ZetaView助力湿地环境下的废水处理和生物能研究

2024-06-12

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一般情况下，湿地环境中的溶解氧含量不足、氧气传质速率低等因素制约着湿地环境的净化。尽管普通的人工曝气技术在一定程度上能提高湿地环境中的溶解氧含量，但并不能为环境净化过程带来明显的提升。近几年，随着纳米颗粒表征技术的发展，一种新的曝气技术—纳米气泡曝气技术正逐渐兴起，并在环境净化领域展现出前所未有的优势。

纳米气泡是溶液中的气体纳米颗粒，有更大的比表面积，能增加气体与液体的接触面积，提升气体的传质效率，同时还有很高的稳定性，能长时间在溶液环境中保持气泡形态。由纳米气泡的以上特点可以推想，如果将氧气通过纳米气泡曝气技术制成氧气纳米气泡，应用到湿地环境治理工作中，应该既能极大地提高溶解氧含量，提升氧气的传质效率，同时还能保持氧气的长时间稳定供应。那将为湿地环境的净化工作带来极大的改善。目前，已有研究工作通过实验证明了上述观点的可行性。

研究人员将普通泵曝气实验（运行功率为20W）和纳米气泡曝气实验（运行功率为200W）进行对比，并通过纳米颗粒跟踪分析仪对所产生的氧气纳米气泡的粒径分布和浓度进行表征（如图1）。实验发现，在相同的曝气时间下，纳米气泡曝气后的氧气纳米气泡浓度均是普通泵曝气所产生的氧气纳米气泡浓度的10倍以上；在相同功耗的情况下，纳米气泡曝气产生的氧气纳米气泡浓度（3.68*108个/ml）大约是普通泵曝气所产生的氧气纳米气泡浓度（1.29*108个/ml）的3倍，并且纳米气泡曝气后所产生的氧气纳米气泡粒径更小，约86%的氧气纳米气泡的粒径均小于200nm。

图1. 通过ZetaView对氧气纳米气泡的粒径和浓度进行检测

实验结果表明，经过氧气纳米气泡曝气技术处理的湿地条件下，总有机碳（TOC）和氨的清除率分别达到了49%和65%，显著高于普通泵曝气处理后所达到的36%和48%（如图2a和2b）；生物能测试结果显示，氧气纳米气泡曝气后检测到的最大电压和能量密度分别是0.71V和29mW/m²，显著高于普通泵曝气处理后检测到的最大电压（0.29V）和能量密度（5.2mW/m²），更远高于未经曝气处理时检测到的最大电压（0.17V）和能量密度（1.7mW/m²）（如图2c）。

图2. 不同人工湿地条件下测得的总有机碳（TOC）和氨盐的去除率及

由以上数据可以发现，与传统方法相比，氧气纳米气泡曝气技术显著提升了湿地环境下的污染物去除效率，极大地提高了生物能回收，显著改善了湿地环境的净化工作。

另有相关的研究与报道也表明，氧气纳米气泡已成功应用于其他领域，比如水产养殖、农作物无土栽培等等，均取得了非常好的实际应用效果。

纳米气泡具有独特的性质和优势，可以充分将不同类型气体的应用提升到一个全新的高度，而未来纳米气泡的多样化应用还有待更多的研究与开发。

T. Lyu et al，Nanobubble aeration enhanced wastewater treatment and bioenergy generation in constructed wetlands coupled with microbial fuel cells，Science of the Total Environment 895 (2023) 165131

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