超声波水处理技术及应用 

· 　　利用超声技术降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物是近几年来发展起来的新型水处理技术〔1~4〕。它具有去除效率高、反应时间短、设施简单、占地面积小等优点。

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　　声化学是一门新兴的交叉学科,主要是指利用超声波来加速化学反应,提高化学反应产率。声化学反应是通过声空化过程实现的。声空化把声场能量集中起来,然后伴随空化泡崩溃而在极小的空间内将其释放出来,使之在正常温度与压力的液体环境中产生异乎寻常的高温(高于5000K)和高压(高于5×107Pa),形成“热点”(Hotspot),从而开辟化学反应通道,增大化学反应速率。
　　
　　利用超声技术降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物是近几年来发展起来的新型水处理技术〔1~4〕。它具有去除效率高、反应时间短、设施简单、占地面积小等优点。近年来,超声技术在处理微污染水、高浓度难降解的有机废水、污泥以及饮用水杀菌、消毒和工业废水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了较大的成果。
　　
　　1用于水处理的几种声化学反应器
　　
　　1.1超声清洗槽式反应器
　　

　　普通的超声波清洗器一般是将一组并联的压电换能器置于清洗槽底部,槽内注入水等耦合液,然后将反应容器置于耦合液中(如图1)。这类反应器具有价廉易得、操作简单方便等优点,目前实验室中大部分的声化学反应都是用它来进行的。图1清洗槽式反应器超声清洗器虽被广泛用于实验室的声化学研究,但在工业应用上有一些缺点:(1)反应容器与耦合液之间的声阻抗差别很大,声波反射极为严重;(2)清洗槽内的声强较小,一般不超过5W/cm2;(3)由于商品化的超声清洗器的频率都不准确,且其效率与反应容器的形状以及反应容器置于耦合液中的深度有关,因而试验结果的重现性比较差;(4)反应过程中耦合液会因吸收超声波的声能而温度升高,因而不易控制反应温度。
　　
　　1.2变幅杆式声化学反应器

　　这是一种很有效的声化学反应器,超声探头能使能量集中,在超声辐射端面上可以获得数百W/cm2的声强(如图2)。这种反应器有以下优点:由于变幅杆的聚能作用,声能密度大大提高;能根据声能密度的大小精确设计反应器;探头的发射端面一般设计为可拆卸式,这样就可以根据所需声强随时选用端面大小合适的探头,同时,当探头被空化严重腐蚀后,只需更换端部,而不必更换价格昂贵的整个探头。
　　
　　1.3平行板近场声处理器

　　平行板近场声处理器(NAP)是美国Lewis公司开发的。该系统由一个矩形空间构成,矩形空间上下两块平行金属板上都镶嵌有换能器,分别产生频率各自为20kHz和16kHz的超声波。矩形空间内的超声声强是单一金属板发射的超声声强的两倍以上,被处理液体从矩形空间的一端流入,另一端流出,当液体流经上下两块金属板构成的区域时,即会受到超声波的辐射。图3为NAP系统处理装置。1998年,G.Thoma用该装置处理含苯和甲苯的废水,处理液体积为22L,流量为3～10mL/min,整个处理过程中以O2曝气。试验结果表明,初始质量浓度为4～8mg/L的苯和甲苯废水经声强为0.65～3.6W/cm2的NAP系统处理后,两者的降解均呈一级反应,反应速率常数为0.0027～0.0370min-1。
　　
　　2超声技术在水处理中的应用
　　
　　2.1用于处理微污染原水
　　
　　随着工农业生产的发展和人口的增加,加之缺乏环境保护意识,大量含有各种有毒有害物质的工业废水和生活污水未经处理或稍加处理就排入水体,造成水体污染,从而使大多数饮用水源成为微污染水源。对微污染原水进行深度处理从而进一步改善供水水质是许多水厂面临的难题之一,现行的深度处理方法如活性炭、膜法、臭氧—活性炭联用技术都存在着一定的问题。
　　
　　近年来,超声技术用于处理微污染原水的研究已展开。程爱华等用腐殖酸、Fe3+离子、SiO2、阴离子洗涤剂、苯酚等配成一定浓度的模拟微污染水,在不同的反应容器(烧杯、圆盘、圆桶)中用频率为20～24kHz,功率500W的超声波处理一段时间,结果表明,超声波对微污染水的色度、浊度、有机污染物均具有一定的去除作用,对降解色度、有机物来说,圆桶中实验效果最好,圆盘中实验效果次之,烧杯实验效果最差;对去浊而言,烧杯实验效果最好,圆桶中实验效果次之,托盘实验效果最差。刘红等将超声波用于强化微污染水的生物处理,结果表明,通过一定强度的超声波处理后,膜生物反应器的生物活性得到增强,反应器有机负荷增加,有机物净化效率提高。超声处理促进了生物活性,且功率为10W的超声波促进生物活性的效果最为明显。
　　
　　2.2用于处理高浓度难降解有机废水
　　
　　超声技术可用于处理各种难降解的有机废水,目前已用于含单环芳香族化合物、多环芳烃、酚类、氯化烃、氯代烃、有机酸、染料、醇类、酮类等废水处理的研究,并取得良好的效果。在实际的工业废水中,超声技术已用于处理造纸废水、印染废水、制革废水、焦化废水、制药废水、垃圾渗滤液等,并取得较好的效果;李志建等采用超声与厌氧生化法相联合处理工艺处理碱法草浆黑液,COD去除率可达57%～69%,比单纯厌氧法提高约20%,且处理后污泥活性增加,综合毒性降低;祁梦兰等用超声处理染料废水,发现废水的可生化性提高,BOD5/COD由0.22～0.28上升到0.44～0.51;李国英等用声强为1.47W/cm2、频率为24kHz的超声波强化混凝沉淀处理制革废水,实验结果表明:先施加超声波60s,再投加混凝剂,COD去除率最高可达73.2%,比不用超声波时提高10%以上,表明超声波对混凝沉淀法处理制革废水有明显的强化作用;张子间用超声波—SBR法处理焦化废水,在声强为9.21W/cm2,处理时间为2.5min时,废水的BOD5/COD由2.0提高到4.5;胡学伟用频率18kHz、声强0.110W/cm2的超声波处理垃圾渗滤液,结果表明,在pH7、温度为55℃、处理时间为240min的条件下,渗滤液的COD由37050mg/L降低到14140mg/L,COD去除率达61.96%。
　　
　　2.3用于城市污泥的处理
　　
　　超声波在污泥处理中主要用于污泥脱水和促进厌氧发酵两个方面。超声波脱水常见工艺为城市污泥→重力沉降→超声波处理→机械脱水。污泥菌胶团内部包含水约占污泥总水量的27%,而菌胶团结构稳定,难以被机械作用(压滤、离心等)破坏,造成污泥脱水困难。超声波能有效的破坏菌胶团结构,将其内部包含水释放出来,成为可以比较容易去除的自由水。A.Teihm等研究表明用31kHz、声能密度0.11W/cm3的超声波处理可以有效打破菌胶团,处理30s后污泥平均尺寸从165μm下降到135μm,处理96s后下降到85μm。同时发现污泥菌胶团的解构效率随超声波频率的升高而降低,最佳分解频率为41kHz。超声波破坏菌胶团结构后,大量被挟裹在菌胶团内的有机物被释放到水中,从而易于为微生物所用。Y.Chiu等发现,频率20kHz、声能密度0.12W/cm3的超声波处理4h将污泥中可溶性COD占总COD的比值(SCOD/TCOD)从36%提高到89%,可溶性N的比值从34%提高到42%,基本取代了污泥水解过程,从而极大的缩短污泥厌氧发酵时间并提高了污泥可生化性。U.Neis等研究表明用频率41kHz、声能密度0.10W/cm3的超声波处理30～120min,可以使污泥厌氧发酵时间从22d降到8d,比容积消化速率从437g/(m3•d)上升到1166g/(m3•d)。
　　
　　2.4其他应用
　　
　　超声技术还可以用于饮用水杀菌、消毒、阻垢、去除水垢等。林卫红对超声灭菌进行了研究,指出当频率为200kHz、声强为2W/cm2时,效果最佳,并且超声灭菌效果与原水中的细菌浓度无关。刘天庆利用超声—臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢,发现用频率为20kHz、振幅为20%的超声处理,可有效地控制生物垢的生长,该技术还可以移除90%以上已形成的生物垢。
　　
　　3结语
　　
　　目前超声技术在水处理上的研究已取得了较大的成果,但绝大部分的研究都还局限于实验室水平上。要使超声技术走向工业化应用,还需加强以下几方面的研究:
　　
　　(1)进一步研究各参数对降解效果的影响,寻求最佳参数值。
　　
　　(2)研究考察两种及两种以上不同频率的超声波同时作用时对降解效果的影响。
　　
　　(3)研究超声与其他氧化工艺的协同作用,实现多项单元技术的优化组合,使其从技术上和经济上更为可行。
　　
　　(4)加大对反应动力学的研究,研制开发高效的、能够大批量处理和连续运行的超声波反应器。

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