纳米气泡曝气技术可加速粪便废水的净化过程，提高氮元素的保留率，同时减少温室气体的排放

《Water Research》：Nanobubble Aeration Accelerates Manure Wastewater Sanitisation and Enhances Nitrogen Retention while Reduces Greenhouse Gas Emissions

纳米气泡曝气显著提升猪场废水处理效率，缩短60-150天达标时间，降低13.96%氮损失及30.21%温室气体排放，通过增强溶解氧与羟基自由基生成，重塑微生物群落结构并优化氮转化路径。

　　

侯尚|谢恩|司布春|肖阳|丁景涛|严卓宇|周海斌|程洪生|沈玉军|李云凯

摘要

粪便废水是一种富含氮的有机废水，通常被视为作物生产中宝贵的可回收营养源；然而，它也含有高浓度的有机污染物和病原微生物，如果处理不当，可能会对环境和公共健康造成严重风险。纳米气泡（NBs）曝气是一种新兴的高效气液传质技术，但其在对氮的保存和富含营养的粪便废水的卫生稳定方面的作用仍不清楚。在这项为期180天的实验中，研究人员将猪场废水与四种纳米气泡曝气方式以及自然储存方式进行对比。我们量化了消毒效果、氮转化、温室气体排放、微生物群落和毒力因子，并在相同的气流条件下测定了氧转移速率（OTR）、氧转移效率（OTE）和体积传质系数（kLa）。与传统的曝气和自然储存方法相比，纳米气泡曝气显著提高了溶解氧和·OH的生成量，从而增强了COD、BOD?和大肠杆菌的去除效果，并将达到卫生标准的时间分别缩短了60天和150天。尽管所有处理方法中的总氮（TN）都有所下降，但在纳米气泡曝气条件下，较短的消毒时间导致最终的TN残留量更高。TN损失率比传统曝气和对照组低13.96%和15.39%，累计N?O排放量也降低了30.21%。网络分析和宏基因组分析表明，纳米气泡曝气改变了细菌、真菌和古菌的群落结构，削弱了毒力因子的连接性，并加强了氮循环微生物与气态氮途径之间的耦合。OTR、OTE和kLa的量化结果表明，这些益处源于纳米气泡本身的传质特性，而非氧气供应量的增加。总体而言，这项工作提供了新的机制见解和工程证据，证明纳米气泡曝气可以同时加速粪便废水的消毒并改善氮的管理，以便后续用作肥料。

引言

液体牲畜粪便富含植物可利用的氮，是农业生产中极具价值的可回收营养源（Grell等人，2023年）。然而，集约化畜牧业的迅速扩张大大增加了液体粪便的产生及其相关的环境风险（FAO，2018年）。在中国，每年产生的粪便和禽类废水估计为30.5亿吨，其中液体部分占总量的大部分（Hobson，1998年；赵路等人，2025年）。粪便废水含有高浓度的有机污染物和病原体；直接或处理不当的应用会污染土壤和水源，破坏生态系统并增加公共卫生风险（Huang等人，2009年；Pagilla等人，2000年）。曝气被广泛用于处理牲畜粪便废水，因为它可以降低有害物质的浓度并减轻环境风险（Bicudo和Svoboda，1995年；Ria?O等人，2014年）。然而，传统曝气中气体停留时间短且溶解氧（DO）利用率低，限制了消毒效果（Calvet等人，2017年；Wei等人，2010年；Zhu，2020年）。优化曝气频率和流速可以提高去除效率，但代价是能耗大幅增加（Castro-Barros等人，2015年；Guan等人，2016年；Mampaey等人，2016年）。用于硝化和反硝化的好氧处理单元每立方米处理废水可能消耗高达9.2千瓦时的能量，占总植物能耗的96%（Ria?O等人，2014年）。为应对这些挑战，纳米气泡技术最近作为一种有前景的废水处理污染物方法应运而生（Tekile等人，2017年）。

纳米气泡（NBs）的直径在10纳米到1微米之间（ISO/TC，2013年）。它们具有较大的比表面积、较长的停留时间、高效的气液传质能力以及生成活性自由基的能力（Sakr等人，2022年；Wu等人，2019年）。先前的研究表明，纳米气泡可以去除生活污水中高达96%的粪便大肠菌群（Abate和Flores，2017年）。在糖业废水中，纳米气泡曝气可使化学需氧量（COD）降低85%（Leyva和Flores，2018a）。在处理城市污泥废水时，纳米气泡能够增加絮凝剂中活性细菌的数量，从而增强粪便液体中的DO传质并促进有机化合物的分解（Ahmadi等人，2019年）。总体而言，这些研究表明，纳米气泡曝气是提高生活污水、工业废水和污泥处理系统中污染物去除效果的一种成熟技术（Atkinson等人，2019a；Jia等人，2023年；Sakr等人，2022年）。其他研究还表明，纳米气泡有助于氮的转化，同时有助于从水中去除多种污染物（Zhang等人，2013年）。废水中NH??-N的转化主要受DO浓度的影响。纳米气泡处理已被证明可以促进NH??-N向NO??-N的转化。与传统底部曝气相比，纳米气泡可以将废水中的NH??-N和总氮（TN）浓度降低7.5%以上（Zhou等人，2014年）。在活性污泥和生物膜系统中也观察到了类似的硝化和TN去除效果提升（A等人，2021年；Farajzadehha等人，2022年）。粪便废水通常被视为富含营养的肥料来源，其物理化学性质与其他废水有根本不同，因此需要仔细评估纳米气泡如何在去除污染物的同时最大化氮的保留。

纳米气泡在处理各种类型废水方面的有效性已得到充分证明。与传统曝气相比，纳米气泡在最佳条件下表现出更高的氧气利用效率，接近100%。此外，纳米气泡的破裂会产生羟基自由基（·OH）（Zhang等人，2013年），这与持续升高的DO浓度一起，有助于灭活粪便废水中的大肠杆菌（E. coli）（Kreske等人，2008年）。然而，大多数现有的纳米气泡研究旨在通过最大化污染物和氮的去除来满足排放标准（Abate和Flores，2017年；Jia等人，2023年；Leyva和Flores，2018b；Sakr等人，2022年）。然而，控制某些有害物质去除的关键机制仍不清楚，而且目前的研究中对同时优先考虑污染物减少和营养保留的资源导向利用策略关注不足，这构成了当前研究的一个重要空白。

鉴于上述考虑，本研究提出纳米气泡可以在粪便废水中提供足够的DO并生成·OH，从而有助于去除有机污染物和灭活病原体。这种双重效果缩短了消毒时间并增强了氮的保留。本研究以一个养猪场的粪便废水消毒系统为案例，评估纳米气泡在去除有机污染物和病原体方面的有效性。通过结合物理化学监测和宏基因组测序，本研究旨在（i）比较传统曝气和纳米气泡曝气在净化效率、氮转化途径以及粪便废水产生的温室气体排放方面的差异；（ii）评估纳米气泡曝气在去除污染物的同时保留氮以支持后续肥料再利用的潜力。研究结果有望为中国农村地区液体牲畜和禽类粪便的协调消毒和资源导向利用提供科学依据和技术参考。

实验设计

实验于2024年3月1日至2024年9月27日在农业农村部的生物质工程中心（北京）进行。研究中使用的废水处理系统如图S1所示。粪便废水处理系统主要由反应器、搅拌装置和控制柜组成。反应器为玻璃材质，有效体积为50升。纳米气泡发生器包括电机、空气泵、阀门和脱气室。

纳米气泡对粪便废水性质和消毒效率的影响

如图2a–g所示，纳米气泡曝气显著改变了粪便废水的物理化学性质并提高了消毒效率。仅在纳米气泡处理组检测到·OH，而在传统曝气组（CA）或对照组（CK）中未检测到。此外，纳米气泡提高了液体粪便中的DO浓度，即使在处理12小时后，其浓度仍高于对照组。相比之下，传统曝气组的DO浓度迅速下降，4小时内降至对照组水平。消毒效果

讨论

纳米气泡技术作为一种提高曝气效率的成熟方法，已成功应用于市政和工业废水处理（Cruz和Flores，2017年；Quan等人，2016年）。在本研究中，纳米气泡曝气显著提高了有害污染物的去除效果，缩短了粪便废水的消毒时间，并通过限制处理时间减少了氮的损失。此外，它还促进了硝化作用，加速了有机物的降解

结论

本研究证实了使用纳米气泡曝气可以快速消毒粪便废水，同时增强氮的保留。与传统曝气相比，纳米气泡处理将消毒时间缩短了60天，总氮损失率降低了13.96%，粪便废水的温室气体排放量减少了30.21%。通过在相同气流条件下量化氧转移速率、氧转移效率和体积传质系数

未引用的参考文献

Ping等人，无日期；Zhang等人，2019年；Zhu等人，2020年

作者贡献声明

侯尚：撰写——初稿、验证、软件使用、方法论、调查、数据分析、概念化。谢恩：撰写——初稿、验证、软件使用、方法论、调查、数据分析、概念化。司布春：撰写——审稿与编辑、方法论。肖阳：撰写——审稿与编辑、方法论。丁景涛：监督、方法论。严卓宇：验证、数据分析。周海斌：调查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52339004）的资助。