微纳米曝气技术在黑臭水体治理中的研究及应用

陶昱明，王亦铭，丁 露，杨小丽

(1.南京市给排水工程设计院有限公司，江苏南京 210002；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189)

随着生活水平和工业水平的不断提高，部分生活污水、工业废水和生活垃圾未得到有效控制排放进入水体，产生大量污染物质，超出了水体的自净能力和环境容量。有机物在被氧化的过程中消耗了大量溶解氧，导致水体缺氧或厌氧。厌氧微生物在降解有机物的过程中产生氨气、硫化氢、甲烷等气体，并散发出气味。厌氧状态改变了底泥的氧化还原电位，底泥中的铁、锰被还原，并向上覆水体释放导致水体发黑[1-2]。

黑臭水体治理应优先采用控源截污措施，控制入河污染，再采取生态修复措施改善与提升水质，促进河道生态健康。控源截污是黑臭水体治理的前提和基础，但考虑到城市管理的多样性及地下管网的复杂性，无法短时间内实现彻底截污。人工曝气技术通过提高水体中溶解氧(DO)含量，增强好氧微生物代谢活性，加快了水体中污染物的氧化过程，具有见效快、对环境影响小等优点，已成为黑臭水体最常用的治理手段[3-4]。因此，曝气技术作为黑臭水体阶段性治理措施，以及后期生态修复措施，极具研究意义与应用前景。但是，传统曝气技术存在能耗大、氧利用效率低等缺陷，且曝气过程中若使用不当会引起底泥悬浮，导致水体二次污染。微纳米曝气技术是近年来取得突破性进展的新技术，产生的微纳米气泡具有粒径小、水中停留时间长、传质效果好等优点，引起了人们的广泛关注[5-6]。

目前，微纳米曝气技术在气浮、黑臭水体治理、地下水修复等领域有较多的应用，并取得了良好的效果，但尚未有研究系统性地阐述微纳米曝气技术对黑臭水体的治理效果和修复机理。本文调研了微纳米曝气技术在黑臭水体治理中的研究与应用，介绍了微纳米气泡的特性，阐述了微纳米曝气技术对水体污染物的去除效果，分析了该技术对黑臭水体的修复机理，并对微纳米曝气技术今后的研究重点予以展望。

1 微纳米气泡的特性

微纳米气泡指直径为200 nm～50 μm的气泡，与传统大气泡相比，微纳米气泡在水处理中的应用主要基于以下特性。首先，微纳米气泡的比表面积较大。Yoshida等[7]证实了比表面积是决定气泡吸附性能最重要的因素，微纳米气泡巨大的表面积赋予了其更强的吸附能力。其次，微纳米气泡在水中的停留时间比普通气泡长，这是因为微纳米气泡粒径较小，上升速度慢，可以在水中长时间停留。Tunrer[8]首次证明了半径为30 μm的微米气泡能在低黏度液体中稳定存在100 h，浓度高时可停留30 d。而且，微纳米气泡在上升过程中，半径不断减小，气泡内部压力不断增大。气泡周围溶解气体的量随气泡内部压力的增大而增大[9]。微纳米气泡不断收缩，最终溶解在水体中，使气体在水中的溶解度呈超饱和状态。由于微纳米气泡比普通气泡具有更大的比表面积和更长的停留时间，这些特性显著提高了其传质效率。再次，微纳米气泡界面ζ电位高，ζ电位在很大程度上决定了微纳米气泡界面的吸附性能[10]。同时，Li等[11]还发现，ζ电位值越高，气泡在水中的停留时间越长，这可能是由于微纳米气泡的双电层结构对气体扩散产生了阻力，降低了气泡的溶解速率。最后，微纳米气泡收缩和破裂时，气-液界面消失引起的剧烈变化会释放界面上高浓度的正负离子所积累的能量，从而产生大量的羟基自由基，羟基自由基的强氧化性可以降解水中的难降解污染物。Takahashi等[12]通过电子自旋共振谱证实了直径< 50 μm的微纳米气泡破裂会生成羟基自由基。如图1所示，传统大气泡快速上升到水面并破裂，而微纳米气泡在缓慢上升的过程中不断收缩，最终溶解在水中。表1对比了微纳米气泡与普通气泡的特性。

图1 微纳米气泡与大气泡示意图[12]Fig.1 Schematic Diagram of Micro-Nano Bubbles and Macro Bubbles[12]

2 微纳米曝气对黑臭水体污染物的去除效果

2.1 微纳米曝气对上覆水体污染物的去除效果

表1 微纳米气泡与普通气泡的比较Tab.1 Comparison between Micro-Nano Bubbles and Common Bubbles

表2 不同微纳米曝气技术对黑臭水体污染物的去除效果Tab.2 Removal Effect of Different Micro-Nano Aeration Technologies on Pollutants in Black-Odorous Waterbodies

2.2 微纳米曝气对底泥污染物的去除效果

从黑臭水体的成因来看，水体受污染底泥的内源释放是引起水体黑臭的重要原因之一。黑臭水体的缺氧环境极大地改变了泥水界面的化学及生物过程，同时加快了底泥向上覆水体释放氮、磷等营养盐的速率。微纳米气泡可扩散和渗透至底泥内部，有效提高了泥水界面溶解氧及底泥氧化还原电位，改善了微生物及底栖生物生境，因而对底泥污染物具有很好的去除效果。刘建林[29]将微纳米曝气与生物膜技术结合原位消减黑臭底泥，在无截污自然状态下，底泥厚度减少44%～58%，底泥含水率、有机质及有机碳均有一定程度的下降。Batagoda等[30]将臭氧纳米气泡与超声波技术相结合，对底泥中多环芳烃的去除率可达48.16%～91.83%。Wang等[31]利用氧纳米气泡改性矿物在水土界面进行新型曝气，底泥TP释放速率比对照组下降5.15 mg/(m2·d)，TN释放速率比对照组下降44.99 mg/(m2·d)，显著抑制了底泥中营养盐的释放。

3 微纳米曝气对黑臭水体的修复机理

微纳米曝气对黑臭水体的修复机理包括提高水体DO浓度、生成自由基促进污染物降解、增强好氧微生物活性和促进水生动植物生长等方面，如图2所示。

图2 微纳米曝气修复机理示意图Fig.2 Schematic Diagram of Micro-Nano Aeration Remediation Mechanism

3.1 微纳米曝气对黑臭水体的复氧效果

DO浓度是影响水体受污染程度的关键因素之一。本文选取了4组典型案例，对比了普通曝气与微纳米曝气在对黑臭水体复氧效果上的差异。由表3可知，当水体DO浓度相近时，微纳米曝气的曝气量仅为微孔曝气的1/10；当曝气量相同时，微纳米曝气装置DO浓度比普通曝气装置的DO浓度高出13.6%～50.9%。这主要是因为，普通曝气技术产生的气泡粒径较大，气泡快速上升至水面破裂消失，氧传质效率较低，溶氧效果差；微纳米曝气技术产生的气泡粒径小、停留时间长，能够和水体充分接触，溶氧效果好。

表3 微纳米曝气与普通曝气对黑臭水体的复氧效果Tab.3 Effect of Micro-Nano Aeration and Common Aeration on Reoxygenation of Black-Odorous Waterbodies

3.2 微纳米曝气产生自由基对污染物去除的影响

微纳米曝气技术主要通过提高黑臭水体DO浓度、刺激好氧微生物的活性实现水体污染物降解。微纳米气泡发生收缩和破裂的过程中，会产生大量羟基自由基[12,34]。羟基自由基能够将难降解有机物转化为更易降解的生物中间体，从而提高有机污染物的可生化性，并进一步加快污染物的降解效率[35]。Tasaki等[36]的研究表明，185 nm的紫外线照射可加快微气泡生成羟基自由基的速率，且可提高甲基橙的脱色率。Wang等[37]的研究发现，微纳米气泡破裂产生的羟基自由基可有效去除水中的亚甲基蓝，且O2含量与pH是影响自由基生成数量的关键因素。Li等[38]的研究发现，使用空气微纳米气泡产生的羟基自由基有效降解了废水中的苯酚，处理2 h后去除率达到60%。

3.3 微纳米曝气对微生物群落结构的影响

DO浓度是影响微生物群落结构的关键因素之一。微生物代谢过程会消耗水体中的DO，造成水生环境缺氧，导致厌氧微生物活性增强。作为水生态系统中的重要组成部分，微生物群落结构对水体的自净能力起到关键作用。微纳米曝气能显著提高水体的DO浓度，这有利于提高好氧微生物的生物量和活性。Sun等[39]发现，经过微纳米曝气-浸没式树脂浮床技术处理后，河流的微生物群落丰度减少了约50%，好氧微生物的丰度显著提升，这可能是由于微纳米曝气技术刺激了对污染物有降解作用的好氧微生物。Wu等[21]的研究发现，微纳米曝气技术改变微生物群落结构的方式是提高DO浓度和降解水体污染物，修复后，微生物丰度下降且好氧菌成为优势菌种。王硕等[40]对比了普通曝气和微纳米曝气2种曝气体系下水体和底泥内微生物群落结构的差异，发现微纳米气泡曝气组的微生物几乎全部为好氧微生物，而普通气泡曝气组的微生物群落内好氧微生物和厌氧微生物占比无明显差异。

3.4 微纳米曝气对水生动植物的影响

黑臭水体水动力条件差、营养盐含量高，会引起藻类迅速繁殖，导致水中DO浓度降低，水生生物大量死亡，进一步加剧水体黑臭现象。研究发现，微纳米曝气对藻类生长有抑制作用。黄磊等[41]探究了微纳米曝气技术的控藻效果，发现单独曝气组的TP、叶绿素a、藻总密度的削减率分别为49.6%、33.2%、35.3%。Li等[42]发现，微纳米气泡对铜绿微囊藻的生长有显著的抑制作用，用微气泡曝气处理10 min后，藻细胞密度和叶绿素a含量在72 h后分别降低了88%和94%；同时，电镜观察发现，藻细胞的结构均发生破损。王越等[32]对比了微气泡曝气与普通曝气对黑臭水体的修复效果，发现微气泡曝气装置中OD680在一周内迅速下降，并维持在较低水平。OD680为含藻液在680 nm波长处的吸光值, 可以间接反映藻细胞的数量，这说明微纳米曝气可有效去除藻类并抑制藻类繁殖。

活性氧(ROS)过去一直被视为有害的代谢产物，但近年来研究人员发现了ROS作为细胞信号通路重要生理调节剂的新作用。作为植物的代谢副产物，适当水平的ROS对植物生长起到积极作用。微纳米气泡可在存在动态刺激的情况下生成外源性ROS，适量浓度的ROS能够促进植物的生长。Liu等[43]研究了纳米气泡水在种子萌发过程中外源性ROS的作用，发现大麦种子浸入纳米气泡水中17 h后，种子的平均发芽率为58%，是蒸馏水的2倍。Liu等[44]发现，菠菜种子在蒸馏水、20%纳米气泡水和100%纳米气泡水中的最终发芽率分别为54%、65%和69%，说明纳米气泡水可提升菠菜种子的发芽率。Park等[45]在水培培养系统中注入微米气泡培养生菜，发现微米气泡系统中生菜的鲜重和干重分别是经普通气泡处理的2.1倍和1.7倍。

微纳米气泡对水生动物的生长也有一定的促进作用。Ebina等[46]的研究发现，使用纳米气泡水养殖香鱼，能够显著提高香鱼的生长速度，正常养殖的香鱼体重从3.0 kg增加至6.4 kg，而纳米气泡水养殖的香鱼体重从3.0 kg增加至10.2 kg。李娟[47]发现，经过微纳米气泡养殖5个月后的牡蛎，体积明显大于正常养殖2年的牡蛎。因此，微纳米曝气技术通过抑制藻类繁殖、促进水生动植物的生长，重构水生生态，可恢复水体的自净能力。

4 结论与展望

微纳米气泡具有比表面积大、停留时间长、氧传质效率高等众多优点，能够实现水体高效、持久复氧，提高水体中好氧微生物的活性，加快水体污染物降解。同时，微纳米曝气还可抑制黑臭水体底泥内源污染的释放，改善微生物及底栖生物生境，促进底泥微生态系统的恢复。因此，微纳米曝气技术具有较好的研究意义和应用前景。针对微纳米曝气在黑臭水体治理研究现状，提出以下展望。

(1)开发微纳米曝气耦合生物-生态集成技术。单独微纳米曝气存在能耗与去除效率不匹配的问题，生物-生态技术在黑臭水体原位修复过程中具有环境友好、生态节能的特点，耦合微纳米曝气在降低能耗、提升去除效率的同时，保证了黑臭水体持续性生态化治理效果。

(2)加强微纳米气泡产生自由基对黑臭水体污染物的降解效果及机理研究。微纳米气泡破裂时会产生自由基，自由基能够促进水体中的污染物降解，并提高其可生化性，但现有研究对自由基在水体污染物去除中的贡献尚未定论。

(3)开展示范工程，考察微纳米曝气在实际黑臭水体中的长期运行效果及改善底泥微生境的作用机理。目前，已有研究证实微纳米曝气技术对微生物及水生动植物的生长有促进作用，但大部分停留在实验室阶段，且将水生系统各部分割裂研究，缺乏在实际水生生态系统中微生物与水生动植物的协同作用效果及机理研究。