微米气泡特性及其在环境领域的应用
发布日期：2022/3/28 16:40:01 访问次数：225
摘要: 微米气泡一般是指直径＜50μm 的气泡，由于其具有比表面积大、上升速度慢、内部压力高等区别于普通大气泡的独特性质，近年来引起广泛关注，并开始应用于医疗、生物、环境治理等领域。介绍了微米气泡在环境治理领域主要的应用方向，展望了微米气泡在环境领域的应用前景，并讨论了现有技术中需解决的问题。
关键词: 微米气泡; 臭氧微米气泡; 微米气泡消毒; 微米气泡膜清洗
高级氧化技术能够使绝大部分有机物完全矿化或分解，具有很好的应用前景，因此在环境领域一直受到高度关注。然而常用的高级氧化技术具有投药量高、能耗大等问题，限制了其广泛应用。微米气泡技术作为一种新型的高级氧化技术，由于其投药量少等优点，在近年来引起了广泛的研究，并开始应用于医疗、生物、环境治理等领域。为此简单介绍了微米气泡自身的独特性质及其生成方法，详细分析了微米气泡在环境领域的应用情况，并对其未来研究方向进行了展望。
1 微米气泡的性质及生成方法
1.1 物理化学性质
微米气泡的直径分布一般为30～50μm，具有上升速度慢、在水中停留时间长、内部压力高等物理性质。微米气泡在蒸馏水中的上升速度与直径的二次方成正比，基本满足斯托克斯公式; 气液界面上存在的表面张力对气泡的挤压作用造成气泡内部的压力升高，其内外压力差与直径的一次方成反比，即微米气泡越小内部压力越高。
表面荷电是微米气泡的一项重要特征，在一个广泛的pH 值范围内微米气泡都带负电，等电势点pH 值约为3.5。
微米气泡爆破生成羟基自由基(·OH) 是一个值得关注的物理化学特征。微米气泡巨大的比表面积和随直径减小而不断升高的内部压力，使得气泡内的气体更加迅速地溶于水中，导致气泡自我收缩，并最终消失或破灭于水中，这一过程会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH) 。微米气泡爆破时产生的局部高温高压以及气液界面上电荷的高浓度富集被认为是促使羟基自由基(·OH) 生成的重要因素。
1.2 微米气泡的生成方法
微米气泡的主要生成方法有加压溶气法、水力空化法、高速气液混合法、膜法四种。其中，加压溶气法是微米气泡最为常见的生成方式; 它利用气体的溶解度随压力的升高而增加的特性，通过加压(400 kPa)使得大量的气体溶解于液相，然后恢复压力为大气压，过量的气体即在液相中以微米气泡的形式析出。加压溶气法的基建投资和能耗偏高，然而利用水力条件产生微米气泡的水力空化法和高速气液混合法的能耗则较低，利于工业化生产; 此外，膜法生成微米气泡的方式与众不同之处在于不需液相的高速循环。
2 微米气泡在环境领域的应用
2.1 降解水中污染物
利用微米气泡在物理和化学方面的独特性质，将其与常用的高级氧化方法如微电解法、UV 法、臭氧高级氧化法、芬顿法等联用，可降低氧化剂投加量、节省能耗、提高反应效率。
Xu 等利用臭氧微米气泡与超声波联用降解1，4－ 二氧六环，研究发现臭氧微米气泡的反应速率常数高于臭氧大气泡，且1，4 － 二氧六环的降解主要是由于羟基自由基(·OH) 的氧化作用所致。Saharan 等利用文丘里管水力空化产生微米气泡降解活性红120(ＲＲ120) ，在酸性条件下与H2O2联用，15 min 后脱色率达到近100%，90 min后对TOC的降解率达到60%。
除联用工艺之外，Takahashi的研究表明空气微米气泡在没有水力空化的作用下也可以自然生成羟基自由基，在强酸性条件下，臭氧微米气泡也可以产生大量羟基自由基(·OH); 与臭氧微米气泡相比，空气微米气泡自然破灭生成的羟基自由基量较少，不能满足环境领域中降解有机污染物的应用需求。在随后的研究中，Li等利用单质铜作为催化剂，在pH值= 2时可以有效促进空气微米气泡爆破产生·OH 的量，这种新型的高级氧化法对聚乙烯醇以及苯酚都有良好的降解效果。
2.2 膜污染清洗
膜处理工艺由于其独特的优势在给水、污水处理领域得到了广泛应用，而膜污染是制约这一技术在大型工业生产中应用的一个主要因素。目前，微米气泡膜清洗技术在超滤膜污染控制以及膜生物反应器中的膜清洗方面都有一定程度的应用研究，其主要反应机理为: 微米气泡在收缩至最终破灭时会产生一个局部高压点，破灭瞬间产生的压力波能够直接攻击膜外层污染物，使其破碎并脱落; 同时，由于微米气泡具有较长的停留时间和更小的体积，它可以进入膜面的污染物矩阵内部，随后的爆破可以诱发矩阵内部的连锁反应，导致污染物结构被完全破坏并产生连锁剥落效果; 这种膜污染去除反应直到膜表面的污染物矩阵近乎于完全脱落之后才会停止，从而保障了持续性的去除效果，有效控制了膜污染。Ashutosh Agarwal 等研究了利用微米气泡去除尼龙膜表面膜污染的效能，发现微米气泡清洗在1h内可以去除88.43%的固化微生物，以及几乎所有的胞外多糖和蛋白质，与使用0.5% 的NaClO的化学清洗相比，是一种更加有效、不需要添加化学药剂的生态友好型膜清洗方法。
2.3 在污水处理中提高气液传质效率
在大型污水处理厂中，好氧生物反应器是最重要的反应装置之一，而反应器的供氧速率通常影响着整体的处理效率。为解决这类问题，研究者开发了一系列基于微米气泡的高效溶氧装置，并引起了广泛关注。Terasaka 等开发出一种利用螺旋液体流微米气泡发生器的新型曝气系统，有效提高了含气率和氧气传质速率。Liu等利用Shirasu 多孔玻璃膜( SPG) 产生微米气泡，并将其应用于膜生物反应器的曝气系统中，该系统的氧气利用率达到近100%，保障了高效稳定的COD去除率。虽然微米气泡曝气具有较高的氧气传质效率，但是这一系统较一般曝气系统能耗偏高。因此微米气泡曝气更适于使用在好氧活性污泥槽的曝气死角；或使用在处理高浓度污染物的反应器中，从而减小反应器体积。
此外，在气浮工艺中，利用微米气泡代替普通气泡，也有着很好的应用前景。Liu等研究发现在印染废水的混凝浮选过程中，氧气微米气泡的总传质系数可以达到1.1754 min－1，而传统的空气气泡总传质系数只有0.7535min－1; 且气泡的直径越小，其在水中的上升速度越慢、停留时间越长，从而实现了更高的污染物去除效率; 这种微米气泡气浮工艺能有效减少混凝剂的投加量并提高预处理率。Wen 等通过对采用微米气泡处理洗衣废水、养殖废水以及含油废水的案例分析发现，相比于传统气浮工艺，微米气泡能够更有效地去除污水中的TSS、BOD5以及COD。
此外，微米气泡在臭氧反应器中也有着广泛的应用，它可以有效提高臭氧的传质效率，并且能够强化臭氧分解产生羟基自由基。Chu 等利用臭氧微米气泡有效促进了活性污泥溶解，与普通臭氧接触池相比，采用微米气泡的臭氧接触池能将近80%的微生物灭活，同时对TOC 的去除率能够提高1倍。Liu等研究了空气、氧气、臭氧微米气泡各自对于可乐生产废水的絮凝悬浮处理效果，由于利用臭氧微米气泡处理可产生大量的羟基自由基，且臭氧微米气泡表面的高ξ电位能有效防止气泡聚合并促进气泡与颗粒间的相互作用，因此达到了最佳的处理效果; Yasuda等利用臭氧微米气泡处理含类黑精的乙醇生产废水也得出类似结论，对TOC的降解率有大幅度的提高。
2. 4 消毒
基于微米气泡的消毒工艺具有降低消毒剂投加量、减小反应器体积、提高消毒效率等优点。Sumikura等利用臭氧微米气泡对再生回用水进行消毒，与单独臭氧消毒相比，有效减小了消毒反应器的体积和臭氧投加量。利用臭氧对枯草杆菌、尖孢镰刀菌、果胶杆菌的灭菌研究表明，将臭氧转换为臭氧微米气泡的方式投加，可以在保障杀菌效果的同时大大降低臭氧投加量; 而且，微米气泡的强化气液传质作用能保障臭氧气体快速溶解于水中，使得溶液中的臭氧浓度显著增加，有效防止病原体的增生。
有文献对水力空化和超声空化消毒的效果进行了比较，研究表明虽然超声空化可以提高消毒速率，但是水力空化的能量利用率更高即能耗低，更适合大规模生产使用。Arrojo 等对水力空化产生微米气泡去除大肠杆菌的效能进行了研究，发现使用文丘里管比使用多孔板的灭菌效果好。主要原因是文丘里管产生了更大的过流速度和压力降，进而促进了对细菌的机械破碎效果。此外，将水力空化微米气泡与超声空化和双氧水联用的组合消毒工艺可以更加有效且经济地去除饮用水中的总大肠菌群等细菌指标，同时减少消毒剂的投加量和消毒副产物的产生。
3 结语
基于微米气泡的水处理技术具有减少或几乎不需要药剂投加、强化反应效果等优点，是一种新型的环境友好型水处理技术。
然而基于微米气泡的水处理技术仍然存在诸多需要解决的技术难点。与穿孔板、恒流喷嘴这些仅需要气体压缩耗能的传统曝气溶氧装置相比，旋流、文丘里管或是加压溶气法这些新型的微米气泡曝气溶氧装置普遍需要利用水泵提供高速液流，因而能耗偏高，虽然生成的微米气泡能够更好地促进气液传质，然而高能耗仍然限制了这些新型装置的大规模生产使用。此外，在利用微米气泡进行废水好氧生物处理时，存在诸如污泥上浮、混合液悬浮固体颗粒浓度下降、水力剪切作用导致污泥破碎及有机物释放等问题。为了实现微米气泡技术在工业领域的规模化应用，今后需要针对这些技术难点展开深入的研究，使该技术逐步改进和完善。
