论文标题：Nanobubbles for the Mitigation of Fouling in Wastewater Distribution Systems

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.013

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由中国农业大学李云开教授、加利福尼亚大学欧文分校Sunny C. Jiang 教授带领的研究团队在《Engineering》发表题为 “Nanobubbles for the Mitigation of Fouling in Wastewater Distribution Systems” （利用纳米气泡控制农业废水灌溉系统复合污垢的机制）的研究性文章，中国农业大学肖洋为第一作者。该研究探索用纳米气泡（NBs）控制农业废水灌溉系统复合污垢的新方法，为应对全球水资源短缺背景下废水回用的污垢难题提供了新思路。

全球水资源短缺，废水回用成为重要应对手段，但复合污垢给废水处理及系统带来巨大挑战。传统化学控垢方法存在环境污染和效果不佳等问题，而纳米气泡为解决这一问题带来了希望。

研究人员在农业废水分配系统中开展实验。实验用水由处理后的猪场废水与地下水按特定比例混合，经多次过滤。使用不同气体（氧气、氮气、氦气）生成纳米气泡，制备多种浓度的氧气纳米气泡水，并设置预防和去除两种模式。

图1. 用于研究NBs对污垢控制效果的实验设置。图中展示了NBs发生器,对照中无该装置。

实验结果显示，相比未用纳米气泡的对照组，饱和纳米气泡（100% 浓度）处理显著减少了 37.7%~64.1% 的总污垢干重。在气体类型方面，氧气纳米气泡防污能力相对较高，但与惰性气体纳米气泡的差异在统计学上不显著，表明纳米气泡的物理特性对污垢控制起关键作用。浓度对防污效果影响明显，超过 50% 饱和氧气纳米气泡的处理组能显著减少总污垢量，而 5% 和 25% 浓度的处理组甚至增加了污垢量。在去除已形成污垢的实验中，纳米气泡效果不佳，说明其更擅长预防污垢形成。

进一步研究发现，纳米气泡可减少生物污垢、结垢和颗粒污垢。它能降低微生物数量和胞外聚合物含量，改变微生物群落结构和多样性；减少方解石等沉淀物，促进其向更疏松的文石转变；减少颗粒污垢，且浓度越高，控制效率越高。纳米气泡还会改变气泡特性和水质，高浓度纳米气泡使微生物数量减少，这与羟基自由基的消毒特性有关。

从防污途径来看，纳米气泡不仅直接影响生物膜、盐沉淀物和颗粒物，还通过改变水质间接减少污垢。沉淀物和颗粒物对污垢重量影响较大，且各种污垢间相互作用也会影响纳米气泡的防污效果。

该研究成果为纳米气泡在废水分配系统中的应用提供了有效实践措施。在工程应用中，选择生成纳米气泡的气体、确定纳米气泡浓度以及选择连续或间歇应用纳米气泡等，都需要综合考虑成本、水质和防污效果等因素。未来，随着研究的深入，纳米气泡有望在解决废水供水系统污垢问题中发挥更大作用，推动水资源的可持续利用。

论文信息：

Yang Xiao, Bo Zhou, Siyuan Tan, Lei Li, Tahir Muhammad, Buchun Si, Changjian Ma, Sunny C. Jiang, Yunkai Li. Nanobubbles for the Mitigation of Fouling in Wastewater Distribution Systems. Engineering, 2024, 35(4): 214–225

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.013

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