超聲強(qiáng)化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

楊婷 高乃云 嚴(yán)漢林

超聲波是頻率高于20000赫斯的聲波，具有方向性好、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，且因其頻率下限接近人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。超聲波的應(yīng)用很廣泛，超聲波在水處理中的作用機(jī)理及影響因素已有很多的研究，但是常規(guī)超聲處理作用往往有限或者成本奇高，而強(qiáng)化超聲不僅提高了超聲處理的效率，且在一定程度上降低了超聲水處理的成本。雖然相對(duì)其他類(lèi)似處理成本還是比較高，但隨著研究的深入、技術(shù)的發(fā)展，相信強(qiáng)化超聲技術(shù)在水處理中將有極大的應(yīng)用前景。

超聲強(qiáng)化技術(shù)的基本原理

強(qiáng)化超聲技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：超聲空化效應(yīng)的強(qiáng)化，超聲—高級(jí)氧化技術(shù)組合強(qiáng)化，超聲—其他水處理技術(shù)強(qiáng)化。

間歇式或脈沖式超聲波為·OH（自由基）提供一段反應(yīng)時(shí)間，減少了·OH因累積而自組合的概率以達(dá)到強(qiáng)化超聲的效果。而調(diào)制超聲波則是由于高聲強(qiáng)的超聲波負(fù)責(zé)降解有機(jī)物，而低聲強(qiáng)的超聲波負(fù)責(zé)振動(dòng)傳質(zhì)的協(xié)同作用以達(dá)到提高超聲效果的。多頻超聲強(qiáng)化的原理為單頻產(chǎn)生的空化泡中有效空化泡數(shù)量有限，采用多頻組合技術(shù)能增加有效空化泡數(shù)量，提高超聲空化產(chǎn)率。添加劑強(qiáng)化超聲的原理為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)通過(guò)影響有機(jī)物在溶液中的分配系數(shù)，增強(qiáng)有機(jī)物的疏水性，從而增加有機(jī)物被氧化的幾率，且離子強(qiáng)度越大這種作用越強(qiáng)，有機(jī)物去除率越高。但是，某些無(wú)機(jī)離子還能清除·OH，這類(lèi)離子會(huì)通過(guò)減少·OH的濃度從而在一定程度上抑制有機(jī)物的去除；而催化劑主要是利用本身特性提高超聲空化過(guò)程中·OH的濃度以達(dá)到強(qiáng)化作用的；由于O2（氧氣）在空化過(guò)程中能產(chǎn)生·OH，所以充入O2時(shí)有機(jī)物降解的速率常數(shù)要大于He（氦），而Ar（氬）具有更高的絕熱系數(shù)更有利于以熱解為反應(yīng)機(jī)理的有機(jī)物的降解，所以采用適當(dāng)比例混合的Ar/O2將是更經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化方法。

超聲—高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)用就是利用高級(jí)氧化技術(shù)氧化非揮發(fā)性親水性有機(jī)物以提高超聲處理效果的，且超聲的振動(dòng)促進(jìn)傳質(zhì)作用進(jìn)一步提高超聲效果。而超聲與常規(guī)處理技術(shù)聯(lián)用如超聲—微生物處理利用超聲提高了微生物細(xì)胞的通透性，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)以達(dá)到提高超聲效果的目的；超聲—藥用炭及超聲—膜處理都是利用超聲波對(duì)藥用炭或膜的改性作用。傳質(zhì)作用及吸附截留一些超聲不能降解的有機(jī)物以提高超聲效果的；超聲—混凝組合技術(shù)是利用超聲空化的化學(xué)原理以破壞藻類(lèi)細(xì)胞的氣囊協(xié)同混凝效果以達(dá)到強(qiáng)化作用的。而超聲波與其他消毒技術(shù)的聯(lián)用作用原理則是超聲空化產(chǎn)生的H2O2及其強(qiáng)氧化性氧化有機(jī)物以降低消毒劑的用量，此外其他消毒技術(shù)能殺滅超聲不能殺滅的微生物以達(dá)到強(qiáng)化作用的；超聲與其他技術(shù)聯(lián)用的強(qiáng)化原理主要也是超聲與組合技術(shù)間的協(xié)同作用。如超聲—石墨組合技術(shù)利用超聲的震動(dòng)傳質(zhì)及微射流破碎石墨以增加石墨比表面積促進(jìn)石墨的吸附作用，外加石墨吸附一些超聲不能降解的有機(jī)物以提高超聲效果；超聲—等離子體技術(shù)也是利用超聲及等離子體技術(shù)各自的氧化特性相互補(bǔ)充以達(dá)到強(qiáng)化作用的。

超聲強(qiáng)化組合技術(shù)

超聲波空化機(jī)理決定超聲容易去除疏水、揮發(fā)性有機(jī)物，但是反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成一些親水性非揮發(fā)性甚至有害的有機(jī)物很難被超聲降解，從而抑制了有機(jī)物的徹底礦化，因此需要超聲波與其他技術(shù)組合來(lái)改善這種情況常見(jiàn)的組合有超聲高級(jí)氧化技術(shù)組合，如：超聲-微波技術(shù)組合、超聲-UV組合、超聲-Fenton組合、超聲-O3等兩項(xiàng)甚至是多項(xiàng)組合，除此之外，超聲還可以和一些常規(guī)處理工藝連用，如超聲微生物處理、超聲藥用炭處理、超聲膜處理、超聲混凝、超聲波與Cl2（氯氣）等一些消毒技術(shù)的組合等，這些組合是利用超聲與常規(guī)處理工藝的協(xié)同作用以提高超聲效果的最后還有一些水處理中應(yīng)用較少的技術(shù)聯(lián)用，如超聲-石墨、超聲-等離子體技術(shù)等，雖然有些技術(shù)還未直接應(yīng)用于水處理中但可用于催化劑的生成制備，并且隨著技術(shù)的發(fā)展會(huì)在水處理中起到一定的作用。

超聲-膜處理。超聲波與膜處理的聯(lián)用技術(shù)與超聲-藥用炭處理聯(lián)用技術(shù)的作用機(jī)理相似，除加速傳質(zhì)外，超聲波還能改善膜的性質(zhì)。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)有減少膜污染膜堵塞問(wèn)題，加大膜的過(guò)膜通量，使得膜使用周期變長(zhǎng)，降低反沖洗費(fèi)用。超聲對(duì)于膜污染控制主要是因?yàn)槌暱栈a(chǎn)生的振動(dòng)及微射流及部分有機(jī)物的氧化。超聲膜處理要注意超聲密度以免過(guò)強(qiáng)的超聲波振動(dòng)使膜破損或氧化膜的組成部分，減少膜使用壽命。但有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在一定實(shí)驗(yàn)條件下并未發(fā)現(xiàn)膜破損問(wèn)題。還有研究發(fā)現(xiàn)超聲波有助于中空纖維的內(nèi)腔真空度，促進(jìn)傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)在聲強(qiáng)為12.69w/cm2時(shí)輻射超聲1小時(shí)后膜已經(jīng)受損。

超聲—混凝技術(shù)。超聲—混凝技術(shù)用于含藻水的處理時(shí)需預(yù)處理抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，但是一些氧化抑制法往往會(huì)使得藻細(xì)胞的破碎并釋放藻毒素。而超聲—混凝技術(shù)處理含藻水時(shí)，低聲強(qiáng)超聲波會(huì)破壞藻細(xì)胞內(nèi)的氣囊，有效抑制藻類(lèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)且不破壞藻細(xì)胞，所以超聲混凝能有效處理含藻水。有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲—混凝處理含藻水最佳聲強(qiáng)為60w，時(shí)間為15s，超過(guò)則釋放藻毒素。

由于超聲處理成本高，因此可以采用超聲與其他常規(guī)處理聯(lián)用技術(shù)，聯(lián)用技術(shù)中超聲作用時(shí)間很短，如超聲—混凝土，超聲—膜處理等，成本相對(duì)較低且處理效果好。還有一些聯(lián)用技術(shù)現(xiàn)階段還沒(méi)有用于水處理中，但是隨著技術(shù)的發(fā)展及認(rèn)識(shí)的深入，必然會(huì)在水處理中占據(jù)一定的位置，為水處理開(kāi)辟新的道路。