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微納米氣泡引起的羥基自由基還原性高，給飲用水消毒和液體表面清潔帶來很大潛力。許多使用案例也證實(shí)了該技術(shù)的有效殺菌和成本低廉。Sumikura等24研究了活性氧微納米氣泡對(duì)大腸埃菌的消毒殺菌作用，獲得了活性氧的消毒殺菌效果。微微納米氣泡產(chǎn)生的振波是導(dǎo)致?大腸埃希菌降解的主要因素。Chen等25產(chǎn)品開發(fā)了一套活性氧微納米氣泡發(fā)生裝置，用于淋浴消毒，避免病原菌生長(zhǎng)，應(yīng)用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)超聲波振動(dòng)法。Broekman等26研究發(fā)現(xiàn)，微納米氣泡在高頻節(jié)能超音波應(yīng)用中可以有效消除附著在固體化學(xué)物質(zhì)表面的細(xì)菌和藻類。Tian等27科學(xué)研究了微納米氣泡對(duì)陶氏反滲透膜積垢的清洗效果，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)曝氣清洗效果優(yōu)于空隙式。
氧在水質(zhì)中的傳遞是通過氣體和廢水中的O2濃度梯度將O2從致密氣體遷移到低密度廢水中，因此O2濃度梯度和接觸范圍確定了曝氣的實(shí)際效果。在O2濃度梯度不變的標(biāo)準(zhǔn)下，氣水接觸總面積是決定曝氣實(shí)際效果的主要因素。
微納米氣泡技術(shù)合理解決了水質(zhì)中氣泡接觸總面積的問題。根本原因是微納米氣泡的面積可以合理擴(kuò)大。例如，0.1cm的大氣泡可以分散成100nm的微氣泡，其面積可以擴(kuò)大1萬倍，從而進(jìn)一步提高溶解氧的率。同時(shí)，由于氣泡細(xì)小，氣浮機(jī)性能，可長(zhǎng)期停留在污水處理中，從而達(dá)到良好曝氣實(shí)際效果的目的。
由于微納米氣泡發(fā)生裝置的原理和氣泡尺寸與基本曝氣設(shè)備有很大不同，因此該設(shè)備形成的微納米氣泡具有以下特性。
水解狀況:水中汽體的溶解性受壓力危害大于(1)，但電解質(zhì)溶液的離子化水可以在融入的微納米氣泡表面產(chǎn)生兩層電離子，并隨著面積的不斷減小而大幅收攏，可以抑制氣泡中汽體的釋放，進(jìn)一步提高溶解度。
(2)超聲波:微納米氣泡因能量高而開裂，具有很強(qiáng)的作用。
(3)通電性:微納米氣泡表面含有負(fù)電，很難將氣泡融為一體，在水質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生非常茂密細(xì)致的氣泡，不容易像基本氣泡一樣結(jié)合膨脹開裂。微納米氣泡的表面電位差一般為-30~-50mV，能吸收水質(zhì)中含有正電荷的化學(xué)物質(zhì)。利用表面正電荷對(duì)水質(zhì)顆粒的吸附，可以固定和分離水質(zhì)中的有機(jī)化學(xué)懸浮固體。因此，該技術(shù)在提高溶氧的同時(shí)，也具有一定的水處理實(shí)際效果。
(4)停留性:微納米氣泡在水質(zhì)上升得很慢，像香煙一樣彌漫在水中。比如10prn氣泡以100m/s的速度升高，在水質(zhì)上升高1m需要3小時(shí)，所以微納米氣泡會(huì)在水中停留很長(zhǎng)時(shí)間。這一特點(diǎn)也是其融解效率相對(duì)較高的關(guān)鍵。這種停留的形成不僅與氣泡細(xì)水的浮力降低有關(guān)，還與其電荷有關(guān)。如果選擇電極進(jìn)行觀察，隨著電級(jí)的變化，可以看到小氣泡的正負(fù)極健身運(yùn)動(dòng)和Z型的緩慢上升。
改變微納米曝氣器的通氣量，隨空氣流量的增加，氧傳質(zhì)系數(shù)(Km)逐漸增大。標(biāo)準(zhǔn)氧傳質(zhì)效率(SOTE)隨曝氣量的增大而降低。結(jié)果表明，水溫度對(duì)KLa和SOTE均有顯著影響，隨溫度升高，PH升高先降后升，在pH=7.2時(shí)達(dá)到小。隨著NHQ的增加，曝氣組比例降低，且隨濁度增加而增加。SOTE值隨溫度的升高而增大，與微孔曝氣組的趨勢(shì)一致，但其值小于微納米曝氣組。與SOTE相比，微納米曝氣比SOTE對(duì)通氣量的變化更為敏感。
微米級(jí)曝氣在日本的應(yīng)用較早，不僅用于工業(yè)廢水、河流治理，還用于養(yǎng)殖.畜牧.食品工業(yè)等行業(yè)，在河道及湖泊凈化等方面的研究與應(yīng)用，已有70多個(gè)研究和應(yīng)用案例。2008年，Shaip公司將微納米曝氣技術(shù)與微生物技術(shù)相結(jié)合，處理一家日流量在200m3左右的污水廠，取得了良好的效果，使TN去除率達(dá)到90%以上。
我國(guó)對(duì)微納米曝氣技術(shù)的研究起步較晚，但隨著其技術(shù)交流和應(yīng)用的不斷開放，微納米級(jí)曝氣已逐漸應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一些項(xiàng)目，并取得了良好的治理效果。
曝氣技術(shù)的相關(guān)科學(xué)研究在已經(jīng)進(jìn)行了40多年，投資小，效果好。5o曝氣技術(shù)廣泛應(yīng)用于的水污染治理中，作為水質(zhì)原點(diǎn)的修復(fù)技術(shù)。根據(jù)缺乏自凈能力的水污染治理，曝氣加氧可以修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)凈化6o溶氧進(jìn)入水質(zhì)，可以氧化發(fā)臭化學(xué)物質(zhì)，合理緩解或減少黑臭。水質(zhì)中溶解氧水平的提高可以鈍化處理污泥，抑制污泥中高錳酸鹽指數(shù)和磷的釋放，空氣氧化或溶解表面污泥中的恢復(fù)化合物，從而在表面堆積物表面產(chǎn)生以兼性細(xì)菌為主導(dǎo)的自然環(huán)境，促進(jìn)好氧細(xì)菌的繁殖，抑制厭氧發(fā)酵微生物菌種和好氧溶解水環(huán)境中的有機(jī)化合物。曝氣復(fù)氧了水環(huán)境中有氧的自然環(huán)境，提高了水質(zhì)中細(xì)菌的數(shù)量和活力，從而促進(jìn)了微生物菌種對(duì)受損成分的攝入，減輕了環(huán)境污染負(fù)荷，有利于建立細(xì)菌和藻類相互依存管理體系7o。
新開發(fā)的微納米曝氣充氧設(shè)備是指比較其他微納米曝氣充氧設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。科學(xué)研究新型微納米曝氣充氧設(shè)備的功能測(cè)試，獲得新型微納米曝氣充氧設(shè)備的性能參數(shù)，并與市場(chǎng)上曝氣設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較。對(duì)新型微納米曝氣充氧設(shè)備的河段進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得內(nèi)部河段的工作壓力、流速、相同的實(shí)際標(biāo)值變化，并分析其原因，為事后的改進(jìn)提供基本的理論支持點(diǎn)。模擬計(jì)算可以降低經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)約原材料，穩(wěn)定性大。利用新型微納米曝氣充氧設(shè)備和曝氣盤曝氣設(shè)備，對(duì)水污染控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究，比較兩種設(shè)備對(duì)污染物的污泥負(fù)荷，分析水質(zhì)中細(xì)菌的變化。后，根據(jù)基本建設(shè)示范項(xiàng)目，分析示范項(xiàng)目中設(shè)備系統(tǒng)軟件的建設(shè)成本，比較其他水污染處理方法的成本，確保新型微納米曝氣充氧設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。后對(duì)試驗(yàn)探究的效果進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)下一步的分析進(jìn)行展望。新型微納米曝氣設(shè)備與SBR系統(tǒng)軟件緊密結(jié)合仿真模擬解決水污染控制，不僅充分發(fā)揮微納米曝氣設(shè)備激光切割優(yōu)化和高溶解氧優(yōu)勢(shì)，還具有SBR系統(tǒng)軟件間歇曝氣降低運(yùn)行成本，實(shí)驗(yàn)效果，為曝氣設(shè)備的應(yīng)用和推廣提供基本理論支持。
采用微納米氣泡曝氣技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行藻類控制，項(xiàng)目分三期基本建設(shè)，總曝氣面積14.5hm2。微納米技術(shù)工程噸污水處理費(fèi)用約為0.02元/m3，合理性優(yōu)良。圍隔實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，圍隔內(nèi)的溫度范圍為21.5。26.1。隔離試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，三個(gè)微納米曝氣組的溶解氧濃度值在12.4mg/L左右，而空缺對(duì)照試驗(yàn)的溶解氧濃度值為8.7mg/L，與曝氣組誤差較大，達(dá)到3.7mg/L，顯示了微納米曝氣的實(shí)際充氧效果。曝氣組高錳酸鹽指數(shù)的大污泥負(fù)荷來自曝氣生物菌種組，達(dá)到50%，比立曝氣組高19.8%?？偭缀涂扇芑盍α椎拇笪勰嘭?fù)荷來自曝氣+鎖磷劑組，各達(dá)70.3%和50%。曝氣生物菌種組對(duì)葉綠素A的大污泥負(fù)荷為70.2%，比立曝氣組增加33.5%，藻類總進(jìn)化率的大污泥負(fù)荷為78.9%，比立曝氣組增加13.9%，藍(lán)藻減少率為86.8%。
微納米曝氣組成微生物菌種技術(shù)改善水利樞紐水質(zhì)?？茖W(xué)研究結(jié)果表明，在實(shí)施微納米曝氣的幾年內(nèi)，曝氣區(qū)表面溶氧平均值為9.5mg/L，而非曝氣區(qū)為8.7mg/L。在底層水質(zhì)中，曝氣區(qū)平均值為8.8mg/L，非曝氣區(qū)平均值為7.8mg/Lo。2018年溶氧平均值為8.9mg/L，2019年升至9.6mg/L。水利樞紐pH值變化區(qū)域?yàn)?.04~8.61o，水質(zhì)清晰度從上下游水質(zhì)清晰度不到1m，再到曝氣區(qū)域?yàn)?m1.5m。2018年清晰度平均值為1m，2019年清晰度平均值提高到1.1m。水利樞紐上下游非曝氣區(qū)高錳酸鹽指數(shù)均為1.06mg/L；曝氣區(qū)二期和中下游高錳酸鹽指數(shù)均為0.92mg/L；2018年曝氣區(qū)一、三期高錳酸鹽指數(shù)均為0.88mg/Lo，2019年降至0.94mg/L。水利樞紐上下游非曝氣區(qū)總磷值為0.57mg/L，曝氣區(qū)二期和中下游總磷值為0.039mg/L；曝氣區(qū)一、三期總磷值為0.033mg/L。2018年總磷濃度值平均值為0.044mg/L，2019年總磷濃度值平均值降至0.042mg/Lo水利樞紐上下游非曝氣區(qū)可溶活力磷平均值為0.010mg/L；曝氣區(qū)二期和中下游可溶活力磷平均值為0.008mg/L；2018年曝氣區(qū)一、三期可溶活力磷平均值為0.007mg/L，2019年SRP平均值為0.008mg/L。水利樞紐上下游非曝氣區(qū)葉綠素a均值為8.27ugL；曝氣區(qū)二期和中下游葉綠素a均值為6.17ug/L；曝氣區(qū)一、三期葉綠素a均值為4.30ug/L。2018年葉綠素a總平均值為6.45ug/L，2019年總平均值降至6.04ug/L。曝氣區(qū)二期藻類總產(chǎn)量減少率為22.1%；曝氣區(qū)一、三期藻類總產(chǎn)量減少率為34.5%，春季藻類總產(chǎn)量減少率為27.1%；夏季藻類總產(chǎn)量減少率為31.9%；冬季藻類總產(chǎn)量減少率為25.9%。夏季藻類植物總產(chǎn)量較高，因此減少率也較高，其次是春季和冬季。藻類總產(chǎn)量的平均減少率為28.3%，藍(lán)藻的平均減少率為33.9%，藻類的平均減少率為34.4%，硅藻泥的平均減少率為18.7%o微納米曝氣成分。微生物菌種技術(shù)對(duì)不同類型的藻類有一定的減少作用。2018年藻類總進(jìn)化率平均為7.2x106cels/L，2019年藻類總進(jìn)化率平均降至7.1*106cels/L。
微納米氣泡的關(guān)鍵特點(diǎn)如下：
(I)
微納米氣泡體積比一般氣泡小很多，水的浮力也小，所以上升緩慢，納米氣泡在上升過程中會(huì)繼續(xù)收攏，終在水中融化消退。汪敏剛等I38對(duì)微納米氣泡為人眼所見的乳白色出現(xiàn)時(shí)間(關(guān)鍵以微米氣泡為主)進(jìn)行了反復(fù)準(zhǔn)確測(cè)量求平均值的科學(xué)研究，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示微納米氣泡在水中的懸浮時(shí)間為5分鐘左右。
(I)
微納米氣泡頁面會(huì)吸引帶負(fù)電的正離子(如OH-)，產(chǎn)生表面正電荷的正離子層；空氣負(fù)離子會(huì)吸引帶正電的正離子(如H+)，在表面正電荷的正離子層周圍產(chǎn)生正電荷，這也是微納米氣泡頁面的雙電層結(jié)構(gòu)39，如圖0-2所示。雙電層促進(jìn)氣泡之間的排斥，使氣泡無法相互結(jié)合，氣泡在溶液中的均勻分布40o雙電層正電荷引起的電位差。Z電位差越高，吸附功能越高。
