WO2013123822A1 - 用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统 - Google Patents

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water
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宋德君
胡黎明
李恒震
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清华大学
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    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/002—Reclamation of contaminated soil involving in-situ ground water treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006—Regulation methods for biological treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
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    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/22—Activated sludge processes using circulation pipes
    • C02F3/226—"Deep shaft" processes
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of contaminated groundwater remediation, and particularly relates to a method and system for in situ remediation of groundwater by micro-nano bubbles.
  • groundwater resources have an extremely important role for economic and social development under the conditions of serious pollution of surface water in China.
  • the global environmental pollution problem has become increasingly serious, and the petrochemical industry is one of the important sources of pollution. ⁇ The deterioration of F water quality in China is remarkable. In many areas, groundwater is polluted by toxic and harmful organic substances in different degrees, and the situation is severe.
  • the national “Twelfth Five-Year Plan” proposes to "enhance environmental protection efforts” to solve the problem of "soil pollution and other prominent environmental problems that harm the health of the people” and “enhance the prevention and control of groundwater pollution.”
  • the National Groundwater Pollution Prevention and Control Plan (20.1.1 ⁇ 2020) issued in U) in 2011 pointed out that it is necessary to "predict the deterioration of groundwater quality” and “enhance the supervision of groundwater environment in key industrial sectors,” and “plannedly Accelerate the restoration of groundwater pollution.”
  • the development of environmentally friendly and energy-efficient pollution groundwater innovation and restoration technology and Yingchuan are important ways for China's national economy and social sustainable development.
  • the in-situ remediation technology of groundwater F has been rapidly developed due to its low cost and low environmental disturbance. It is the main technology for J.
  • Natural attenuation method and biological ventilation are conventional techniques for in-situ repair of organically polluted groundwater. It is suitable for the repair of large-area, low-pollution load sites.
  • the natural attenuation method is to reduce the content of pollutants in soil and groundwater by using biological, chemical and physical processes existing in nature, including biodegradation, dilution, separation, adsorption or absorption, volatilization and chemical conversion, under suitable conditions F.
  • the natural and mobile natural attenuation method can effectively treat volatile and semi-volatile petroleum hydrocarbons, halogenated organic matter contaminated soil and groundwater, and is an in situ remediation technology commonly used for less polluted conditions. Effective natural attenuation can replace the enhanced recovery technology and save on repair costs.
  • the natural attenuation method requires long-term follow-up monitoring to understand the natural degradation laws and development levels of the site. The research shows that the natural degradation ability of the site is strongly dependent on the environmental conditions. Due to the poor oxygen supply conditions, the existing electron acceptors often fail to meet the requirements of microbial degradation reactions, the aerobic microbial degradation is inhibited, and the reaction rate is slow.
  • Biological ventilation aerates contaminated soil by air or pressure, increasing the concentration of oxygen in the soil, thereby promoting the activity of aerobic microorganisms and improving the degradation efficiency of pollutants in the soil.
  • the air moves in the groundwater in the form of micro-channel or millimeter-cm-sized independent bubbles.
  • the influence range is small, the effect is poor, and the aerobic microbial degradation ability is not fully utilized. Limited effect.
  • the OMR method Oil and Chemical Reaction:: Microbubbles were once noticed, but the diameter of the bubbles formed was still limited to the millimeter level. Until the mid-1990s, the bubble generation technology broke through, the bubble diameter reached the micron level, and the formed commercial equipment came into being.
  • the micro-nano bubble refers to the general name of the micron and nano-scale bubbles in the liquid, and its diameter is generally less than 60 ⁇ , micron. The diameter of the bubbles is between 1 and 60 ⁇ m, and the diameter of the nanobubbles is below 200 nm.
  • the micro-nano bubble generation technology in the pre-water body has matured.
  • the millimeter-cm-level macroscopic bubble will rise rapidly under the action of buoyancy and rupture at the water surface: while the micro-nano bubble is slower due to the smaller diameter, ⁇ .
  • Viscous force and buoyancy, in the water body The residence time is longer, the nanobubbles can remain in the water for several months, so the micro-nano bubbles can move with the groundwater, and the migration influence range is much larger than that of ordinary bubbles due to the interfacial tension of water and gas.
  • the internal pressure of the bubbles is large, and the high solubility can be water.
  • the micro-nano bubble gas-liquid interface is negatively charged and can be correlated with specific pollutants ffl.
  • the free radicals and vibration waves generated when the micro-nano bubbles burst can also promote the removal of contaminants. Summary of the invention
  • the invention provides a method and a system for in situ remediation of groundwater by using micro-nano bubbles, which can perform in-situ groundwater remediation on hydrogeological environment conditions and different organic contaminated sites, and at the same time, the concentration of pollutants, the population and quantity of microorganisms in the repair process, Temperature, pH, electronic exchange capacity and other parameters were monitored and analyzed to provide experimental data for relevant scientific research.
  • the method for in situ repair of groundwater by micro-nano bubbles comprises the following steps:
  • the micro-nano aeration device is placed in the water injection well, through the solar power supply device or the battery, and through the remote wireless communication The device is connected to the ground for remote monitoring and control;
  • the micro-nano bubbles have a size of 100 nm to 0.2 mm.
  • the maximum extent of the contaminated area effectively repaired by the single water injection well does not exceed 500 m; the concentration of the organic sewage does not exceed 5000 ppm.
  • the invention provides a system for in situ remediation of groundwater by micro-nano bubbles using the method, the technical scheme of which is: setting one or more water injections in the upstream position of the groundwater contaminated by the organic pollutants, and in the contaminated area
  • the tl side is provided with monitoring wells with different positions;
  • the micro-nano aeration device is installed on the groundwater level line of the injection well, and the solar power supply device is installed on the surface, and the micro-nano aeration device and the solar power supply device are connected by the power line;
  • Water inlet and intake on the top surface of the nano aerator Tube, and the top of the intake pipe is higher than the groundwater level line,
  • the micro-nano bubble water outlet is arranged on the bottom surface of the micro-nano aerator;
  • the wireless communication device is arranged on the micro-nano aeration device;
  • the water quality monitoring sensor is respectively arranged in each monitoring well.
  • the water inflow and water output of the micro-nano aerator are lL/min ⁇ 10L/min.
  • the intake air amount is ().025L/min ⁇ 0.25L/min
  • the size of the generated micro-nano bubbles is 100 nm ⁇ 0.2 mm.
  • the main mechanism of micro-nano bubbles to remove organic pollutants is:
  • Micro-nano bubbles increase dissolved oxygen in groundwater, promote the growth of aerobic microorganisms and the degradation of organic pollutants, and the aerobic bacteria on the site can reach 10 times or more;
  • Micro-nano bubbles provide good oxygen supply, long duration and wide range of influences, make up for the inadequacy of conventional in-situ remediation techniques such as natural degradation and ventilation, promote microbial degradation, and repair organic contaminated groundwater.
  • the micro-nano aerator is powered by solar energy and battery, which is stable in operation and low in maintenance cost. Especially in large-scale contaminated sites, or in field sites where power supply is difficult, there are strong advantages: (5) The micro-nano aeration device is connected to the ground through a remote wireless device, which can realize remote control and save manpower and material resources;
  • the micro-nano aeration device uses water and air to generate water containing micro-nano bubbles, wherein the water directly extracts the groundwater, and the gas is taken from the air through the self-aspirating device, and does not need to occupy another site;
  • the acquisition is simple and fast, saving manpower, material and financial resources;
  • the technology stimulates and promotes the growth and proliferation of indigenous microorganisms, does not introduce other environmental microorganisms, and has little impact on the site environment and ecological engineering;
  • Figure 1 is a schematic view showing the structure of a micro-nano bubble generation portion
  • FIG. 2 is a schematic view of the removal of groundwater contaminants using the method and system of the present invention
  • 1 - micro-nano aeration device 2-inlet; 3-intake pipe; 4-air; 5-micro-nano bubble water outlet; 6-wireless communication device: 7-groundwater; 8-micro-nano bubble water; 9-solar Power supply unit; 10-power cord: ! Water quality monitoring sensor.
  • the present invention provides a method and system for in situ remediation of groundwater using micro-nano bubbles.
  • the invention will now be further described in conjunction with the drawings and specific embodiments.
  • step (1) construct one or more injection wells in the upstream of the contaminated area, or use the existing well position; install the micro-nano aeration device 1 below the groundwater level line of the injection well, at Jlk
  • the agricultural installation solar power supply device 9, the micro-nano aeration device 1 and the solar power supply device 9 are connected by a power line 10; the top surface of the micro-nano aeration device 1 is provided with a water inlet 2 and an intake pipe 3, and the top end of the intake pipe 3
  • the micro-nano bubble water outlet 5 is disposed on the bottom surface of the micro-nano aerator 1; the wireless communication device 6 is disposed on the nano-aeration device 1; the water inflow and the water output of the micro-nano aerator 1 are 1L.
  • the intake air amount is 0.025L/min ⁇ 0.25L/min
  • the size of the generated micro-nano bubbles is 100 nm ⁇ 0.2 mm
  • the output of the solar power supply device 9 is DC 12V (maximum of 15V)
  • the electric intensity is up to 10A;
  • the micro-nano aeration device 1 uses the well air 4 and the groundwater 7 to perform micro-nano gas.
  • the micro-nano bubble water 8 is generated, injected into the groundwater, and flows to the contaminated area along the groundwater flow direction, Organic pollutants are removed.

Abstract

一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法，在地下水（7）被有机污染物污染区域的上游位置设置注水井，将微纳米曝气装置（1）置于注水井中，通过太阳能供电装置（9）或蓄电池供电，并通过远程无线通讯装置（6）与地面实现远程监测和控制，空气（4）与水通过微纳米曝气装置（1）产生微纳米气泡水（8），进入地下水（7）系统中，直接分解有机污染物或为微生物持续补充电子受体，促进有机污染物的降解去除，同时设置监测井对去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，远程调节微纳米气泡的发生时间、进水量和曝气量。还提供了实施该方法的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统。该方法及系统成本低。

Description

说 明 书
用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统 技术领域
本发明属于受污染地下水修复技术领域， 特别涉及一种用微纳米气泡对地 下水原位修复的方法及系统。
背景技术
环境与发展， 是当今国际社会普遍关注的重大问题。 为了实现可持续的发 展， 环境保护和治理工作应是发展过程的组成部分。 地下水资源作为全球水资 源的重要组成部分， 在我国地表水严重污染的条件下， 对于经济和社会发展具 1 ^极其重要的作用。 近年来， 由于社会经济的高速发展和工业废弃物的大量产 .. 全球的环境污染问题日益严重， 其中石油化学工业是重要污染源之一。 目 πίί我国地 F水质量恶化趋势显著， 许多地区地下水不同程度遭受有毒有害有机 物的污染， 形势 · 分严峻。 国家"十二五''规划提出要"加大环境保护力度"， 解决 --土壤污染等损害群众健康的突出环境问题"， "加强地下水污染防治"。 2011 年 U)月发布的 《全国地下水污染防治规划 （20】.1一~2020年）》 指出要 "初步遏制地 下水水质恶化趋势"， "加强重点工业行业地下水环境监管， '， "有计划地加快推进 地下水污染修复"。 环境友好和节能高效的污染地下水创新修复技术的开发和应 川是我国国民经济和社会可持续发展的重要途径。
地 F水原位修复技术由于成本较低、 对环境干扰较小而得到迅速发展， 是 J也下水污染修复的主要技术。 自然衰减法和生物通风是有机污染地下水原位修 的常规技术. 适用于大面积、 低污染负荷场地的修复。 自然衰减法是在合适 的条件 F利用自然界存在的生物、 化学和物理过程， 包括生物降解、 稀释、 分 作用、 吸附或吸收、 挥发和化学转换等， 来降低土壤和地下水中污染物含量、 性、 移动性 自然衰减法能有效地处理挥发性和半挥发性石油烃、 卤代有机 物污染的土壤和地下水， 是针对污染程度较轻情况常用的原位修复技术。 有效 的自然衰减可以替代强化恢复技术， 节约修复成本。 自然衰减法需要长期跟踪 监测， 了解场地自然降解规律和发展程度。 研宄表明， 场地自然降解能力强烈 依赖环境条件， 由于供氧条件较差， 存在的电子受体往往无法满足微生物降解 反应的需要量， 好氧微生物降解作用受到抑制， 反应速率缓慢。 生物通风通过 空或加压对污染土壤进行曝气， 使土壤中的氧气浓度增加， 从而促进好氧微 生物的活性， 提高土壤中污染物的降解效率。 然而生物通风过程中空气在地下 水中 -般以微通道或毫米-厘米级粒径的独立气泡形式运动， 影响范围较小， 供 ¾效果较差， 好氧微生物降解能力没有得到充分发挥， 因而修复作用有限。
为提高曝气效率， 降低气泡直径从而增加气相在水体内的滞留时间是研究 的 :要方向之一。 1980年代以后，以 OHR方式（Original Hydrodynamic Reaction) ::成微细气泡一度颇受瞩目， 但其生成的气泡直径在仍局限于毫米级。 直到九 十年代中期， 气泡生成技术才有所突破， 气泡直径达到微米级， 并有成型的商 设备问世 微纳米气泡是指液体中微米和纳米量级气泡的统称， 其直径一般 小于 60μπι， 微米气泡直径在 1-60μιη之间， 纳米气泡的直径则在 200nm以下。 前水体中微纳米气泡生成技术已经发展成熟。 在水体中毫米-厘米级宏观气泡 将在浮力作用下迅速上升， 并在水表面处破裂： 而微纳米气泡则由于直径较小， ±.粘滞力和浮力作用下上升速度较慢， 在水体中停留时间较长， 纳米气泡在水 中可存留数月 因此微纳米气泡可以随地下水运动， 迁移影响范围远大于普通 气泡 由于水气界面张力作用， 气泡内压较大， 其高溶解能力可为水体提供高 含量的溶解氧 同时， 微纳米气泡气液界面带负电荷， 可以与特定的污染物相 Ϊ ffl , 微纳米气泡破裂时产生的自由基和振动波也可促进污染物的去除。 发明内容
本发明提供了一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统， 可以对 水文地质环境条件和不同有机污染场地进行原位地下水修复， 同时对修复 过程污染物浓度、 微生物种群和数量、 温度、 pH值、 电子交换能力等参数进行 实施监测和分析， 为相关科学研宄提供实验数据。
本发明所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法， 包括以下步骤：
( 1 )在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置与地表连通的一个或 个注水井， 将微纳米曝气装置置于注水井中， 通过太阳能供电装置或蓄电池 洪 ， 并通过远程无线通讯装置与地面相连， 实现远程监测和控制；
C2 ) 空气与水通过微纳米曝气装置产生含有微纳米气泡的水， 进入地下水 系统中， 微纳米气泡随地下水的运动输移扩散， 直接分解有机污染物或为微生 物持续补充电子受体， 促进有机污染物的降解去除；
(3 ) 在污染区域设置多个不同位置的与地表连通的监测井， 利用监测井对 除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析， 并根据分析结果， 远程调 ) Ϊ微纳米气泡的发生时间和曝气量。
所述微纳米气泡的尺寸为 100 nm〜 0.2 mm。
所述单个注水井有效修复的污染区域的最大范围不超过 500m; 所述有机污 ¾物的浓度不超过 5000ppm。
.本发明提供的使用所述方法的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统， 其 技术方案为： 在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置一个或多个注水 并， 在污染区域的 tl方设置多个位置不同的监测井； 在注水井的地下水水位线 方安装微纳米曝气装置， 在地表安装太阳能供电装置， 微纳米曝气装置与太 能供电装置间通过电源线连接； 微纳米曝气装置的顶面上设置进水口和进气 管， 且进气管的顶端高于地下水位线， 微纳米曝气装置的底面上设置微纳米气 泡水出口； 微纳米曝气装置上设置无线通讯装置； 在各个监测井内分别设置水 质监测传感器。
所述微纳米曝气装置的进水量和出水量为 lL/min 〜 10L/min.， 进气量为 ().025L/min〜 0.25L/min, 产生的微纳米气泡的尺寸为 100 nm〜 0.2 mm。
微纳米气泡去除有机污染物的过程主要机理为：
( 1 )微纳米气泡增加地下水中的溶解氧， 促进好氧微生物成长和有机污染 物的降解， 现场的好氧菌可达原来的 10倍以上；
^ 2 ) 微纳米气泡表面带电， 对污染物有吸附作用-
( 3 ) 微纳米气泡破裂时释放能量， 生成羟基自由基离子， 对污染物具有氧 化分解作用。
本发明的有益效果为：
U ) 微纳米气泡供氧效果好、 持续时间长、 影响范围大， 弥补自然降解和 物通风等常规原位修复技术的不足， 促进微生物降解作用， 对有机污染地下 水进行修复。
( 2 ) 能够针对不同场地水文地质条件、 有机污染情况 （种类和浓度等：)、 以及微生物生态环境条件， 选择和设计修复技术的细节， 具有成本低， 环境友 好和节能高效的特点， 适宜于较大面积， 低污染负荷的场地修复。
( 3 ) 能实时监测各项参数， 主要包括污染物浓度、 微生物种群和数量、 温 度、 pH值、 电子交换能力等， 对修复效果的进行科学分析和评价， 从而进一步 降低成本和提高修复效率；
(4 ) 微纳米曝气装置采用太阳能和蓄电池供电， 运行稳定， 维护成本低。 尤其在大规模污染场地， 或电力供给困难的野外场地具有强大优势： ( 5 ) 微纳米曝气装置通过远程无线装置与地面相连， 可以实现远程操控， 节约人力物力；
( 6 ) 微纳米曝气装置使用水及空气产生含有微纳米气泡的水， 其中水直接 采 ffl地下水， 气体则通过自吸气装置从空气中获取， 不需另外占用场地； 水源 不 Π气源的获取简便快捷， 节约人力物力财力；
( 7 ) 该技术刺激和促进土著微生物生长和增殖， 不引入其它环境微生物， 对场地环境和生态工程影响小；
( 8 ) 该技术所需注水井、 监测井可以部分采用己有的工程井位， 初始投资 少. 运营成本低；
( 9 ) 地下水修复达到环境标准后， 相关技术设备可以回收进行重复利用。 附图说明
图 1为微纳米气泡生成部分结构示意图；
图 2为使用本发明所述的方法及系统对地下水污染物进行去除的示意图； 图中标号：
1 -微纳米曝气装置： 2-进水口； 3-进气管； 4-空气； 5-微纳米气泡水出口； 6-无线通讯装置： 7-地下水； 8-微纳米气泡水； 9-太阳能供电装置； 10-电源线： ！ 水质监测传感器。
具体实施方式
本发明提供了一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统， 下面结 合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
利用本发明所述的方法和系统对地下水有机污染物进行微纳米曝气去除的
( 1 ) 确定地下水有机污染物的区域， 并确定地下水的流动方向， 并确定需 要的注水井的数量；对单个注水井来说，该被污染的区域最大范围不超过 500m、 fi机污染物的浓度不超过 5000ppm时， 本发明所述的方法和系统可以起到较好 的修复效果：
(2) 根据步骤 （1) 的测定， 在污染区域的上游位置建设一个或多个注水 井， 或采用己有井位； 在注水井的地下水水位线下方安装微纳米曝气装置 1， 在 Jlk农安装太阳能供电装置 9，微纳米曝气装置 1与太阳能供电装置 9间通过电源 线 10连接； 微纳米曝气装置 1的顶面上设置进水口 2和进气管 3， 且进气管 3 的顶端高于地下水位线， 微纳米曝气装置 1的底面上设置微纳米气泡水出口 5; 徴纳米曝气装置 1上设置无线通讯装置 6;微纳米曝气装置 1的进水量和出水量 为 lL/min〜 10L/min,进气量为 0.025L/min〜 0.25L/min, 产生的微纳米气泡的尺 寸为 100 nm〜 0.2 mm;太阳能供电装置 9的输出为直流 12V (最大不超过 15V), 电 强度最大为 10A;
(3) 在地下水被有机污染物污染的区域设置多个不同位置的观测井， 在各 个监测井内分别设置水质监测传感器 11， 远程监测和分析修复过程参数；
) 在注水井中， 微纳米曝气装置 1利用井内空气 4和地下水 7进行微纳 t曜气. 产生微纳米气泡水 8， 注入至地下水中， 并顺着地下水流动方向流至污 染区域， 对有机污染物进行去除。

Claims

权 利 要 求 书
1. 用微纳米气泡对地 F水原位修复的方法， 其特征在于，
在地 ' F水被有机污染物污染区域的上游位置设置与地表连通的一个或多个 注水井， 将微纳米曝气装置置于注水井中， 通过太阳能供电装置或蓄电池供电， 并通过远程无线通讯装置与地面相连， 实现远程监测和控制；
空气与水通过微纳米曝气装置产生含有微纳米气泡的水， 进入地下水系统 中， 微纳米气泡随地下水的运动输移扩散， 直接分解有机污染物或为微生物持续 补充电子受体， 促进有机污染物的降解去除；
在污染区域设置多个不同位置的与地表连通的监测井， 利用监测井对去除有 机污染物过程中各参数进行实时监测和分析， 并根据分析结果， 远程调节微纳米 气泡的发生时间和曝气量。
2. 根据权利要求 1 所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法， 其特征 在于， 所述微纳米气泡的尺寸为 100 nm〜 0.2 mm。
3. 根据权利要求 1 所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法， 其特征 在于， 所述单个注水井能处理的污染区域的最大范围不超过 500m: 所述有机污 染物的浓度不超过 5000ppm。
4. 一种基于权利要求 1所述方法的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统， 其特征在于， 在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置一个或多个注水 井. 在污染区域的上方设置多个位置不同的监测井； 在注水井的地下水水位线下 方安装微纳米曝气装置 （1 ) , 在地表安装太阳能供电装置 （9), 微纳米曝气装置
( 1 ) 与太阳能供电装置 （9 ) 间通过电源线 （10 ) 连接； 微纳米曝气装置 （1 ) 的顶面上设置进水口 （2 )和进气管（3 )， 且进气管（3 ) 的顶端高于地下水位线， 微纳米曝气装置（1 )的底面上设置微纳米气泡水出口 （5 ) ; 微纳米曝气装置 U ) 上设置无线通讯装置 （6); 在各个监测井内分别设置水质监测传感器。
5. 根据权利要求 4所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统， 其特征 在于， 所述微纳米曝气装置（1 ) 的进水量和出水量为 lL/min ~ 10L/min, 进气量 为 0.025L/min〜 0.25L/min， 产生的微纳米气泡的尺寸为 100 nm〜 0.2 mm。
PCT/CN2013/000062 2012-02-21 2013-01-21 用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统 WO2013123822A1 (zh)

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