王永磊，王文浩，代莎莎，徐學(xué)信，薛舜，許斐，賈鈞淇

（1.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照276800）

微納米氣泡發(fā)生機(jī)理及其應(yīng)用研究進(jìn)展

王永磊1，王文浩1，代莎莎2，徐學(xué)信1，薛舜1，許斐1，賈鈞淇1

（1.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照276800）

相比于傳統(tǒng)處理技術(shù)，微納米氣泡在污廢水處理、地下水水土環(huán)境修復(fù)等環(huán)境污染控制領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景，開展微納米氣泡在各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展研究，對于其今后的研究發(fā)展具有積極的意義。文章圍繞停留時(shí)間、氣液傳質(zhì)率、界面電位、產(chǎn)生自由基、比表面積等方面，闡述了微納米氣泡與普通氣泡所不同的特性，綜述了加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、電解法、氣浮泵產(chǎn)氣法等微納米氣泡不同發(fā)生方法的技術(shù)機(jī)理及相關(guān)設(shè)備研究現(xiàn)狀，概述了微納米氣泡在水體增氧、強(qiáng)化臭氧化、氣浮、強(qiáng)化生物活性等水處理領(lǐng)域及灌溉水源處理、促進(jìn)作物生長等種植業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題以及前景，并對微納米氣泡的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了展望。

微納米氣泡；發(fā)生機(jī)理；水處理；增氧

0 引言

半徑在0.05～25μm范圍內(nèi)的微小氣泡稱為微納米氣泡［1］。微納米氣泡相較于普通氣泡，擁有存在時(shí)間長、氣液傳質(zhì)率高、界面點(diǎn)位高、能自發(fā)產(chǎn)生自由基等特點(diǎn)，同時(shí)也具有一些獨(dú)特的化學(xué)特性［1］。對于微納米氣泡的研究始于19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)人們的研究重點(diǎn)是毫米級氣泡。20世紀(jì)50年代，人們開始開展對液滴以及氣泡的相關(guān)研究［1］。而對于微納米氣泡的應(yīng)用情況，最早可以追溯至20世紀(jì)90年代，由日本科學(xué)家最先研究制造出氣泡的發(fā)生裝置，并且應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面。隨著對微納米氣泡研究的深入，發(fā)現(xiàn)其在生物科學(xué)、流體動力學(xué)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中都有著較為深遠(yuǎn)的影響［2-3］。

目前，微納米氣泡由于其獨(dú)有的特性而被廣泛地應(yīng)用于水處理、生物制藥、水體增氧、氣浮凈水等領(lǐng)域，且逐漸在污廢水處理、地下水水土環(huán)境修復(fù)等環(huán)境污染控制領(lǐng)域中展現(xiàn)出了一定的技術(shù)優(yōu)勢以及較為良好的應(yīng)用前景，同時(shí)在土壤消毒、營養(yǎng)液增氧消毒等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中也展現(xiàn)出了較為良好的應(yīng)用前景［4-5］。諸如微納米氣泡能增強(qiáng)生物活性、加快微生物對污泥的凈化速率、有效改善地下水水況等，相比于傳統(tǒng)處理技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但目前對于微納米氣泡的應(yīng)用研究較為單一且分散，所以對近年微納米氣泡在水處理及種植等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行梳理總結(jié)，對今后微納米氣泡的應(yīng)用研究具有一定的積極意義。文章概述了微納米氣泡的界面點(diǎn)位高、存在時(shí)間長、傳質(zhì)效率高等優(yōu)良特性以及其在水處理以及種植業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并且綜述了微納米氣泡的發(fā)生機(jī)理及相關(guān)發(fā)生裝置的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。對微納米氣泡未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 微納米氣泡的特性

微納米氣泡因?yàn)樽陨沓叽缧〉奶攸c(diǎn)，能夠顯示出許多與普通氣泡所不同的特性，如傳質(zhì)效率高、存在時(shí)間長、能自發(fā)生成大量自由基、自身增壓溶解等。

1.1 存在時(shí)間長

根據(jù)浮力原理可知，在液體中，氣泡的體積越大，相應(yīng)所受到的浮力就越大；氣泡的直徑增加，所受到的浮力也隨之增加，上升速度也隨之加快［6］。微納米氣泡由于自身體積小，在水中所受到的浮力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通氣泡在水中所受到的浮力，所以微納米氣泡的上浮速度緩慢，在水中停留的時(shí)間更長［7-8］，如半徑約為5μm的氣泡在水中的上升速度為3 mm／min，而半徑為0.5 mm的氣泡在水中的上升速度能達(dá)到6 m／min，由此可知，水中微納米氣泡上升的速度是普通氣泡的1／2000。潘習(xí)習(xí)等利用多次測量計(jì)算平均值的方式進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微納米氣泡在水中懸浮的時(shí)間為252 s［9］。

1.2 氣液的傳質(zhì)率高

液體中氣體的體積和直徑共同決定了氣液的比表面積，氣液的比表面積又決定了氣體的傳質(zhì)效率。通過氣液界面的表面張力理論能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣泡的直徑變小時(shí)，其表面張力對其的影響將會變得越明顯。微納米氣泡相對于普通氣泡擁有更小的直徑，因此它受到其表面張力的影響更大并且在促使其收縮，同時(shí)逐漸增大氣泡的內(nèi)部壓力。當(dāng)微納米氣泡的收縮達(dá)到某一極限值時(shí)，氣泡內(nèi)部的氣壓將會趨于無限大，這種自增壓效應(yīng)會使微納米氣泡溶于水或者在水面處破裂消失［10］。通過上述過程，可以使得水中的氣體溶解率達(dá)到一種過飽和的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了氣液傳質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生較好的傳質(zhì)效率。

1.3 界面電位高

微納米氣泡的界面電位所代表的是氣泡表面雙電層產(chǎn)生的電勢差，電位值的高低能夠?qū)馀荼砻娴奈叫阅墚a(chǎn)生一定的影響［11-12］。當(dāng)微納米氣泡在水中發(fā)生收縮時(shí)，存在于氣泡表面上的電荷離子，濃度將會迅速富集，使得微納米氣泡的界面電位迅速升高；微納米氣泡破裂之前，在其界面位置會產(chǎn)生很高的界面電位。Ushikubo等的研究顯示，空氣微納米氣泡ζ電位值的范圍通常為-20～-17 mV，而氧氣微納米氣泡ζ電位值的范圍通常為-45～-34 mV［13］。

1.4 生成自由基

微納米氣泡能夠自發(fā)生成自由基。在微納米氣泡收縮并發(fā)生破裂時(shí)，氣液界面的消失會引發(fā)劇烈變化，這種劇烈變化能夠釋放出界面上由高濃度正負(fù)離子所積累的能量，從而生成大量的羥基自由基。另外，所產(chǎn)生自由基的數(shù)目在一定程度上也會受到微納米氣泡氣體種類的影響［14-15］。羥基自由基擁有很強(qiáng)的氧化還原電位，其所表現(xiàn)出來的強(qiáng)氧化作用可以降解水中諸如苯酚等在正常情況下難以被氧化分解的污染物，這對水質(zhì)起到了良好的凈化作用。另外，承載氣體采用臭氧能夠更加容易地激發(fā)生成大量的羥基自由基，將微納米氣泡技術(shù)與臭氧聯(lián)用，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將聚乙烯醇等多種不能被臭氧單獨(dú)氧化分解的有機(jī)物有效地轉(zhuǎn)化成無機(jī)物。

1.5 比表面積大

微納米氣泡的比表面積相對較大。通過S／V＝3／r可知，當(dāng)微納米氣泡保持體積V一定時(shí)，氣泡的比表面積S與氣泡的半徑r成反比。比較半徑為1 mm和10μm的氣泡，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者體積一定時(shí)，后者的比表面積在理論上是前者的100倍［16］。

2 微納米氣泡發(fā)生方法的技術(shù)機(jī)理

按照微納米氣泡發(fā)生機(jī)理的差異，微納米氣泡的發(fā)生方法主要可分為加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、電解法、氣浮泵產(chǎn)氣法等。

2.1 加壓溶氣釋氣法

加壓溶氣釋氣法的主要原理是進(jìn)行氣體壓力的改變，采用加壓和驟然減壓的方式來調(diào)節(jié)液體中氣體的溶解度，從而實(shí)現(xiàn)氣體的溶解與釋放。這種方法廣泛地應(yīng)用在氣浮技術(shù)中，然而目前仍然存在著一些缺陷，如溶氣、釋氣過程不連續(xù)以及微納米氣泡發(fā)生效率低等。Féris等發(fā)現(xiàn)在Fe（OH）3絮體去除率和水力負(fù)荷一致的情況下，加入表面活性劑能夠顯著降低溶氣罐的操作壓力，降低量約為33%［17］。時(shí)玉龍等提出了在能源利用上更為合理的葉輪散氣和氣浮泵產(chǎn)氣方式，以解決傳統(tǒng)加壓溶氣設(shè)備溶氣釋氣不連續(xù)等缺陷［18］?，F(xiàn)今，對于加壓溶氣釋氣裝置的相關(guān)研究著重于如何降低成本、提升溶氣罐的效率、簡化操作等方面。

2.2 分散空氣法

分散空氣法的主要原理是利用水力剪切、高速旋流等方式形成剪切力，并制造出一種極端條件，將空氣進(jìn)行反復(fù)剪切破碎，使之與水混合從而生成大量的微納米氣泡［19］。

金強(qiáng)等在高速旋流原理的基礎(chǔ)上，對微納米裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，能夠高效地生成大量微納米氣泡［20］。過流斷面的漸縮突擴(kuò)使得氣液混合體反復(fù)的經(jīng)過收縮、擴(kuò)散、反流、撞擊、擠壓、旋流等多種作用，最后生成微納米氣泡。卡門渦街、多次穿孔、文丘里管等多種微納米氣泡發(fā)生裝置都是利用上述機(jī)理。微多孔結(jié)構(gòu)方面，F(xiàn)ujikawa等利用旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散板，通過改變其轉(zhuǎn)速及微孔進(jìn)氣量的方式，在增強(qiáng)微孔對氣泡剪切效果的同時(shí)達(dá)到控制氣泡數(shù)目及尺寸的目的［21］。徐振華等研制了一種通過空氣壓縮機(jī)將氣體從金屬管壁上的微孔壓出，從而產(chǎn)生微氣泡的金屬微孔管裝置，其相比于旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散板裝置更為簡單［22］。

機(jī)械剪切設(shè)備主要是利用了葉輪高速旋轉(zhuǎn)所形成的剪切作用，把液體中大尺寸的氣泡剪切成微納米氣泡。具有代表性的一種引氣裝置是由美國HydroCal環(huán)保公司在1985年發(fā)明的。該引氣裝置的底部設(shè)置有葉輪，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)能夠在水中產(chǎn)生一個(gè)真空區(qū)，液面上的空氣經(jīng)由曝氣機(jī)進(jìn)入水中并被葉輪粉碎，從而生成微氣泡。利用這種方式所生成的微氣泡數(shù)目雖較多，但是氣泡的尺寸不均勻且可控性較差，而且能耗相對較大。

射流裝置的運(yùn)行原理主要是通過空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生出氣液混合的高速射流，并利用氣液間的亂流紊動作用以生成微納米氣泡［23］。自吸式射流析出氣泡裝置主要由吸氣室、噴嘴、擴(kuò)散管以及混合管等4部分構(gòu)成，其工作過程為液體經(jīng)由噴嘴射入吸氣室，同時(shí)在吸氣室位置處形成負(fù)壓，液體匯集吸入的氣體一同進(jìn)入到混合管；液滴在混合管內(nèi)做高速運(yùn)動并與氣體發(fā)生相互碰撞，致使氣體加速、分散；進(jìn)入到擴(kuò)散管段后，流速逐漸減緩，壓力相應(yīng)增加，氣體經(jīng)過壓縮并形成微氣泡，最終氣液兩相以泡沫流的形式流出。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是所生成的氣泡尺寸較小，但是相應(yīng)的對于裝置流道的設(shè)計(jì)以及制造方面的要求較高。

2.3 電解法

電解法的主要原理是利用電極電解水的方式，在正負(fù)極板上生成微納米氣泡。運(yùn)用此方法所生成的微納米氣泡，其直徑通常在20～60μm左右，尺寸的可控性較好，但相應(yīng)的有能耗較大、氣泡產(chǎn)量較少等缺點(diǎn)。目前，在諸多實(shí)際應(yīng)用過程中，對于電解裝置的要求均較為嚴(yán)格，如船舶的減阻裝置需要生成大面積的微氣泡用以包裹船底表面的，由此產(chǎn)生了采用陣列式微電極、矩形節(jié)點(diǎn)電極等的多種新型裝置。Xie等利用高度拋光金屬球表面的納米級微凸起作用電極，在甘油與水的混合液中進(jìn)行電解，從而得到了大量的平均尺寸為6μm的微納米氣泡［24］。Sakai等采用220μm的金屬微纖維編織而成的金屬網(wǎng)作為電極，在水中進(jìn)行電解并生成大量直徑約為77 nm的微納米氣泡［25］。

2.4 氣浮泵產(chǎn)氣法

氣浮泵的主要原理是將葉輪散氣技術(shù)和壓力溶氣技術(shù)結(jié)合使用，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，在進(jìn)氣口位置產(chǎn)生負(fù)壓并吸入空氣，利用泵腔內(nèi)劇烈的湍流以及高壓的環(huán)境，使空氣能夠迅速地溶于水中，另外部分被吸入的空氣在高速旋轉(zhuǎn)葉輪的剪切作用下，生成微氣泡［26］。氣浮泵與傳統(tǒng)的葉輪氣浮技術(shù)相對比，前者的氣泡發(fā)生率要更高一些，同時(shí)所生成氣泡的尺寸也會更小一些。通過上述理論可知，將幾種不同的氣泡發(fā)生機(jī)制結(jié)合使用，能夠有效地增強(qiáng)裝置所生成氣泡的質(zhì)量以及裝置的氣泡發(fā)生率。目前，氣浮泵多被用于試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐。楊勇等對旋噴泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)將其應(yīng)用到氣浮設(shè)備中，在工作壓力為0.48 MPa、吸氣量為9%的工況前提下，生成的微氣泡中直徑＜80μm的氣泡占到了90%［27］。袁鵬等利用氣浮泵作為微氣泡發(fā)生裝置，并對新型豎流氣浮反應(yīng)器設(shè)計(jì)開展了試驗(yàn)研究，在吸氣量為8%、氣浮泵工作壓力為0.4～0.45 MPa的工況前提下，所生成微氣泡的平均半徑為25μm左右，這種設(shè)備對于機(jī)械加工廢水以及乳品廢水中化學(xué)需氧量COD的去除率分別大于75%和50%，對于油類物質(zhì)及固體懸浮物濃度SS的去除率則分別大于80%和85%［26］。

除上述的幾種方法以外，微納米氣泡的發(fā)生機(jī)理還包括高溫、化學(xué)反應(yīng)、超聲波、微管道等多種技術(shù)方法。超聲波技術(shù)是通過超聲空化作用使液體產(chǎn)生負(fù)壓，將原本溶于液體中的氣體以微納米氣泡的形態(tài)釋放，另外還能夠?qū)崿F(xiàn)對氣泡破滅的控制，其在氣泡精密控制的應(yīng)用方面顯示出了較好的前景。某些化學(xué)物質(zhì)通過相互作用也能夠生成微納米氣泡，Betteridge等采用水和金屬鈉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期間利用檢測氣泡破裂聲音頻率的方式，得出所生成氣泡的尺寸為微米級，但是這類利用化學(xué)物質(zhì)之間的相互反應(yīng)生成微納米氣泡的裝置，其制造成本太高且在使用時(shí)容易造成水體的二次污染，所以應(yīng)用范圍有局限性［28］。

3 微納米氣泡的應(yīng)用

3.1 微納米氣泡在水處理方面的應(yīng)用

微納米氣泡具有許多優(yōu)于普通氣泡的特性，以其優(yōu)秀的增氧能力、良好的氣浮效果和強(qiáng)氧化性廣泛地應(yīng)用于水處理工藝中，并在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出占地小、投資小、操作簡便、無污染等優(yōu)勢。在水處理領(lǐng)域中，微納米氣泡用于處理水中的有機(jī)物、氮磷以及有毒有害物質(zhì)等，進(jìn)而有效地改善水體水質(zhì)。

3.1.1 在水體增氧方面的應(yīng)用

河流湖泊周邊的企業(yè)等在生產(chǎn)過程中會將未處理達(dá)標(biāo)的廢水排放至水體中，這些廢水中的污染物會被水體中的微生物分解利用，這個(gè)過程中微生物會利用并消耗水體中溶解的氧氣，這將致使水體中的溶解氧含量迅速降低，大大增加了河水發(fā)臭發(fā)黑等問題發(fā)生的概率，嚴(yán)重的影響了生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。為解決水體黑臭問題并減少二次污染，需要對水體的溶解氧含量進(jìn)行補(bǔ)充。洪濤等利用國產(chǎn)的微納米氣泡發(fā)生裝置，分別利用微納米曝氣與普通曝氣兩種方式，對黑臭河水進(jìn)行處理并把最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較［29］。結(jié)果顯示，在同樣的曝氣強(qiáng)度下，利用微納米氣泡進(jìn)行曝氣后所達(dá)到的溶解氧總量相比于普通氣泡的要高出很多。微納米氣泡進(jìn)行曝氣60 min時(shí)，溶解氧含量達(dá)到了9.87 mg／L，而普通氣泡曝氣在100 min時(shí)所達(dá)到的溶解氧含量僅僅為6.54 mg／L。同時(shí)，微米氣泡對2-甲基異莰醇2-MIB、土溴素Geosmin、氨氮NH3-N和化學(xué)需氧量COD的最大去除率分別比普通氣泡曝氣高出了12%、16%、10%、12% 。

3.1.2 在強(qiáng)化臭氧化方面的應(yīng)用

臭氧作為一種優(yōu)良的強(qiáng)氧化劑，目前在水體有機(jī)以及無機(jī)化合物質(zhì)的去除方面有著廣泛的應(yīng)用，能夠達(dá)到改善飲用水的口感及色度的目的。但是臭氧的強(qiáng)氧化性對于某些有機(jī)物質(zhì)仍然無法起到氧化分解或徹底分解的效果。通過研究可知，采用臭氧微納米氣泡能夠有效地分解掉這類穩(wěn)定的有機(jī)物。微納米氣泡在破裂的瞬間能夠生成大量的羥基自由基，從而有效地強(qiáng)化了對污染物的分解作用。目前在難降解工業(yè)廢水以及污泥的處理方面，微納米氣泡也已經(jīng)展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景。Chu等基于微納米氣泡臭氧化工藝，對其污泥減量化的效果進(jìn)行了相關(guān)的研究，同時(shí)與傳統(tǒng)的臭氧氣泡工藝進(jìn)行比較，結(jié)果顯示微納米氣泡臭氧化工藝能夠顯著增強(qiáng)臭氧的利用率，極大地提升了污泥的溶解率［30］。Chu等還分別設(shè)計(jì)開展了普通氣泡以及臭氧微氣泡處理模擬印染廢水的試驗(yàn)，并對其最終結(jié)果做了分析對比［31］，結(jié)果顯示相比于普通氣泡工藝，采用臭氧微氣泡工藝?yán)? g臭氧所消除的總有機(jī)碳TOC的量是前者的1.3倍，所產(chǎn)生自由基的數(shù)目也相對較多，其處理效果相比前者有著明顯的優(yōu)勢。Liu等設(shè)計(jì)進(jìn)行了微納米氣泡處理焦化廢水的試驗(yàn)，結(jié)果表明：在去除吡啶方面，臭氧微氣泡工藝的去除效率為純氧微氣泡工藝的1.7倍，是普通微氣泡工藝的4.5倍［32］。在去除苯方面，臭氧微氣泡工藝的去除效率分別是純氧微氣泡工藝及普通微氣泡工藝的1.5和3.6倍。而且，臭氧微氣泡工藝所生成的羥基自由基的數(shù)目也是三者中最多的。微納米氣泡與臭氧相結(jié)合，能夠激發(fā)微納米氣泡生成更多的羥基自由基，進(jìn)而增強(qiáng)臭氧的氧化能力，對難降解的有機(jī)物進(jìn)行強(qiáng)化分解，能夠有效地降低廢水的色度以及COD，并能有效提升廢水的可生化性，為后續(xù)的生物處理工藝減輕負(fù)荷，擁有不產(chǎn)生二次污染、運(yùn)行成本低、操作管理簡單等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 在氣浮方面的應(yīng)用

氣浮法是一種高效的固液分離技術(shù)，最初應(yīng)用于選礦，自20世紀(jì)70年代開始，氣浮在水處理方面有了迅速的發(fā)展。目前已廣泛地應(yīng)用在微污染水體、工業(yè)廢水以及城市污水的處理領(lǐng)域中［33-34］。氣浮工藝的主要原理是：向水體中通以大量的微細(xì)氣泡，使其和雜質(zhì)絮體相黏附，利用浮力作用將生成的泡絮體轉(zhuǎn)移至水面，進(jìn)而將固液進(jìn)行高效的分離。微納米氣泡的ζ電位高、在水中停留時(shí)間長以及比表面積大等特點(diǎn)延長了氣泡與懸浮物的接觸時(shí)間，同時(shí)提高了氣泡與懸浮物的黏附效率；在廢水的預(yù)處理中將混凝工藝和微納米氣泡技術(shù)聯(lián)合使用，展現(xiàn)出了對油類以及懸浮物高效的去除率及優(yōu)良的吸附效果。Liu等分別利用傳統(tǒng)氣泡氣浮技術(shù)以及微納米氣泡工藝，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了印染廢水的處理試驗(yàn)，就其最終結(jié)果進(jìn)行了分析，微納米氣泡氣浮工藝可以提高預(yù)處理的速率，同時(shí)也有效地降低了絮凝劑的投加量；在油、COD以及色度的去除率方面相比于傳統(tǒng)氣泡氣浮工藝分別高出40%、30%以及110%，同時(shí)能夠把廢水的可生化性由原來的0.290提高到0.363［35］。目前，部分研究人員提議把微納米氣泡用于含藻污水的處理，從而實(shí)現(xiàn)藻類與水體的分離。Deng等把T形管油水分離技術(shù)和微納米氣泡氣浮技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，結(jié)果顯示，微氣泡氣浮技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出了分離效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、分離時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)［36］。汪群慧等對某餐飲的含油廢水設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)處理試驗(yàn)，結(jié)果表明：在相近或相同的條件下，利用新型微納米氣泡氣浮工藝對COD和油的去除效率都要優(yōu)于普通氣泡氣浮工藝［37］。所以，依靠微納米氣泡吸附性能好、界面電位高的優(yōu)點(diǎn)，把微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用在廢水的預(yù)處理中，對NH3-N、總磷TP、COD都有著良好的去除效果。

3.1.4 在增強(qiáng)生物活性方面的應(yīng)用

目前，微納米氣泡在動植物的生物活性方面起到了一定的促進(jìn)作用。等量溶解氧含量的情況下，放置于添加了微納米氣泡的溶液中生長的生菜，與放置于普通溶液中生長的生菜相比較，前者表現(xiàn)出了較快的生長速度，由此可知微納米氣泡能夠?qū)?xì)胞的生理活動產(chǎn)生一定積極的影響。Okamoto等將微納米氣泡技術(shù)用在海底污泥凈化領(lǐng)域，通過其可以有效促進(jìn)細(xì)菌生物活性的特性，使得細(xì)菌生物對污泥中污染物的降解速率有所提高［38］。微納米氣泡一方面增強(qiáng)了微生物凈化污泥的效果，另一方面也減少了對污泥的凈化時(shí)間。近年，微納米氣泡技術(shù)逐漸開始應(yīng)用在環(huán)境生態(tài)修復(fù)方面。Jenkins等針對土壤中的二甲苯污染開展了原位修復(fù)試驗(yàn)，把能夠降解二甲苯的惡臭假單胞菌Pseudomonas putida菌株和氧氣微氣泡相互混合，并通入到土柱的間隙中［39］。結(jié)果顯示，微生物菌株對于二甲苯的分解作用將一直持續(xù)到土壤間隙中的氧氣耗盡為止，經(jīng)過處理后的土壤，其中殘留的二甲苯濃度經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，已低至儀器檢測限以下；在氧氣利用方面，微生物菌株能夠展現(xiàn)出高達(dá)71%～82%的氧氣利用率。依靠微納米氣泡在水中的傳質(zhì)性能好、存在時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，對被污染的水體或者污泥實(shí)施微納米氣泡復(fù)氧，能夠有效地增強(qiáng)其中微生物的生物活性，提高其對污染物的凈化效果。目前，微納米氣泡在環(huán)境生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中已展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

3.2 微納米氣泡在種植業(yè)方面的應(yīng)用

微納米氣泡技術(shù)廣泛地應(yīng)用于養(yǎng)殖、水稻、無土栽培、促進(jìn)種子發(fā)芽及增強(qiáng)水活性等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)活動時(shí)，各類農(nóng)藥會多次噴灑在作物表面及周邊，起到除蟲等作用。但是目前被噴灑在作物上的農(nóng)藥，大部分都停留在植物莖葉的表面，一部分散落在周圍的大氣、土壤等環(huán)境之中，另外還有一部分則混雜在雨水中并隨著雨水下滲進(jìn)入地下水。當(dāng)人們利用未經(jīng)處理的地下水灌溉作物時(shí)，地下水以及土壤中殘存的農(nóng)藥就會通過根系的吸收作用，進(jìn)入到蔬菜、作物等中，造成食物污染，從而危害人的健康。長期食用此類農(nóng)產(chǎn)品，將會致使農(nóng)藥在人體以及動物體內(nèi)積累，繼而引發(fā)人和動物的慢性中毒，更為嚴(yán)重的將可能會影響到下一代。而微納米氣泡擁有在水中傳質(zhì)效率高、存在時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，可以被用于農(nóng)藥的去除。

3.2.1 在灌溉水源處理中的應(yīng)用

當(dāng)前，水體的富營養(yǎng)化程度逐漸增加，并且致使江河湖以及地下水等水域的污染情況相應(yīng)加重。而水體的富營養(yǎng)化主要是由于受人為活動影響，大量的N、P等物質(zhì)進(jìn)入水體，而各類微生物利用并消耗水體中的氧氣去分解有機(jī)物，極大地降低了水中的溶解氧含量，最終致使水體被嚴(yán)重污染。由于現(xiàn)在農(nóng)作物的灌溉水源基本上都以地下水為主，所以保證地下水資源的清潔就顯得極其重要。目前地下水水質(zhì)主要是受殘留農(nóng)藥下滲、垃圾填埋等因素的影響，水質(zhì)逐漸變差。在對被污染的地下水開展治理的進(jìn)程中，受多種條件、因素的限制，采用傳統(tǒng)的處理方式很難產(chǎn)生令人滿意的效果。而微納米氣泡技術(shù)能夠很好的解決這一問題，由于其優(yōu)異的吸附能力，微小雜質(zhì)的表面會被附著上微納米氣泡，最終將其從水中去除掉。由于通入的微納米氣泡是以氧氣作為基底，因此當(dāng)其完全溶于水中時(shí)，作為基底的氧氣也會隨之溶于水中，能夠有效增加水中的溶解氧含量

，逐漸改善受污染水體的水質(zhì)，最終確保能夠得到清潔的灌溉水源。龐志研等對白云湖水利工程展開了全面的研究，其由1.05 km2的湖面以及4.7 km的引水渠道組成，湖區(qū)共計(jì)占地2.07 km2。經(jīng)調(diào)查研究顯示，工程中采用的曝氣方式為人工曝氣，同時(shí)微氣泡發(fā)生技術(shù)能夠有效地提高水體的氧含量［40］。因此，在改善地下水水況方面應(yīng)用微納米氣泡增氧技術(shù)，能夠有效地保證灌溉水源的清潔。

3.2.2 在果蔬作物生長過程中的應(yīng)用

在果蔬作物的生長進(jìn)程中引入微納米氣泡，主要是利用其能夠有效促進(jìn)生物活性的特點(diǎn)，微納米氣泡在果蔬作物生長過程中能夠起到提高葉片光合作用能力的效果，使得果實(shí)更加飽滿結(jié)實(shí)，同時(shí)減緩植物根莖及葉片的衰老速度。另外，微納米氣泡對生物體活性的促進(jìn)作用還表現(xiàn)在能夠促進(jìn)根系發(fā)育及根系對養(yǎng)分的吸收，增加了干物質(zhì)的積累［41］。種植業(yè)中，對于微納米氣泡促進(jìn)生物活性的研究主要是應(yīng)用在微納米氣泡增氧灌溉領(lǐng)域。加入以氧氣為基底的微納米氣泡混合液，可以提升土壤中的含氧量，微納米氣泡具有促進(jìn)微生物活性的特性，這能夠促使種子提前進(jìn)行萌發(fā)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)縮短發(fā)芽周期的效果。才碩等通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)，考察微納米氣泡對雙季節(jié)水稻的產(chǎn)量及水稻需水量的影響，與普通方式培養(yǎng)的雙季節(jié)水稻相比，在以氧氣為基底的微納米氣泡溶液中培植的雙季節(jié)水稻，其結(jié)實(shí)率以及有效麥穗數(shù)都有著明顯的增長，微納米氣泡對水稻的產(chǎn)量方面起到了明顯的促進(jìn)作用［42］。蔣程瑤等利用小白菜及生菜，就充氧微納米氣泡水和普通水對葉菜種子發(fā)芽的影響進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在相同的條件下，利用溶解氧量為45 mg／L的充氧微納米氣泡水處理之后的葉菜種子，其活力指數(shù)以及發(fā)芽勢、發(fā)芽率都要顯著高于用普通水處理的種子：生菜以及小白菜的活力指數(shù)提高了135%和130%；而發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別相應(yīng)提高了62%、25%、44%以及14%［43］。Park等的研究表明在相同溶解氧含量的前提下，放置于含有微納米氣泡的溶液中培育的蔬菜，其生長速度相比于在普通溶液中培育的蔬菜要快很多，由此可知，微納米氣泡在植物細(xì)胞的生理活動中能夠起到一些積極的影響［44］。

4 展望

微納米氣泡所展現(xiàn)出來的停留時(shí)間長、傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)刷新了人們過往對于氣泡的觀念，使得對于氣泡的應(yīng)用不再僅僅局限于強(qiáng)化溶氧效率等方面，更多的是對于微納米氣泡的潛在特性進(jìn)行更深層次地探索研究，使微納米氣泡在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛、深入。目前，微納米氣泡在水處理等相關(guān)方面的應(yīng)用較為成熟，但在類似種植、食品等相關(guān)領(lǐng)域中，微納米氣泡的應(yīng)用還處在初期階段。文章中所概述的其在凈化修復(fù)地下水中的應(yīng)用也僅僅是基本的應(yīng)用。雖然微納米氣泡在果蔬清洗、種植、金屬脫脂等方面的應(yīng)用還比較淺顯，但也都表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，顯示出更加廣闊的前景，諸如結(jié)合現(xiàn)存的清洗裝置能有效去除果蔬表面殘留的農(nóng)藥；相比于常規(guī)手段，微納米氣泡在出水文物的保護(hù)以及清洗除垢方面有著巨大的優(yōu)勢；依靠其較長的停留時(shí)間能有效去除金屬工件表面的油污和油脂等。

目前，運(yùn)用各種方法所生成的微納米氣泡，其實(shí)際尺寸還大都停留在微米級，所生成的納米級氣泡的數(shù)目仍然很少，而且受各種因素（例如：電解質(zhì)、pH、水溫、發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)和原理等）的制約，所產(chǎn)生的氣泡尺寸不均勻，穩(wěn)定性相對也較差。在未來的研究中可以結(jié)合微納米氣泡發(fā)生裝置，將穩(wěn)定生成一定量的納米級氣泡作為一個(gè)研究的重點(diǎn)。隨著人們對于微納米氣泡研究探索的不斷深化、科技的進(jìn)步發(fā)展，微納米氣泡制備技術(shù)的也會也來越成熟，制備的成本也將越來越低，微納米氣泡的應(yīng)用范圍也必定會越來越廣。

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Research progress of mechanism and application of micro and nanobubble

Wang Yonglei1，Wang Wenhao1，Dai Shasha2，et al.
（1.School of Municipal and Environment Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shan dong Rizhao Vocational and Technical College，Rizhao 276800，China）

Compared with the traditional treatment technology，micro-nano bubbles show good technical advantages and application prospects in the field of environmental pollution control，such as sewage treatment，groundwater soil and water environment restoration.The application ofmicro-nano bubbles in various fields in recent years has great significance for the development ofmicro-nano bubbles in the future.From the aspects of residence time，gas-liquid mass transfer rate，interfacial potential，free radicals production，specific surface area，etc，this paper expounds the characteristics of themicro-nano bubbles different from ordinary bubble，reviews the current research status of the technicalmechanism of and related equipment of different methods of micro-nano bubbles occurrence like gas-releasing method，dispersing air method，electrolysis method and gas float pump gas production method，and summarizes the application status，existing problems and prospects of micro-nano bubbles in water treatment area like water body oxygen increase，ozone strengthening，air float and biological activity strengthening and in planting industry area like irrigation water treatment and crop growth promotion.

micro nano bubble；occurrence principle；water treatment；oxygen increase

TU996

A

1673-7644（2017）05-0474-07

10.12077／sdjz.2017.05.011

2017-09-05

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2016EEM32）；住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃與北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心開放課題資助項(xiàng)目“基于藻污染湖庫水源凈化的共聚氣浮關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用研究”（2017）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2014-K5-026）；山東建筑大學(xué)博士基金項(xiàng)目 （XNBS1511）

王永磊（1977-），男，副教授，博士，主要從事水處理理論與技術(shù)等方面的研究.E-mail：wyl1016＠sdjzu.edu.cn［*

］

（學(xué)科責(zé)編：趙成龍）