西安建筑科技大学等机构在《Environmental Science & Technology》上发表开创性研究, 首次系统评估了微纳米气泡(MNBs)曝气技术在污水处理过程中,于水-气界面处生成气溶胶的排放特征。研究明确了MNBs曝气在"原位生成"和"持续供氧"两个阶段对气溶胶中微生物及化学污染物排放水平的差异化影响,并提出了分区控制的气溶胶减排新策略。
技术核心:MNBs曝气过程的两阶段划分与实验系统
本研究聚焦于评估新兴的MNBs曝气技术可能带来的气溶胶排放风险。研究将MNBs曝气过程划分为两个特征鲜明的阶段:
作为对照,研究同时设置了传统的中气泡曝气(MBA)和小气泡曝气(SBA)。实验在一个密闭室内进行,使用真实生活污水,并通过一台上海行恒科技的LF-1500微纳米气泡发生器(平均直径207.9 nm)。
核心发现一:气溶胶中可培养微生物的排放水平
研究表明,MNBs曝气不同阶段的气溶胶排放水平存在显著差异。
- MNBs-G阶段排放更高 :此阶段产生的气溶胶中,可培养微生物(细菌、真菌、肠道菌)总浓度达 2170 CFU/m³,分别是MBA和SBA的1.38倍和1.58倍。
- MNBs-O阶段排放大幅降低 :此阶段可培养微生物总浓度仅为 914 CFU/m³,比MBA和SBA分别低41.71%和33.57%,排放水平对比:

核心发现二:气溶胶中的微生物种群与潜在病原体
通过流式细胞术和高通量测序分析气溶胶中总的(包括可培养与不可培养的)微生物,研究发现:
- 总微生物浓度趋势一致:MNBs-G阶段气溶胶中总微生物浓度最高,MNBs-O阶段最低:

- MNBs-G阶段对微生物有灭活效果 :该阶段气溶胶中活菌比例仅19.5%,远低于其他曝气方式(~45-49%),推测与MNBs溃灭产生的活性氧物质有关。
- 潜在病原体丰度 :MNBs-G和MNBs-O阶段气溶胶中细菌病原体的总相对丰度(约34%)略低于 传统MBA(39.63%)和SBA(38.87%)。优势病原菌属在不同曝气方式间存在差异,MNBs阶段以不动杆菌属(Acinetobacter) 为主:

核心发现三:气溶胶中的化学污染物排放
对气溶胶中水溶性离子、金属(类金属)及总有机碳的分析表明:
- 总体排放水平 :MNBs曝气(两个阶段)产生的气溶胶中化学污染物总浓度 低于 传统MBA和SBA:

- 阶段性差异显著 :
- MNBs-G阶段 :对NO₃⁻、NO₂⁻、Ca²⁺、Na⁺及Zn、Fe等12种元素的排放贡献高于传统曝气,这可能与MNBs带负电的表面易于吸附阳离子有关。
- MNBs-O阶段 :对绝大多数化学污染物的排放贡献**普遍最低,**排放贡献率分析:

机理解释与工程启示
研究对上述现象给出了机理解释:
- MNBs-G阶段排放高的原因 :该阶段在水体表面形成致密的三维泡沫层。泡沫破裂是产生气溶胶液滴的主要途径,增强了污染物从水向气的转移,界面现象:

- MNBs-O阶段排放低的原因 :该阶段水体中主要是纳米气泡,它们更倾向于在水体中溶解或溃灭,而非上升至水面破裂,从而极大减少了气溶胶的生成。
基于以上发现,研究提出了一种分区式MNBs曝气池的创新设计概念,示意图:

- MNBs生成区:密闭运行,收集并处理产生的高浓度气溶胶。
- 过渡区:让微气泡转化为纳米气泡,减少泡沫。
- 污泥-污水反应区:利用纳米气泡高效供氧,且几乎不产生额外气溶胶,可敞开运行。
结论与意义
本研究首次全面揭示了MNBs曝气技术的气溶胶排放双重性:
- 风险 :MNBs的原位生成阶段(MNBs-G) 会产生比传统曝气更多的气溶胶,值得关注。
- 优势 :MNBs的持续溶解氧阶段(MNBs-O) 是一种更清洁、气溶胶排放更低的曝气方式。
- 解决方案 :通过优化曝气工艺设计(如分区曝气),可以扬长避短,在利用MNBs技术高效增氧的同时,有效控制气溶胶排放,保护周边环境和人员健康。
文献来源 : Environ. Sci. Technol. 2024 , 58, 17396--17405.
源文献链接 : https://doi.org/10.1021/acs.est.4c00986
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研究价值: 为MNBs技术在污水处理中的安全、可持续应用提供了至关重要的环境风险评估数据与工程控制思路。