣體更易溶解到水中，壓力的上升會(huì)增加氣體的溶解度。隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度逐漸變快，最終完全溶解。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的產(chǎn)生方法和表面活性劑，微氣泡收縮的臨界直徑不同。表面活性劑為L(zhǎng)-150A時(shí)，機(jī)械攪拌法和超聲法產(chǎn)生氣泡的收縮直徑分別為100，50μm；表面活性劑為1%SDS時(shí)，機(jī)械攪拌法和超聲波法產(chǎn)生氣泡的收縮直徑分別為80，40μm。
1.4 界面電位高
微納米氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差常用電位表示，電位是影響氣泡表面吸附性能的重要因素，其值的高低在很大程度上決定了微納米氣泡界面的吸附性能。Ushikubo等研究發(fā)現(xiàn)，氧氣微納米氣泡的電位一般在-45～-34 mV，而空氣微納米氣泡的電位則為-20～-17 mV。
1.5 產(chǎn)生自由基
微納米氣泡不需要外界刺激即可產(chǎn)生自由基。微米氣泡在收縮時(shí)，由于雙電層的電荷密度迅速增高，氣泡破裂時(shí)，氣液界面消失的劇烈變化將界面上高濃度的正負(fù)離子積蓄的能量釋放，此時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超強(qiáng)氧化作用，可降解水中正常條件下難以降解的污染物如苯酚等。研究發(fā)現(xiàn)，pH值較低時(shí)有利于羥基自由基的生成，此外，微納米氣泡的氣體種類也會(huì)影響到氣泡破裂時(shí)自由基的生成量。
1.6 強(qiáng)化傳質(zhì)效率
氣體的傳質(zhì)速率很大程度上取決于氣液相的傳質(zhì)面積，而氣液比表面積取決于截留在液體中的氣體體積以及氣泡直徑。氣液比表面積可表示為a=6H0/dB，氣體截留率H0越大，氣泡直徑dB越小，則氣液比表面積a值越大，由此可以得出氣泡直徑的大小直接影響氧的傳質(zhì)效率。
2 微納米氣泡在水處理中的應(yīng)用
2.1 微納米氣泡在水體增氧中的應(yīng)用
污染物直接排放到附近的河流和湖泊中，微生物在分解污染物的過程中迅速消耗水體中的溶解氧，導(dǎo)致含氧量迅速下降，河流發(fā)黑發(fā)臭，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。對(duì)水體進(jìn)行曝氣復(fù)氧，不僅可有效解決發(fā)黑發(fā)臭問題，而且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。]采用微米氣泡發(fā)生裝置，考察了微米曝氣與普通曝氣對(duì)黑臭河水的處理效果。相同曝氣強(qiáng)度下，微米氣泡可產(chǎn)生更高的溶解氧(DO)，曝氣60 min時(shí)，DO可達(dá)9.87 mg/L，而普通曝氣在100 min時(shí)才達(dá)到6.54 mg/L。同時(shí)微米氣泡對(duì)COD、NH3-N、Geosmin和2-MIB的最大去除率分別比普通曝氣高出12%、10%、16%、12%。利用日本的超微氣泡曝氣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠很好地提高水中的溶解氧并有效消解底泥有機(jī)物，減少底泥厚度，實(shí)現(xiàn)水體的修復(fù)。
2.2 微納米氣泡在氣浮工藝中的應(yīng)用
氣浮工藝是指在水體中通入或產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡，使其黏附在雜質(zhì)絮體上，依靠浮力使其上浮在水面，從而實(shí)現(xiàn)固液的高效分離，微納米氣泡電位高、與懸浮物的接觸時(shí)間較長(zhǎng)使氣泡與懸浮物黏附效率提高，從而氣浮效率可大大增強(qiáng)。比較了微米氣泡氣浮工藝與傳統(tǒng)氣泡氣浮工藝對(duì)印染廢水的預(yù)處理效果。結(jié)果表明：微納米氣泡氣浮工藝能夠減少絮凝劑的投加量并能加快預(yù)處理的速率，相比傳統(tǒng)氣泡，微納米氣泡對(duì)COD、色度和油的去除效率要高出30，110，40個(gè)百分點(diǎn)，處理后廢水的可生化性由0.290提高至0.363。有學(xué)者提出了利用微納米氣泡治理含藻污水，將藻類俘獲在氣泡表面，實(shí)現(xiàn)清水與藍(lán)藻的分離。
2.3 微納米氣泡在強(qiáng)化臭氧化中的應(yīng)用
臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，被廣泛用于水體中無機(jī)和有機(jī)化合物的去除，改善飲用水的口感和色度。雖然臭氧具有強(qiáng)氧化性，但本身卻無法氧化分解一些有機(jī)物或?qū)⒂袡C(jī)物徹底分解。而研究發(fā)現(xiàn)，臭氧微納米氣泡卻能有效地分解一些難分解的有機(jī)物，微氣泡破裂瞬間可激發(fā)產(chǎn)生大量羥基自由基，增強(qiáng)對(duì)污染物的分解效果。利用臭氧微氣泡與普通氣泡對(duì)模擬印染廢水進(jìn)行處理試驗(yàn)，臭氧微氣泡工藝每消耗1g臭氧去除TOC的量是普通氣泡工藝的1.3倍，自由基的數(shù)量也較高，處理效果顯著優(yōu)于普通氣泡�？疾炝宋�氣泡臭氧化工藝的污泥減量化效果，對(duì)比傳統(tǒng)的臭氧氣泡接觸工藝，微氣泡臭氧化可顯著增強(qiáng)臭氧的利用率、提高污泥的溶解率。微氣泡系統(tǒng)中臭氧的利用率大于99%。
2.4 微納米氣泡在增強(qiáng)生物活性中的應(yīng)用
研究發(fā)現(xiàn)微納米氣泡對(duì)動(dòng)植物有促進(jìn)生物活性的作用，這種作用并非只是溶解氧增加的結(jié)果。在相同溶解氧條件下，在微納米氣泡溶液中培養(yǎng)的生菜，其生長(zhǎng)速度要快于不含微納米氣泡的溶液的生長(zhǎng)速度，所以微納米氣泡可在細(xì)胞生理活動(dòng)中發(fā)揮作用。將微納米氣泡技術(shù)用于凈化海底污泥，利用微納米氣泡對(duì)細(xì)菌生物活性的促進(jìn)作用，來加快對(duì)污泥中污染物的降解，微納米氣泡不僅可提升微生物對(duì)污泥的凈化效果，而且凈化時(shí)間還大大縮短。
3 微納米氣泡發(fā)生裝置
根據(jù)微納米氣泡產(chǎn)生的不同機(jī)制可將現(xiàn)有的微納米氣泡產(chǎn)生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、電解法、化學(xué)法等。超聲空化法是利用超聲波引起的壓力變化使液體內(nèi)部產(chǎn)生空化，從而產(chǎn)生微納米氣泡�；瘜W(xué)法則是投加化學(xué)藥品，利用其化學(xué)反應(yīng)生成微納米氣泡。電解法利用水或其他物質(zhì)電解產(chǎn)生微納米氣泡。上述3種方法一般適用于所需氣泡的數(shù)量較少、尺寸精度要求較高的領(lǐng)域，如高精度傳遞、船舶減阻等。在對(duì)氣泡需求量較大且直徑范圍要求不高的水處理應(yīng)用中溶氣釋氣法和分散空氣法則最為常用，詳細(xì)介紹見表1。
表1 常用微納米氣泡發(fā)生裝置及其優(yōu)缺點(diǎn)比較

傳統(tǒng)溶氣釋氣法主要由3部分組成：即壓力溶氣系統(tǒng)、溶氣釋放系統(tǒng)、氣浮分離系統(tǒng)。雖被廣泛應(yīng)用于氣浮技術(shù)中，但仍存在一定不足，如能源利用不合理，產(chǎn)生微氣泡不連續(xù)且效率較低。該方法主要有以下兩方面的演進(jìn)：一是在保留原有先加壓溶氣后減壓釋氣的理念，提高氣液兩相氣壓差和降低氣液兩相界面張力。通過投加表面活性劑可以將溶氣罐的操作壓力從3 MPa降低到2 MPa，顯著降低33%。二是舍棄原有先溶氣后釋氣的理念，而是直接采取葉輪組件直接散氣產(chǎn)生微氣泡，或壓力溶氣技術(shù)與葉輪散氣技術(shù)相結(jié)合，這一理念促使了微納米氣泡泵的出現(xiàn)。
分散空氣法主要是通過高速旋流、水力剪切等方式制造極端條件，把空氣反復(fù)剪切破碎，混合在水體中以產(chǎn)生大量的微納米氣泡。高速旋流法最先由日本提出，基于高速旋流的原理，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化了微納米裝置，可大量且高效地產(chǎn)生氣泡，氣泡直徑范圍縮小到5nm～20μm。過流斷面漸縮突擴(kuò)使氣液混合流體經(jīng)過反復(fù)的收縮、擴(kuò)散、撞擊、反流、擠壓和旋流最終產(chǎn)生微納米氣泡，文丘里管、多次穿孔、卡門渦街等類型的微納米氣泡發(fā)生裝置均是基于上述原理。對(duì)于微多孔結(jié)構(gòu)，最先出現(xiàn)的裝置是擴(kuò)散盤，壓縮氣體通過多孔板上的微孔進(jìn)入水體，為了使從微孔產(chǎn)生的氣泡盡可能的小，擴(kuò)散盤通過旋轉(zhuǎn)的方式產(chǎn)生剪切力使氣泡破碎至合適的尺寸。提出多孔管制造微氣泡，利用金屬微孔管內(nèi)外壓差提供推動(dòng)力，推動(dòng)管內(nèi)氣體從微孔管上的微孔流出，在管外壁形成微氣泡，再通過管外高速流過的剪切流將氣泡帶走，產(chǎn)生的氣泡直徑為20～70 μm。研究了孔徑更小、分布更均勻的陶瓷微孔膜管制造微氣泡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陶瓷微孔膜管無論從產(chǎn)生氣泡的性能，還是物化性能方面均優(yōu)于金屬微孔膜管。近年來，一種采用SPG膜作為氣-液分散介質(zhì)的微納米氣泡產(chǎn)生方法得到人們的關(guān)注。
雖然微納米氣泡在水體修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)明顯，現(xiàn)有微納米氣泡發(fā)生裝置亦可大量產(chǎn)生微納米氣泡，但其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用中并非十分普遍。相比傳統(tǒng)的曝氣設(shè)備(鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣)，微納米氣泡裝置在結(jié)構(gòu)構(gòu)造、運(yùn)行能耗、穩(wěn)定性方面還存在不足，如裝置加工比較困難，曝氣頭易堵塞，部分裝置對(duì)氣液混合流體速度要求高等問題。開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低、性能優(yōu)良的發(fā)生裝置是微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的問題。
4 結(jié)語(yǔ)與展望
微納米氣泡所表現(xiàn)出的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們對(duì)傳統(tǒng)氣泡的認(rèn)識(shí)，對(duì)氣泡的應(yīng)用不再僅局限在減小氣泡直徑來增加溶氧效率，而是更廣泛地探究微納米氣泡更多的潛在特性，如強(qiáng)化臭氧化，促進(jìn)生物活性等，強(qiáng)調(diào)微納米氣泡裝置與其他技術(shù)聯(lián)用，使得微納米氣泡在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。
現(xiàn)有微納米氣泡發(fā)生裝置的工作原理不同，使用時(shí)對(duì)裝置選擇要有針對(duì)性，過流斷面漸縮突擴(kuò)的微納米氣泡發(fā)生裝置，充氧量調(diào)節(jié)幅度不大，水量水質(zhì)變化幅度較大時(shí)不宜采用，而在既需提高溶解氧又需對(duì)水體進(jìn)行混合攪拌的領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于微納米氣泡發(fā)生裝置，其性能仍需優(yōu)化，流體數(shù)值計(jì)算模擬可以考察流動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)以及發(fā)展過程，可進(jìn)一步提高對(duì)微納米氣泡發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，有利于提出高效最優(yōu)的方案，所以需加強(qiáng)對(duì)微納米氣泡發(fā)生裝置的數(shù)值計(jì)算模擬。