微纳米气泡的气液界面作用在...农业种植及水产养殖中的应用_王美琳.pdf

净水技术，（）：王美琳，陈鲁海，刘亚男 微纳米气泡的气液界面作用在水处理与农业种植及水产养殖中的应用 净水技术，（）：，（）：微纳米气泡的气液界面作用在水处理与农业种植及水产养殖中的应用王美琳，陈鲁海，刘亚男，（东华大学环境科学与工程学院，上海；纳泡检测技术上海股份有限公司，上海）摘 要 近年来，微纳米气泡（）由于其具有比表面积大、水中停留时间长、气液传质效率高、电位高和能产生大量含氧活性基团等独特物理、化学特性而受到人们的广泛关注。随着对 产生原因及其机理的不断研究，人们发现 在环境修复、医疗、工业、农业等领域具有很好的应用潜能。文中简要介绍了 强化气液传质、高 电位与高稳定性、强化自由基生成等气液界面作用，并对 技术在水处理、农业种植与水产养殖中的应用进行了综述，希望为其在相关领域应用提供理论和技术参考。关键词 微纳米气泡 气液界面作用 水处理 农业种植 水产养殖中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，），（），（）收稿日期 基金项目 上海市科技兴农项目沪农科推字（）第 号；国家自然科学基金项目（）作者简介 王美琳（），女，硕士，研究方向为微纳米气泡种养结合，：。通信作者 刘亚男（），女，博士，研究方向为微纳米气泡水处理及农业应用，：。近年来，微纳米气泡（）技术快速发展，在胶片制作、医学诊疗、浮选、污水处理、水产养殖、无土栽培及冶金等方面得到了广泛应用。按照国际标准化组织定义，微气泡（）指的是直径 且 的气泡，而通常直径 的称为纳米气泡（）或超微气泡，二者统称为。它们具有许多大气泡所不具备的独特性质，如气液传质效率高、上升速率低、界面 电位高、强化自由基生成等。对环境友好且成本较低的优势已逐步显现并受到人们越来越多的关注，但该技术的机理和应用研究仍处于起步阶段。传统的水处理技术往往需要消耗大量化学药剂和能量才能达到预期处理效果，而 可在不使用外加化学药剂的情况下产生高活性自由基，实现污染物去除，是一种可持续发展的现代净水技术。此外，深入实施农业技术创新与改革，支持建设国家现代农业产业园、优势特色产业集群是我国农业发展的战略方向。将 应用于农业方面，有利于提高农作物产量和质量，改良土壤，减少农业排放对环境的污染，实现我国农业的可持续绿色发展。强化气液传质气泡的上升速度是与气泡在水环境中行为有关的重要参数。斯托克斯方程给出了层流状态下气泡的上升速度方程，如式（）。由式（）可知，气泡的上升速度与直径成正比，的直径在上升过程中会随着表面张力的增加而逐渐变小，直径小的 与大气泡相比具有更低的上升速度和更长的停留时间，传质能力也随之升高。（）（）其中：上升速度，；重力加速度，；气体密度，；液体密度，；气泡直径，；液体黏度，。表面为负电位，气泡之间因相互排斥不会融合而得以在整个液体环境中持续传输气体。具有微小的曲率半径并受表面张力的持续影响，气泡内部压力明显高于外部环境，因此，气体在液体中的溶解度增大，气液传质效率显著提高。.净水增氧在水处理过程中，常常需要曝气增氧，氧气不仅是维持生物生命活动的重要物质，也是某些污染物降解过程中的反应物。传统的机械曝气需要消耗大量电能，而氧传输效率只有 ，用 技术代替传统曝气可以强化氧传质，提高水体溶解氧（）浓度。的升高可以增强生物酶活性，加速生物膜生长，促进细胞的新陈代谢和微生物的生长繁殖，胞外聚合物含量也随之增多，水体和沉积物中污染物的生物降解速率加快。等使用传统曝气和微纳曝气进行 充氧试验，结果显示 曝气过程中氧转移系数（）、氧转移速率（）和氧转移效率（）分别为.、.（）和.，这些指标是常规曝气的 倍。通过短期间歇试验和长期（）序批次试验，发现 曝气的氨氮去除率是常规曝气的.倍且比传统曝气节能。等利用 技术处理黑臭水体，经 曝气后，水体 质量浓度从.增至.以上，氧化还原电位（）从负值增至.以上，化学需氧量（）和氨氮的去除率达到 左右。.营养液增氧营养液所含 对水培植物产量和品质至关重要。现今，农业中常采用泵循环方式增氧，但该方式效率不高，很难满足水培植物的生长需求。技术能够增加水中，且能去除营养液中的部分污染物和病原体，增强根系对营养物质的吸收能力，从而提高农产品产量和品质。周云鹏等利用不同浓度的微纳米气泡水加氧（）灌溉水培油麦菜、小白菜、小油菜，发现它们的干重随着 含量的上升均呈现出先增后降的趋势，而根长则随 含量的上升一直增加。综合考虑，适宜的 质量浓度为 。.水产养殖增氧在水产养殖业中使用 技术，一方面可以充分发挥其增氧作用，养殖塘底部较高的 有利于底泥沉积物的好氧分解，减少沉积物对养殖塘水质的不利影响；另一方面发挥其曝气作用，曝气时，可以将沉积的氨氮、硫化氢等有毒有害物质带到水面，排出塘体，达到净化水质的目的。王扬才等发现，经 增氧的养殖水体中 比传统曝气平均提高.。等研究发现，曝气组中鱼的死亡率始终低于传统曝气组，试验结束时，曝气组中鱼的长度比传统曝气组长，平均质量约是传统曝气组的 倍。的荷电性与稳定性 电位常用于表示颗粒和气泡之间的吸引力或静电排斥力的大小，也是决定胶体分散系中 寿命的重要物理指标，一般 电位绝对值越高，气泡物理稳定性就越好。电位取决于气体在气液界面产生 的能力，在 值为净 水 技 术 ，时通常带负电。当 收缩时，电荷离子在非常狭小的气泡界面上快速聚集，电位显著增加，到 破裂前在界面处可形成非常高的 电位值，气泡具有极强的稳定性。试验发现，在高、低温和低盐的溶液中，气泡的负 电位更高。.气浮除污 由于其具有比表面积大、停留时间长、稳定性高的特点，更易分散在水环境中，气泡与颗粒的碰撞几率也大幅度增加。能够黏附更小的微粒或油滴，黏附在单个颗粒或油滴上的气泡数量也会增多，在 气泡联合拖曳力的作用下，污染物会以更高的上升速度被提升到废水表面，杂质的分离效率大大提高。同时，可以增强 和大气泡对杂质的黏附力，使颗粒团聚现象更易发生。可以选择性地吸附到疏水性颗粒表面上，提高目标物的可浮性，将其带到水体表面去除。由于 的特性，它们可被应用于去除细小的胶体颗粒、分散油类、离子和胺类化合物等。等利用 气浮去除胶体沉淀物和纳米氢氧化铁颗粒，水中固体的去除率可达，铁的总残留量小于 。等采用 预处理去除水中氟化物，选用聚合氯化铝（）、硫酸铝（明矾）、（）（）及聚合物和 聚合物混合作为混凝剂。使用 预处理后，除明矾和 的组合外，各组氟化物去除率都有增加，和 聚合物与 组合的除氟率最高为.。明矾和 聚合物与 预处理的组合对 的去除率最高为.。反应时间为 时最佳，沉降需要超过 。等将混凝气浮工艺与 技术结合处理锅炉水，结果表明，以 磷酸钠为沉淀剂，油酸钠作为疏水剂时，在 值为.、饱和压力为.的条件下可产生约.个 的（气泡直径为 ），并获得最佳处理效果。在中试中污水总硬度降低，剩余钙离子和磷酸盐离子质量浓度分别为 和 。.气浮澄清 等研究了在离心多相泵中注入空气产生 气浮澄清原水的方法。在泵压力为.的最佳压力下，液体含气率为.，含量为 个。在巴西某水处理厂澄清池中利用多相泵（）形成气浮和层状沉淀，在高水力负荷下（），即使不使用混凝剂，也表现出较好的处理效果，出水浑浊度达到 （原水浑浊度为 ）。与泵结合的使用拓宽了现代气浮的研究方向和应用范围。强化自由基生成 能够产生大量活性氧自由基（）从而强化污染物的去除。内部气体溶解到水中，使气泡不断收缩最终破灭。气液界面快速收缩导致离子在界面附近积聚，电荷密度增大。气泡破裂瞬间，气液界面的消失使 电位的绝对值迅速增加并形成能量场，这种能量场使氧分子分解，分解产物利用分散在界面周围积累的化学势能生成羟基自由基（）。.强化污染物去除臭氧（）由于其极强的氧化能力，在水处理中得到了广泛的应用。然而，在水相中的低溶解度和快速分解特性使其在水环境中的作用受到限制。具有较高的传质速率和相对长的停留时间，可延长 半衰期使其在水中保持稳定，以保证其反应活性。等利用臭氧微纳米气泡（）和 大气泡降解苯并芘，去除率分别为.和.，对苯并芘的去除率明显高于 大气泡。对于 氧化，人们最关心的一大问题便是安装成本和效益。最近进行的一项成本效益分析表明，安装 发生器对水处理厂有益，总成本可减少 倍。等发现 曝气 后 质量浓度达到峰值，约为.，而毫米气泡曝气的 质量浓度最高仅为.。利 用 技 术 对 三 氯 乙 烯（）污染场地的地下水进行原位修复，去除率达到。等利用该技术处理化工污染场地的地下水，试验结果表明，处理 后，苯和氯苯去除率达到 以上，硝基苯和对（邻）硝基氯苯的去除率分别为 和。技术对修复受有机物污染的地下水具有良好的效果，很可能在未来成为原位修复地下水的一种创新技术。产生的 可与过氧化氢（）结合产生过氧羟基自由基（）和超氧自由基（），能够更有效地降解污染物。等采用 王美琳，陈鲁海，刘亚男微纳米气泡的气液界面作用在水处理与农业种植及水产养殖中的应用，技术联合（）降解刚果红（），结果表明，值为 时，对 的降解率可达.，比 氧化法提高，比 法提高。在相同的降解效率下，传统 工艺所需的氧化剂剂量是 的 倍。等采用 联合 技术实现了对四环素废水的高效降解，降解率可达.，是 和 单独降解的.倍和.倍。尽管材料科学的创新使光催化技术取得了新的进展，但由于总效率低，光催化剂在水处理中的应用仍然受到阻碍，引入 技术可以显著提高光催化效率。等利用 与光催化（）集成系统处理二沉池出水，相比于单一的 处理，污水的 和 去除率分别提高了.和.，结果表明 与 具有协同作用，二者可相互提供氧气和电子，从而提高反应速率和 产量，实现对污染物的高效去除。采用该技术降解有机污染物亚甲基蓝，污染物的去除率比用常规大气泡高，越高，对亚甲基蓝的去除效果越好。.消毒灭菌 等利用 技术消除海水中的耐热大肠菌群，研究表明当海水与 体积比为 时，去除率最高，达到。等发现 对无乳链球菌和维氏气单胞菌有较好的去除效果，试验在尼罗罗非鱼养殖池（初始细菌含量为.）中连续进行 次每隔 通臭氧纳米气泡（）。第 次、第次和 第 次 处 理 后 细 菌 分 别 减 少 了.、.和.。常用的种子消毒剂有氯化汞、次氯酸钠等化学药剂，这些化学消毒剂往往会产生多种有害副产物，而利用 技术完全可以避免这一问题。等用臭氧微气泡水（）处理苜蓿种子，结果表明 处理对减少微生物总量和消除大肠杆菌十分有效，且对苜蓿芽的萌发和生长没有任何负面影响。先进的光催化技术已经成为一种灭活细菌孢子的有效方法，但是整个流程的效率仍然需要显著改进。等利用光催化（）联合 灭活细菌孢子，枯草芽孢杆菌孢子的灭活速率常数可达到.，是未添加 时的.倍。的界面光电效应也被证实是导致孢子失活的原因之一，引起了强光散射，使光催化介质在 处的光路长度增加了.，增强了光催化剂对光的吸收。生物学作用 不仅能提高水中的 和电导率，还能有效降低渗透压，从而抑制真菌病害并改善作物生长条件。产生的 显著增强了与生成过氧化物酶和还原型辅酶、细胞增殖和细胞分裂有关的基因表达。可以改变微生物的丰度和代谢途径，提高灌溉水的利用效率（），促进根和植物的生长，在节水的同时提高作物的产量和质量。.育种 等分别用蒸馏水、高浓度（未经稀释）和低浓度（经蒸馏水稀释，浓度为原值的）纳米气泡水（）浸泡菠菜种子和胡萝卜种子，在相似的 下，菠菜种子的发芽率分别为、和，对于胡萝卜种子，高浓度 却对其发芽产生了不利影响。研究人员利用 氨基苯基荧光探针，证实了 产生的 为，高浓度 中的 含量超过了胡萝卜种子的毒性阈值，不利于种子下胚轴伸长和叶绿素的形成。因此，在使用 水育种前，应做好预试验，选择合适的 浓度。.改良土壤将 应用于土壤灌溉，可以增加土壤的、速效氮和速效磷的含量，提高根际土壤湿润体的通透性，提高养分固定或利用效率，改变土壤菌落结构，增强土壤酶活性，促进根系的生长发育。等利用 灌溉番茄和黄瓜作物，发现 通过增加根际土壤脲酶和磷酸酶含量，以及土壤微生物种类来改善土壤质量，有望增加土壤有效养分，从而促进作物根系生长发育。等试验发现，与常规灌溉相比，经 灌的早稻氮素积累量增加了.。灌溉能提高土壤的，加快稻田氮的硝化而减少氮素流失。.作物增产水稻是我国最重要的粮食作物之一，其种植面积占我国粮食总产量的，产量占全国粮食总产量的。人口增长和气候变化对进一步的稻米生产构成了巨大挑战。技术的使用，可以在减少肥料、药剂使用量的同时增加作物产量，且净 水 技 术 ，由于外源投加物质的减少以及 对污水的净化作用，在作物增产的同时减少了农业耕种对环境的影 响。钱 银 飞 等采 用 微 纳 米 气 泡 水（）与普通水对常规稻和超级稻进行浇灌，结果表明 促进了常规稻分蘖，使水稻相比与普通水浇灌增产.；对于超级稻，促进了其后期的作物光合作用，增加了穗粒数和结实率，增产.。等通过地下滴灌种植番茄和黄瓜，试验表明番茄和黄瓜的最佳 配比分别为（与地下水的混合比例）和，加氧频率为 次，在最佳处理条件下，番茄和黄瓜的产量分别提高.和.。.种养结合笔者所在团队在上海市崇明区陈家镇将微纳米气液界面技术应用于稻蟹混养，在 亩（亩.）试验田和 亩对照田里，种植南梗 水稻，并套养中华绒螯蟹，指标如表 所示。结果表明，采用微纳米气液界面技术结合微生物菌剂的种养结合模式，与常规的稻蟹混养模式相比，不仅水稻产量相对于常规有机稻大幅增产，蟹产量也有较大增长（表），农户增收显著。试验田实现了种养殖尾水循环利用，水质保持稳定，提高，底质底泥大幅改善，作物和水产品无农残及抗生素检出。表 指标 指标名称指标数值备注水中气泡密度（个 ）水中气泡密度指的是纯水中气泡密度水中气泡直径 水中气泡直径峰值 纳微米气液界面电位 表 “三联动”试验田与对照田的水稻产量、蟹产量和蟹规格 ，农田种类水稻亩产斤蟹亩产斤蟹规格占比（两以下）蟹规格占比（.两）蟹规格占比（.两）蟹规格占比（两以上）对照田.试验田.注：斤.，两.。结语随着人们对水质和农产品产量、质量的要求越来越高，传统水处理技术已经不能满足我国当下水处理行业和农业发展需求。技术作为一种新兴技术，具有无药剂添加条件下的消毒除污、曝气增氧、水培育种、增产提质、改良土壤等诸多作用，且不会产生二次污染，在水处理领域和农业种植与水产养殖等领域具有巨大的应用潜力。市面上的 发生器种类繁多，但能产生的 在气泡总体中占比较少。若要大规模使用 并使其呈现良好作用，还需要对发生器进行改造，力求减小气泡尺寸和降低仪器制造成本。现在对 的应用研究大多还停留在小范围试验阶段，想要形成完整的应用体系，还需要对其作用影响因素与其他工艺组合的机理进行深究。相信在不久的将来，随着 技术的推广应用，将助力我国生态环境保护和相关产业的绿色可持续发展。参考文献 李兆军，杜浩 我国微细气泡技术发展综述 过程工程学报，（）：，（）：蔡九茂，翟国亮，吕谋超，等 微纳米气泡在农业灌溉领域的应用展望 灌溉排水学报，（）：，（）：，：，：.，（）：王美琳，陈鲁海，刘亚男微纳米气泡的气液界面作用在水处理与农业种植及水产养殖中的应用，：，：.，：.代朝猛，张峻博，段艳平，等 微纳米气泡特性及在环境水体修复中的应用 同济大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：.，：，：.，（）：，：.，（）：.薛晓莉，张慧娟，杨文华，等 微纳米气泡技术及其在农业领域的应用 农村科技，（）：，（）：周云鹏，徐飞鹏，刘秀娟，等 微纳米气泡加氧灌溉对水培蔬菜生长与品质的影响 灌溉排水学报，（）：，（）：，鲍旭腾，陈庆余，徐志强，等 微纳米气泡技术在渔业水产行业的研究进展及应用综述 净水技术，（）：，（）：，王扬才，刘又毓，孙元，等 超微气泡技术在对虾室内养殖中的初步应用 渔业现代化，（）：，（）：，：（），（）：，（）：，：.，？，（）：，（）：，：，：.，：.，：.，（）：净 水 技 术 ，（）：，：.，（）：.，：，：.，（）：，（）：，：.，（）：.，：，（）：，：.，（）：，：.，：，（）：，（）：.，（），：.刘昊，杨雨晴，邵一飞，等 番茄种子消毒方法探究 山东农业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：马梦雪，赵玲玲，唐思，等 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