微纳米气泡概述及水产养殖应用微纳米气泡曝气技术增氧
杨文华等
一、微纳米气泡概述
（一）微纳米气泡的定义
学术上对气泡分类主要根据气泡性质的不同，最常用的指标是气泡大小、表面特征和气泡寿命。这些特征主要决定于气泡大小，因此许多学者把气泡大小作为唯一分类标准。按照这个标准，气泡被分为大气泡、微米气泡、亚微米气泡或纳米气泡。虽然学者们对气泡的大小范围有不同看法，Temesgen等根据众多文献研究总结，直径10μm～100μm为微米气泡，1μm～10μm为亚微米气泡，10nm～1000nm为纳米气泡。而具有一些特殊理化性质的微小气泡，主要集中在气泡直径在数百纳米到10微米之间的泡沫，称之为微纳米气泡。[吉山花瑶自媒体网络首发]
（二）微纳米气泡的性质
长期大量研究表明，微纳米气泡具有特殊的物理化学性质。
1.上升速度慢（滞留性）。普通气泡在水体中迅速上升到水面并破裂消失，存在时间极短。而微纳米气泡在水中上升速度较慢，从产生到破裂需几十秒甚至几分钟。直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000。
2.自身增压溶解。微纳米气泡内部的压力远远大于外界液体的压力，可以将更多的气泡内的气体溶解到水中，并伴随有自身溶解消失的现象。
3.比表面积大。相对于微纳米气泡的体积，其比表面积非常大，具有超常的气体溶解能力。极大促进气液之间的反应速度。
4.表面带电。表面带有负电荷，对水中微小粒子具有增强吸附的作用；并随微纳米气泡收缩、溶解的过程在产生表面电荷浓缩、电离，产生氢氧自由基等现象。
5.氧化性。因微纳米气泡在压坏时局部处于强大的高温高压状态，激发大量的自由基，可以发挥出强大的氧化性。
6.杀菌性。微纳米气泡的杀菌性与常规的杀菌技术有着独特的区别，它的杀菌过程包括吸引与杀灭两个过程，采用二相流体法生成的泡沫因两相摩擦而产生强大的静电，这种带电的气泡可以吸附水体中的细菌与病毒。随着气泡的缩小压坏破裂，由于气泡周围激发大量的自由基及破裂所产生的超高温高压，把吸附的细菌病毒杀死。
7.稳定性。气泡的逗留性可以让机能性的臭氧水实现物理化学稳定性，这是常规气泡所不具有独有特性。
（三）微纳米气泡曝气技术
微纳米气泡曝气技术，利用微纳米气泡快速发生装置把气体（如：空气、氧气、臭氧等）用高速旋回切割方式溶入水中，快速、高效地制取微纳米气泡水，提高气体的溶解效率，满足对水体进行处理的要求。
微纳米气泡快速发生装置曝气后，水体呈乳白色。微纳米气泡在水中的上升速度较慢，停止曝气后乳白色气泡稳定存在3min～5min才消失，曝气效果如下 （见图1、图2）。
以氧气源曝气，水体经微纳米气泡快速发生装置曝气后，初始溶氧值19.8mg/L，5天后溶氧值13.1mg/L （见图3）。该装置以氧气源曝气瞬间可达到超饱和溶氧值，停止曝气后溶氧值衰减缓慢，说明微纳米气泡快速发生装置可向水体瞬间快速增氧，由于微纳米气泡比表面积大、上升速度慢以及自身加压溶解，溶氧值衰减非常缓慢。
图1 微纳米气泡快速发生装置曝气瞬间
图2 微纳米气泡快速发生装置曝气效果
微纳米气泡快速发生装置向5m 3的水体中循环曝气，以氧气源曝气20min即可达到饱和溶氧值，继续曝气溶氧值持续快速升高，120min后可达42.2mg/L，停止曝气72小时后，水体溶氧值依然高达26mg/L，仍处于超饱和状态。但是以空气源曝气，溶氧值达到饱和后变化不大，停止曝气后溶氧值衰减亦不明显（见图4、图5）。
图3 微纳米气泡发生装置过流式曝气溶氧值及其衰减曲线
图4 微纳米气泡快速发生装置曝气增氧曲线
图5 微纳米气泡水溶氧衰减曲线
二、水产养殖应用微纳米气泡曝气技术增氧
由于微纳米气泡特殊的物理化学性质，使得其在水处理、农业等众多领域具有广泛的应用。本研究探索水产养殖生产中应用微纳米气泡快速发生装置曝气增氧情况，并对比相关研究，分析微纳米气泡曝气技术的应用价值。
（一）微纳米气泡曝气技术在循环水养殖系统快速增氧
试验1在循环水养殖系统养殖虹鳟鱼时应用微纳米气泡快速发生装置曝气增氧。循环水养殖系统包括4个养殖桶、微滤机、紫外线消毒器、脱气池、微生物反应池、鼓风机、调节池、微纳米气泡快速发生装置，制氧机，动力泵。系统总水量18m 3 ，每个养殖桶水量1.7m 3 ，水体30min循环一次，虹鳟密度约30kg/m 3 。微纳米气泡快速发生装置以制氧机提供氧气源对系统曝气增氧，鼓风机对微生物反应池曝气增氧。在调节池曝气，在1号养殖池测定溶氧值。早上8:00后补水，9:00后喂饲料。15:00后补水，15:30后喂饲料。早上8:00测试初始溶氧值后开启微纳米气泡快速发生装置曝气增氧，每30min测定一次溶氧值（12:00～13:00期间未监测）。微纳米气泡快速发生装置增氧曝气时水温及溶氧值变化情况如下图（图6、图7）。
图6 养殖虹鳟时微纳米气泡快速发生装置曝气的水温变化
图7 养殖虹鳟时微纳米气泡快速发生装置曝气的溶氧值变化
水温总体呈上升趋势（见图6），主要受室温、补水以及微纳米气泡快速发生装置开机运行的影响。早上8:00补水后水温略微下降，但是随着室温的升高以及微纳米气泡快速发生装置的开启，水温持续上升，15:00补水后水温又略微下降。
曝气8小时水体溶氧值总体呈现先上升后下降的趋势（见图7），主要受水温、投喂饲料以及鱼排泄物等影响。初始溶氧值13.23mg/L，开启微纳米气泡快速发生装置1小时内溶氧值迅速提升，达17.78mg/L。之后水体溶氧值增加速度稍微放缓，一方面由于温度逐渐升高而影响曝气溶氧速度，另一方面由于9:00投喂饲料，饲料等有机物消耗氧气，3小时后溶氧值达到增加到19.91mg/L，11:00之后随着温度继续升高以及鱼类代谢排泄物增多，溶氧值增加缓慢甚至开始下降，15:30后投喂饲料，溶氧值继续下降。另外，水体藻类及光合细菌对溶氧值也存在一定影响，尚需进一步研究探讨。
通过研究发现，微纳米气泡快速发生装置向30kg/m 3 的养鱼水体曝气，在初始溶氧值已达到超饱和状态（13.23mg/L）的条件下，溶氧在1小时仍然可迅速增加4.55mg/L，持续曝气3小时后溶氧值高达19.9mg/L，实现快速高效增氧。水体溶氧值随水温的上升而增加缓慢，同等条件下温度越低溶氧值越高，饲料和鱼排泄物等有机物耗氧，并明显影响水体溶氧值。
（二）微纳米气泡在循环水养殖系统衰减缓慢
试验2在上述循环水养殖系统无鱼状态时进行。早上8:00后补水，测试初始溶氧值后开启微纳米气泡快速发生装置曝气增氧，每30min测定一次溶氧值（12:00～13:00期间未监测）。13:30测定溶氧值后关机，每15min测定一次溶氧值。微纳米气泡快速发生装置增氧曝气时水温及溶氧值变化情况如下图 （图8、图9）。
图8 无鱼时微纳米气泡快速发生装置曝气的水温变化
图9 无鱼时微纳米气泡快速发生装置曝气的溶氧值变化
水温总体呈上升趋势，主要受室温、补水以及微纳米气泡快速发生装置开机运行的影响。早上8:00补水后水温略微下降，但是随着室温的升高以及微纳米气泡快速发生装置的开启，水温持续上升，13:30后虽然关闭微纳米气泡快速发生装置，但是水温依然随室温的升高而持续上升（见图8）。4月24日水温可能受阴雨天气及气压影响高于25日及26日。
曝气5小时水体溶氧值总体呈现上升趋势，主要受水温的影响。初始溶氧值8.86mg/L，开启微纳米气泡快速发生装置1小时内溶氧值迅速提升，达16.66mg/L，随着温度逐渐升高溶氧值增加速度稍微放缓，13:30时溶氧值达到18.24mg/L，13:30后关闭微纳米气泡快速发生装置，溶氧值在1.5小时后下降到9.12mg/L（见图9），一方面水体超饱和状态的溶氧在逐渐衰减，另一方面系统内的微生物及管道内沉积的颗粒沉淀污物也在消耗水体溶氧。
通过研究发现，微纳米气泡快速发生装置以氧气源曝气，可使无鱼的循环水养殖系统的溶氧在1小时内迅速增加7.80mg/L，之后溶氧值增加缓慢。在无鱼的循环水养殖系统曝气后（见图9）比在井水曝气后（见图3）溶氧值衰减快，原因可能是：（1）井水中消耗氧气的物质少，在曝气过程中基本已被氧化，在停止曝气后消耗水体溶氧少或不再消耗水体溶氧。无鱼的循环水养殖系统中，生物池中大量的微生物、管道沉积的颗粒物以及一些藻类都会消耗水体溶氧。（2）井水停止曝气后，水体呈静止状态，溶于水中的氧气不易逸出。而无鱼的养殖系统中，水体一直处于循环流动状态，溶于水中的氧气相对静止状态更容易逸出。
微纳米气泡曝气技术应用于水产养殖增氧，可以使溶氧值迅速增加、缓慢衰减，这与王扬才应用超微气泡技术在室内养殖对虾的结论一致。王扬才应用超微气泡发生装置（空气源）和鼓风机向对虾养殖池曝气，水量约7.5m 3 ，溶氧值在1min内接近饱和值8mg/L。停止曝气后，鼓风机曝气的溶氧快速下降，15min后基本下降到初始溶氧水平（5mg/L），而超微气泡发生装置曝气的溶氧下降速度较慢，65min后下降到初始溶氧水平。
三、微纳米气泡曝气技术在水产养
殖领域潜在的应用价值鲍旭腾根据前人的研究总结介绍了微纳米气泡在渔业领域的应用及潜在的应用价值，包括水体快速增氧、水体修复和净化、提高气浮效率、渔业船舶减阻、管道减阻、治疗和预防鱼病、提高饲料等发酵效率、促进生长、促进鱼糜去色净白等。根据微纳米气泡的性质及微纳米气泡在其他领域应用的研究结论所预计微纳米气泡在水产养殖领域的潜在应用价值，有待实践应用加以验证。
（一）气浮及水质净化
在研究水产养殖应用微纳米气泡曝气技术增氧时还发现，由于微纳米气泡表面带有负电荷，对水中微小粒子具有增强吸附的作用，在调节池曝气时一些固态有机物被微纳米气泡吸附而上浮（见图10），可过滤去除，进而减少耗氧源。
图10 微纳米气泡的气浮作用
王扬才研究超微气泡技术在对虾室内养殖的应用时发现超微气泡能加快养殖水体颗粒物的降解。超微气泡发生装置在水体底部，其喷射的气流在水平方向运行，沉积颗粒物受气流冲击随水流悬浮于养殖水体中，由于超微气泡表面的电荷对悬浮物有良好的黏附效率，在微泡组水体表面会形成大量颗粒物聚集。这些颗粒物从水体底部沉积状态进入水层悬浮状态，增加了与水体中氧气的接触，从而加快颗粒物的生物降解，实现水质净化。张奎兴采用AH型超微米气泡发生水处理装置研究其治理污水能力，试验结果表明该方法能显著降低BOD和总磷及氨氮含量，溶解氧大幅度提高，对色度也有较好去除，水质明显改善。上述研究对于水产养殖水处理工艺中应用微纳米气泡降低耗氧、降解水质氨氮等指标提供了参考。
（二）微生物硝化作用
吴善超在研究微纳米气泡在氮素循环过程中的应用时发现，微纳米气泡转化亚硝氮时，亚硝氮浓度较高时微纳米气泡对其转化具有优势；臭氧微纳米气泡对亚硝氮的转化有促进作用；氧气微纳米气泡对亚硝氮转化的影响与溶液pH值密切相关，在一定范围内酸性越强，氧化效率越高；近中性或碱性条件下，氧气对于亚硝氮转化基本不起作用或不发生反应。这对于水产养殖水处理工艺中应用微纳米气泡促进微生物硝化作用提供了参考。
（三）水生植物净化
张保君采用微纳米曝气、鼓风曝气和无曝气对比研究了再力花植物浮床水质净化效果及规律。结果表明，微纳米曝气浮床比无曝气浮床对水体COD Mn 、TN、NH 4 + -N和TP去除率分别提高19.95%、13.35%、21.72%、18.20%，而鼓风曝气组则分别为8.23%、5.64%、10.61%、10.53%；但微纳米曝气形成的富氧环境不利于NO 3 -N的去除。这对于水产养殖水处理工艺中植物净化环节应用微纳米曝气技术提供了参考。
（四）臭氧消毒
气泡的滞留性让臭氧水实现物理化学稳定性，初里冰采用微纳米气泡不仅可以提高臭氧在水中的传质速度，从而提高臭氧的利用率，还可以强化臭氧的氧化能力。这对于水产养殖水处理工艺中应用微纳米臭氧曝气技术降解氨氮等指标提供了参考。
（五）提高产量
李燕等研究养殖南美白对虾时发现，微孔曝气增氧比叶轮增氧机增氧的饲料系数降低9.5%，平均亩产提高17.1%，平均亩利润提高50%。这对于水产养殖水处理工艺中应用微纳米的生理活性特点提高产量提供了参考。
四、微纳米气泡曝气技术在水产养殖领域应用的展望
根 据 联 合 国 粮 农 组 织 最 新 发布的《世界渔业和水产养殖状况》的内容，2016年，全球鱼类产量约1.71×10 8 吨，水产养殖（含内陆和海洋）产量占总产量的47%。从产值来看，渔业和水产养殖产量初次销售总额约为3620亿美元，其中水产养殖产量占2320亿美元。水产养殖具有巨大的发展空间，而进行环保、高效生态循环养殖也是未来发展的主流趋势，微纳米气泡特殊的理化性质使得其在水产养殖方面具有多种潜在应用价值，有待进一步研究探索。
