微纳米气泡技术特性及工业废水处理中的应用
更新时间：2011-03-31 09:50
来源：国家环境保护膜分离工程技术中心
作者: 马骏 杨昆 李江 陈斌
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1.技术背景
长期以来，我国由于对水污染问题缺乏系统性、协同性和创新性的科学研究，水污染控制的技术支撑相对薄弱，因而导致水污染日趋严重的态势尚未得到根本扭转。未来5～15年，甚至更长时间内，伴随我国经济社会的高速发展，水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重大瓶颈。因此，尽快利用创新性的实用技术手段，力求从根源上彻底治理污染，还原水域的标准水质，并能够长期维护水域水质洁净状态，是保护人类生存健康安全的重要课题。
自然界的水域都有一定程度的自净能力，这种自净能力来源于水中微生物的活动,如果水中缺氧，厌氧微生物处于活跃状态，水域通常处于严重污染中。 但是，当进入水域中的污染物总量超过水中溶解氧含量的自净能力时，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贫氧状态下的还原性分解作用，会产生硫化氢、氨气等令大多数海陆生物致命的毒性气体，通常会导致鱼类、贝类等生物大批死亡；同时造成水体中的氨氮含量增大超标及重金属类（如锰、铁等）析出等严重影响生态环境的后果，同时由于深层水体的弱流动性，水分子与水中的各种生物的代谢产物结合成为庞大的聚合分子团，在这种聚合分子团中，水分子与水中的污染物带电粒子通过吸附方式紧密结合，随污染物质在贫氧状态下的还原性分解产物的增多又反过来加强了这种结合，致使这种庞大的聚合分子团在水域中扩大，由于这种结合相对稳定，即使采用强制曝气、通入氧气手段也无法使水中溶解氧扩散到全体水域，最终导致整个水域丧失吸收氧的能力，水域的自净能力彻底消失，使之成为“死水”，并出现水华（赤潮、青潮）、水体变黑变臭等现象，在污水处理的生化反应过程中也不同程度的存在同样的问题，对环境及卫生安全造成了严重的影响。
2.技术特点
旋回式气液混合型微纳米气泡发生技术是按照流体力学计算为依据进行结构设计的发生器（左图），在进入发生器的气液混合流体在压力作用下高速旋转，并在发生器的中部形成负压轴，利用负压轴的吸力可将液体中混合的气体或者外部接入的气体集中到负压轴上，当高速旋转的液体和气体在适当的压力下从特别设计的喷射口喷出时，由于喷口处混合气液的超高的旋转速度与气液密度比（1：1000）的力学上的相乘效果，在气液接触界面间产生高速强力的剪切及高频率的压力变动，形成人造极端条件，在这种条件下生成大量微米、纳米级气泡的同时具有打碎聚合分子团，形成小分子团活性水的效果，并能够将小部分水分子电离分解，可以在微纳米气泡空间中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子，尤其氢氧自由基有超高的还原电位，具有超强氧化效果可以分解水中正常条件下也难以分解的污染物，实现水质的净化。微纳米气泡在水中的溶解率超过85%，溶解氧浓度可以达到饱和浓度以上，并且微纳米气泡是以气泡的方式长时间（上升速度6cm/分钟）存留在水中，可以随着溶解氧的消耗不断地向水中补充活性氧，为处理污水的微生物提供了充足的活性氧、强氧化性离子团，并保证了活性氧充足的反应时间，由微纳米气泡处理过的水的净化能力远远高于自然条件下的自净能力。
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微纳米气泡的特性
微纳米气泡具有上升速度慢的效果。气泡直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000。
微纳米气泡具有自身增压的效果。通常微纳米气泡内部的压力远远大于外界液体的压力，可以将更多的气泡内的气体溶解到水中，并伴随有自身溶解消失的现象。
相对于微纳米气泡的体积，其比表面积非常大，具有超常的气体溶解能力。直径10微米的气泡同直径1mm的气泡相比，考虑气泡内部压力及比表面积的效果，前者的气体溶解能力为后者的100倍，如果考虑气泡的上升速度的影响，理论上有20万倍的气体溶解能力。
表面带电的特性等，微纳米气泡的表面带有负电荷，对水中污染物或悬浮物的吸附效果显著,并产生大量氢氧自由基,具有增强氧化的效果。
目前的一些实验表明，微纳米气泡有别于一般气泡，它自身有刺激促进生物成长的特性。但又有别于一般的气体溶解水，比如碳酸水、氨水这些属于利用气体溶解改变水的物理化学特性的所产生的气体机能水，表现出更强的功能性。另外，微米、纳米气泡本身极小，具有众所周知的超强的气体溶解效果之外，其气泡的衰减期也非常低，即，微米，纳米气泡可以长时间滞留于水中的特点，可以边消耗边补充水中氧气或其他参与反应的气体，具有缓释效果，气泡中承载的氧气、臭氧等气体在水中可以被充分利用。
3 微纳米曝气装置性能参数
3.1微纳米气泡直径分布数据（部分）
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测定结果：本装置生成的微纳米气泡水中90%以上的气泡直径分布在35微米以内，均值30微米
3.2 微纳米气泡技术与传统曝气设备（穿孔管，曝气头）的充氧效果比较
下方两图分别为本项目的微纳米气泡技术与传统的曝气设备的充氧效率及气泡比表面积、物质移动系数的比较实验结果。由图所示，微纳米气泡的氧气溶解速度比通常的气泡大，并且可以看到微纳米气泡物质移动系数为传统曝气设备的10倍以上。
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微纳米气泡发生技术及其比较
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名称
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原理
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特点
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利用范围
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同类产品及厂家
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高速旋回剪切+加压浮上式
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以加压泵或溶气罐先将部分气体溶解于水中，并通过旋回剪切式微纳米气泡发生器来产生微纳米气泡
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1. 动力效率及气体溶解效率高
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水体供氧，化工，污水处理，杀菌，生态农业等
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我公司生产产品
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2. 出水含氧量高，可达到超饱和状态
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3. 适用无水深限制
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4. 气泡直径：0-50um
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5. 氧气利用率：100%
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6. 对水体无扰动，不产生上升流。
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乱流剪切式
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以气液混合高速射流的方式，将空压机注入或自吸进入的空气通过气液间乱流紊动产生的力学效果，将水中气泡微小化。
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1. 动力效率及气体溶解效率高
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水体供氧，污水处理，化工
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マザーウオーターシステム?株式会社?间濑コンサルタント
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2.结构简单，造价低
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?低圧微細気泡発生装器?株式会社 森機械製作所
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3.适用有水深限制
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?高圧微細気泡発生装器?株式会社 森機械製作所
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4.气泡直径：10-80um
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?バブルタンク?有限会社 バブルタンクイケダ商会
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5. 氧气利用率：40%
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6. 对水体扰动小，有少量上升流
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加压浮上式
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在压力条件下将气体充分溶解于水中，再通过减压后将溶于水中的气体以微纳米气泡的方式释放出来
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1. 气体溶解效率高
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固液的浮选分离，水体供氧，
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?HMA工法?アイサワ工業株式会社?エコテックマルソル株式会社
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2. 出水含氧量高，可达到超饱和状态
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水处理，
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?YE型酸素溶解装置?ヤマエCorp?共同組合エペック
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3.适用无水深限制
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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.气泡直径：0-50um
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? NACシステム?サワテック株式会社?アーサーカンド株式会社
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5.氧气利用率：100%
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?アサヒ AV泡沫分離装置?アサヒ有機材工業株式会社
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6.对水体无扰动，不产生上升流。
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?ミクロパワーS?鈴木産業株式会社
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?シルク風呂?超微細気泡風呂?資源開発株式会社
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?ガスリッチ?株式会社 ニクニ
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?ナノマジック?有限会社シーエーティー
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?ミクロパワーS?鈴木産業 株式会社
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化学法
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通过投入化学药品，利用其化合反应生成微纳米气泡
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应用案例较少，无比较。
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特定种类污染处理，如土壤污染等
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?気泡連行法?株式会社 高陽社
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电解法
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利用水或其他物质电解产生微纳米气泡
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1. 能耗较大，产生气泡浓度低。
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教育科研实验，气浮设备
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2.无需外加气源
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3.气泡直径不均匀
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4.可同时生成2种类气体的气泡
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超声波法
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在水中发生强力超声波，利用其音强引起的压力变动产生微纳米气泡
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流通型反応器( (株 )本多電子製)
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4.工业废水处理上的应用:
利用微纳米气泡的超强的气体溶解能力可以用于设计新型MBR的曝气系统及各种高浓度化工废水处理设备的开发。
例1,在日本宫城县的某食品加工厂,日排水量在200-300t/日,COD为2500-2800mg/L,SS为300-400mg/L,水中油份(N-H)约为800mg/L,采用臭氧微纳米气泡曝气法处理后，BOD及COD均下降至10mg/L以下，出水水质透明，接近清水。与原来的活性污泥法相比，污泥产量降低，并且减少了臭气产生，虽然增加了臭氧发生器的电量消耗，但由于微纳米气泡的臭氧利用率提高（80%以上），与减少的污泥处理量的处理成本相比，仍具有相当大的优势。
例2，在制造纤维的含有PVA的化工排水处理中，由于自身PVA难分解的化学品，直接使用生物法处理也比较困难。通常利用铁粉和过氧化水的芬顿法来进行处理，处理成本高，并且生成的污泥中含有大量铁，不利于后续处理，在实验室中将PVA加入蒸馏水同时使用微纳米气泡进行曝气，经2小时后测得TOC去除量为30%以上，利用工厂的原水（TOC为1200mg）进行微纳米气泡曝气实验，经40小时后可将TOC降至原水的1/10，并且，可通过增大臭氧的浓度来缩短处理时间。
臭氧微纳米气泡+紫外光的高级氧化技术及装置
该设备采用微纳米气泡发生器系列中的F.BT-50S，利用水泵压力输送废水原水到设置在低压罐体内，利用该发生器的负压自吸效果吸入臭氧，由于在压力环境下进行臭氧的溶解，可提高处理水中臭氧的溶解浓度，并由于生成的臭氧水中存在的臭氧的微纳米气泡具有缓释效果，可以延长臭氧在水中的留存时间，提高臭氧的利用率达80%以上，而普通的该类产品的臭氧利用率仅为30%-40%，可降低运行成本50%以上。另外，结合本身具有强氧化性臭氧与紫外光之间的协同作用可显著地加快有机物的降解速率，大大降低其COD和BOD的含量。当臭氧被光照时，首先产生游离氧O•，O•与水反应生成•OH。UV辐射除了可诱发•OH产生外，还能产生其他激态物质和自由基，加速链反应，而这些激态物质和自由基在单一的臭氧氧化过程中是不会产生的。在中性或碱性溶液中，O3/UV过程产生较少的过氧化氢和较多的自由基•OH。有紫外光照射时反应速率可比无紫外光照射时提高了3-5倍。同时利用微纳米气泡在水中缓释效果利用臭氧微纳米气泡结合紫外光的方法是一种高效的高级氧化处理方法，能够迅速、低成本地将化工厂排水中含有的难分解的物质氧化分解成为可以被微生物利用的营养物质，有助于提高后续的生物处理的效率。
特点：
a)产生大量非常活泼的HO•自由基，其氧化能力（2.80V）仅次于氟(2.87V)，HO•自由基是反应的中间产物，可诱发后面的链反应，HO•自由基的电子亲合能为569.3KJ，可将饱和烃中的H拉出来，形成有机物的自身氧化，从而使有机物得以降解，这是各类氧化剂单独使用都不能做到的；
b)反应速度快，多数有机物与羟基自由基的氧化速率常数可达106—109M-1S-1；
c)HO•自由基无选择直接与废水中的自由基反应将其降解为二氧化碳、水和无机盐，不会产生二次污染；
d)由于它是一种物理-化学处理过程，反应条件温和，通常对温度和压力无要求，很容易加以控制，以满足处理需要，甚至可以降解10-9级的污染物；
e) 同时，它既可作为单独处理，又可以与其它处理过程相匹配，如作为生化处理的前、后处理，可降低处理成本；
臭氧、紫外线、微纳米气泡的协同作用，单独处理时，可对高难度的有机废水起到强氧化作用，对废水的COD、色度等进行降解；也可作为废水的预处理和深度处理，其处理后的废水更容易生化处理或其它的物化絮凝处理，在废水的中水回用和达标排放都有很好的作用。可以广泛用于：制药化工废水、垃圾渗透液、食品及皮革废水等的预处理和深度处理，油田灌注水、工业冷却循环水的消毒灭菌的处理。作为废水的预处理将极大改善后段处理如：生化处理、絮凝沉淀处理的效果，作为深度处理可以提高废水排放、中水回用等指标。
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