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传统溶气释气法[21]主要由3部分组成:即压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统。虽被广泛应用于气浮技术中,但仍存在一定不足,如能源利用不合理,产生微气泡不连续且效率较低。该方法主要有以下两方面的演进:一是在保留原有先加压溶气后减压释气的理念,提高气液两相气压差和降低气液两相界面张力。Féris L A通过投加表面活性剂可以将溶气罐的操作压力从3 MPa降低到2 MPa,显著降低33%[22]。二是舍弃原有先溶气后释气的理念,而是直接采取叶轮组件直接散气产生微气泡,或压力溶气技术与叶轮散气技术相结合[23],这一理念促使了微纳米气泡泵的出现[24]。
分散空气法主要是通过高速旋流、水力剪切等方式制造极端条件,把空气反复剪切破碎,混合在水体中以产生大量的微纳米气泡。高速旋流法最先由日本提出,我国学者基于高速旋流的原理,重新设计优化了微纳米装置[25],可大量且高效地产生气泡,气泡直径范围缩小到5 nm~20 μm。过流断面渐缩突扩使气液混合流体经过反复的收缩、扩散、撞击、反流、挤压和旋流最终产生微纳米气泡,文丘里管、多次穿孔、卡门涡街等类型[26-28]的微纳米气泡发生装置均是基于上述原理。对于微多孔结构,最先出现的装置是扩散盘[29],压缩气体通过多孔板上的微孔进入水体,为了使从微孔产生的气泡尽可能的小,扩散盘通过旋转的方式产生剪切力使气泡破碎至合适的尺寸。徐振华等[30]提出多孔管制造微气泡,利用金属微孔管内外压差提供推动力,推动管内气体从微孔管上的微孔流出,在管外壁形成微气泡,再通过管外高速流过的剪切流将气泡带走,产生的气泡直径为20~70 μm。吴胜军等[31]研究了孔径更小、分布更均匀的陶瓷微孔膜管制造微气泡,结果发现陶瓷微孔膜管无论从产生气泡的性能,还是物化性能方面均优于金属微孔膜管。近年来,一种采用SPG膜作为气-液分散介质的微纳米气泡产生方法得到人们的关注。
虽然微纳米气泡在水体修复中的优势明显,现有微纳米气泡发生装置亦可大量产生微纳米气泡,但其在水处理领域的应用中并非十分普遍。相比传统的曝气设备(鼓风曝气、机械曝气),微纳米气泡装置在结构构造、运行能耗、稳定性方面还存在不足,如装置加工比较困难,曝气头易堵塞,部分装置对气液混合流体速度要求高等问题。开发出结构简单、功耗较低、性能优良的发生装置是微纳米气泡技术应用中亟待解决的问题。
4 结语与展望
1)微纳米气泡所表现出的特性远远超出了人们对传统气泡的认识,对气泡的应用不再仅局限在减小气泡直径来增加溶氧效率,而是更广泛地探究微纳米气泡更多的潜在特性,如强化臭氧化,促进生物活性等,强调微纳米气泡装置与其他技术联用,使得微纳米气泡在水处理领域的应用前景更加广阔。
2)现有微纳米气泡发生装置的工作原理不同,使用时对装置选择要有针对性,过流断面渐缩突扩的微纳米气泡发生装置,充氧量调节幅度不大,水量水质变化幅度较大时不宜采用,而在既需提高溶解氧又需对水体进行混合搅拌的领域具有较大优势。
3)对于微纳米气泡发生装置,其性能仍需优化,流体数值计算模拟可以考察流动的细微结构以及发展过程,可进一步提高对微纳米气泡发生机理的认识,有利于提出高效最优的方案,所以需加强对微纳米气泡发生装置的数值计算模拟。
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