微納米氣泡技術特性及工業廢水處理中的應用
更新時間：2011-03-31 09:50
來源：國家環境保護膜分離工程技術中心
作者: 馬駿 楊昆 李江 陳斌
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1.技術背景
長期以來，我國由于對水污染問題缺乏系統性、協同性和創新性的科學研究，水污染控制的技術支撐相對薄弱，因而導致水污染日趨嚴重的態勢尚未得到根本扭轉。未來5～15年，甚至更長時間內，伴隨我國經濟社會的高速發展，水資源與水環境質量仍然是制約與脅迫我國經濟社會發展的重大瓶頸。因此，盡快利用創新性的實用技術手段，力求從根源上徹底治理污染，還原水域的標準水質，并能夠長期維護水域水質潔凈狀態，是保護人類生存健康安全的重要課題。
自然界的水域都有一定程度的自凈能力，這種自凈能力來源于水中微生物的活動,如果水中缺氧，厭氧微生物處于活躍狀態，水域通常處于嚴重污染中。 但是，當進入水域中的污染物總量超過水中溶解氧含量的自凈能力時，水中的溶解氧含量在氧化分解部分污染物后被消耗光，剩余的污染物由于微生物在貧氧狀態下的還原性分解作用，會產生硫化氫、氨氣等令大多數海陸生物致命的毒性氣體，通常會導致魚類、貝類等生物大批死亡；同時造成水體中的氨氮含量增大超標及重金屬類（如錳、鐵等）析出等嚴重影響生態環境的后果，同時由于深層水體的弱流動性，水分子與水中的各種生物的代謝產物結合成為龐大的聚合分子團，在這種聚合分子團中，水分子與水中的污染物帶電粒子通過吸附方式緊密結合，隨污染物質在貧氧狀態下的還原性分解產物的增多又反過來加強了這種結合，致使這種龐大的聚合分子團在水域中擴大，由于這種結合相對穩定，即使采用強制曝氣、通入氧氣手段也無法使水中溶解氧擴散到全體水域，最終導致整個水域喪失吸收氧的能力，水域的自凈能力徹底消失，使之成為“死水”，并出現水華（赤潮、青潮）、水體變黑變臭等現象，在污水處理的生化反應過程中也不同程度的存在同樣的問題，對環境及衛生安全造成了嚴重的影響。
2.技術特點
旋回式氣液混合型微納米氣泡發生技術是按照流體力學計算為依據進行結構設計的發生器（左圖），在進入發生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉，并在發生器的中部形成負壓軸，利用負壓軸的吸力可將液體中混合的氣體或者外部接入的氣體集中到負壓軸上，當高速旋轉的液體和氣體在適當的壓力下從特別設計的噴射口噴出時，由于噴口處混合氣液的超高的旋轉速度與氣液密度比（1：1000）的力學上的相乘效果，在氣液接觸界面間產生高速強力的剪切及高頻率的壓力變動，形成人造極端條件，在這種條件下生成大量微米、納米級氣泡的同時具有打碎聚合分子團，形成小分子團活性水的效果，并能夠將小部分水分子電離分解，可以在微納米氣泡空間中產生活性氧、氧離子、氫離子和氫氧離子等自由基離子，尤其氫氧自由基有超高的還原電位，具有超強氧化效果可以分解水中正常條件下也難以分解的污染物，實現水質的凈化。微納米氣泡在水中的溶解率超過85%，溶解氧濃度可以達到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長時間（上升速度6cm/分鐘）存留在水中，可以隨著溶解氧的消耗不斷地向水中補充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強氧化性離子團，并保證了活性氧充足的反應時間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠遠高于自然條件下的自凈能力。
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微納米氣泡的特性
微納米氣泡具有上升速度慢的效果。氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。
微納米氣泡具有自身增壓的效果。通常微納米氣泡內部的壓力遠遠大于外界液體的壓力，可以將更多的氣泡內的氣體溶解到水中，并伴隨有自身溶解消失的現象。
相對于微納米氣泡的體積，其比表面積非常大，具有超常的氣體溶解能力。直徑10微米的氣泡同直徑1mm的氣泡相比，考慮氣泡內部壓力及比表面積的效果，前者的氣體溶解能力為后者的100倍，如果考慮氣泡的上升速度的影響，理論上有20萬倍的氣體溶解能力。
表面帶電的特性等，微納米氣泡的表面帶有負電荷，對水中污染物或懸浮物的吸附效果顯著,并產生大量氫氧自由基,具有增強氧化的效果。
目前的一些實驗表明，微納米氣泡有別于一般氣泡，它自身有刺激促進生物成長的特性。但又有別于一般的氣體溶解水，比如碳酸水、氨水這些屬于利用氣體溶解改變水的物理化學特性的所產生的氣體機能水，表現出更強的功能性。另外，微米、納米氣泡本身極小，具有眾所周知的超強的氣體溶解效果之外，其氣泡的衰減期也非常低，即，微米，納米氣泡可以長時間滯留于水中的特點，可以邊消耗邊補充水中氧氣或其他參與反應的氣體，具有緩釋效果，氣泡中承載的氧氣、臭氧等氣體在水中可以被充分利用。
3 微納米曝氣裝置性能參數
3.1微納米氣泡直徑分布數據（部分）
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測定結果：本裝置生成的微納米氣泡水中90%以上的氣泡直徑分布在35微米以內，均值30微米
3.2 微納米氣泡技術與傳統曝氣設備（穿孔管，曝氣頭）的充氧效果比較
下方兩圖分別為本項目的微納米氣泡技術與傳統的曝氣設備的充氧效率及氣泡比表面積、物質移動系數的比較實驗結果。由圖所示，微納米氣泡的氧氣溶解速度比通常的氣泡大，并且可以看到微納米氣泡物質移動系數為傳統曝氣設備的10倍以上。
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微納米氣泡發生技術及其比較
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名稱
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原理
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特點
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利用范圍
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同類產品及廠家
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高速旋回剪切+加壓浮上式
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以加壓泵或溶氣罐先將部分氣體溶解于水中，并通過旋回剪切式微納米氣泡發生器來產生微納米氣泡
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1. 動力效率及氣體溶解效率高
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水體供氧，化工，污水處理，殺菌，生態農業等
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我公司生產產品
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2. 出水含氧量高，可達到超飽和狀態
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3. 適用無水深限制
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4. 氣泡直徑：0-50um
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5. 氧氣利用率：100%
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6. 對水體無擾動，不產生上升流。
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亂流剪切式
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以氣液混合高速射流的方式，將空壓機注入或自吸進入的空氣通過氣液間亂流紊動產生的力學效果，將水中氣泡微小化。
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1. 動力效率及氣體溶解效率高
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水體供氧，污水處理，化工
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マザーウオーターシステム?株式會社?間瀨コンサルタント
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2.結構簡單，造價低
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?低圧微細気泡発生裝器?株式會社 森機械製作所
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3.適用有水深限制
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?高圧微細気泡発生裝器?株式會社 森機械製作所
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4.氣泡直徑：10-80um
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?バブルタンク?有限會社 バブルタンクイケダ商會
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5. 氧氣利用率：40%
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6. 對水體擾動小，有少量上升流
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加壓浮上式
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在壓力條件下將氣體充分溶解于水中，再通過減壓后將溶于水中的氣體以微納米氣泡的方式釋放出來
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1. 氣體溶解效率高
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固液的浮選分離，水體供氧，
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?HMA工法?アイサワ工業株式會社?エコテックマルソル株式會社
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2. 出水含氧量高，可達到超飽和狀態
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水處理，
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?YE型酸素溶解裝置?ヤマエCorp?共同組合エペック
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3.適用無水深限制
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? THA河川湖沼浄化システム?ヤマエCorp?共同組合エペック
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4.氣泡直徑：0-50um
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? NACシステム?サワテック株式會社?アーサーカンド株式會社
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5.氧氣利用率：100%
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?アサヒ AV泡沫分離裝置?アサヒ有機材工業株式會社
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6.對水體無擾動，不產生上升流。
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?ミクロパワーS?鈴木産業株式會社
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?シルク風呂?超微細気泡風呂?資源開発株式會社
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?ガスリッチ?株式會社 ニクニ
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?ナノマジック?有限會社シーエーティー
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?ミクロパワーS?鈴木産業 株式會社
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化學法
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通過投入化學藥品，利用其化合反應生成微納米氣泡
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應用案例較少，無比較。
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特定種類污染處理，如土壤污染等
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?気泡連行法?株式會社 高陽社
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電解法
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利用水或其他物質電解產生微納米氣泡
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1. 能耗較大，產生氣泡濃度低。
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教育科研實驗，氣浮設備
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2.無需外加氣源
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3.氣泡直徑不均勻
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4.可同時生成2種類氣體的氣泡
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超聲波法
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在水中發生強力超聲波，利用其音強引起的壓力變動產生微納米氣泡
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流通型反応器( (株 )本多電子製)
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4.工業廢水處理上的應用:
利用微納米氣泡的超強的氣體溶解能力可以用于設計新型MBR的曝氣系統及各種高濃度化工廢水處理設備的開發。
例1,在日本宮城縣的某食品加工廠,日排水量在200-300t/日,COD為2500-2800mg/L,SS為300-400mg/L,水中油份(N-H)約為800mg/L,采用臭氧微納米氣泡曝氣法處理后，BOD及COD均下降至10mg/L以下，出水水質透明，接近清水。與原來的活性污泥法相比，污泥產量降低，并且減少了臭氣產生，雖然增加了臭氧發生器的電量消耗，但由于微納米氣泡的臭氧利用率提高（80%以上），與減少的污泥處理量的處理成本相比，仍具有相當大的優勢。
例2，在制造纖維的含有PVA的化工排水處理中，由于自身PVA難分解的化學品，直接使用生物法處理也比較困難。通常利用鐵粉和過氧化水的芬頓法來進行處理，處理成本高，并且生成的污泥中含有大量鐵，不利于后續處理，在實驗室中將PVA加入蒸餾水同時使用微納米氣泡進行曝氣，經2小時后測得TOC去除量為30%以上，利用工廠的原水（TOC為1200mg）進行微納米氣泡曝氣實驗，經40小時后可將TOC降至原水的1/10，并且，可通過增大臭氧的濃度來縮短處理時間。
臭氧微納米氣泡+紫外光的高級氧化技術及裝置
該設備采用微納米氣泡發生器系列中的F.BT-50S，利用水泵壓力輸送廢水原水到設置在低壓罐體內，利用該發生器的負壓自吸效果吸入臭氧，由于在壓力環境下進行臭氧的溶解，可提高處理水中臭氧的溶解濃度，并由于生成的臭氧水中存在的臭氧的微納米氣泡具有緩釋效果，可以延長臭氧在水中的留存時間，提高臭氧的利用率達80%以上，而普通的該類產品的臭氧利用率僅為30%-40%，可降低運行成本50%以上。另外，結合本身具有強氧化性臭氧與紫外光之間的協同作用可顯著地加快有機物的降解速率，大大降低其COD和BOD的含量。當臭氧被光照時，首先產生游離氧O•，O•與水反應生成•OH。UV輻射除了可誘發•OH產生外，還能產生其他激態物質和自由基，加速鏈反應，而這些激態物質和自由基在單一的臭氧氧化過程中是不會產生的。在中性或堿性溶液中，O3/UV過程產生較少的過氧化氫和較多的自由基•OH。有紫外光照射時反應速率可比無紫外光照射時提高了3-5倍。同時利用微納米氣泡在水中緩釋效果利用臭氧微納米氣泡結合紫外光的方法是一種高效的高級氧化處理方法，能夠迅速、低成本地將化工廠排水中含有的難分解的物質氧化分解成為可以被微生物利用的營養物質，有助于提高后續的生物處理的效率。
特點：
a)產生大量非常活潑的HO•自由基，其氧化能力（2.80V）僅次于氟(2.87V)，HO•自由基是反應的中間產物，可誘發后面的鏈反應，HO•自由基的電子親合能為569.3KJ，可將飽和烴中的H拉出來，形成有機物的自身氧化，從而使有機物得以降解，這是各類氧化劑單獨使用都不能做到的；
b)反應速度快，多數有機物與羥基自由基的氧化速率常數可達106—109M-1S-1；
c)HO•自由基無選擇直接與廢水中的自由基反應將其降解為二氧化碳、水和無機鹽，不會產生二次污染；
d)由于它是一種物理-化學處理過程，反應條件溫和，通常對溫度和壓力無要求，很容易加以控制，以滿足處理需要，甚至可以降解10-9級的污染物；
e) 同時，它既可作為單獨處理，又可以與其它處理過程相匹配，如作為生化處理的前、后處理，可降低處理成本；
臭氧、紫外線、微納米氣泡的協同作用，單獨處理時，可對高難度的有機廢水起到強氧化作用，對廢水的COD、色度等進行降解；也可作為廢水的預處理和深度處理，其處理后的廢水更容易生化處理或其它的物化絮凝處理，在廢水的中水回用和達標排放都有很好的作用。可以廣泛用于：制藥化工廢水、垃圾滲透液、食品及皮革廢水等的預處理和深度處理，油田灌注水、工業冷卻循環水的消毒滅菌的處理。作為廢水的預處理將極大改善后段處理如：生化處理、絮凝沉淀處理的效果，作為深度處理可以提高廢水排放、中水回用等指標。
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