超声强化技术在水处理中的应用及研究进展

杨婷 高乃云 严汉林

超声波是频率高于20000赫斯的声波，具有方向性好、穿透能力强的特点，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，且因其频率下限接近人的听觉上限而得名。超声波的应用很广泛，超声波在水处理中的作用机理及影响因素已有很多的研究，但是常规超声处理作用往往有限或者成本奇高，而强化超声不仅提高了超声处理的效率，且在一定程度上降低了超声水处理的成本。虽然相对其他类似处理成本还是比较高，但随着研究的深入、技术的发展，相信强化超声技术在水处理中将有极大的应用前景。

超声强化技术的基本原理

强化超声技术主要包括以下几个方面：超声空化效应的强化，超声—高级氧化技术组合强化，超声—其他水处理技术强化。

间歇式或脉冲式超声波为·OH（自由基）提供一段反应时间，减少了·OH因累积而自组合的概率以达到强化超声的效果。而调制超声波则是由于高声强的超声波负责降解有机物，而低声强的超声波负责振动传质的协同作用以达到提高超声效果的。多频超声强化的原理为单频产生的空化泡中有效空化泡数量有限，采用多频组合技术能增加有效空化泡数量，提高超声空化产率。添加剂强化超声的原理为无机盐类通过影响有机物在溶液中的分配系数，增强有机物的疏水性，从而增加有机物被氧化的几率，且离子强度越大这种作用越强，有机物去除率越高。但是，某些无机离子还能清除·OH，这类离子会通过减少·OH的浓度从而在一定程度上抑制有机物的去除；而催化剂主要是利用本身特性提高超声空化过程中·OH的浓度以达到强化作用的；由于O2（氧气）在空化过程中能产生·OH，所以充入O2时有机物降解的速率常数要大于He（氦），而Ar（氩）具有更高的绝热系数更有利于以热解为反应机理的有机物的降解，所以采用适当比例混合的Ar/O2将是更经济有效的强化方法。

超声—高级氧化技术联用就是利用高级氧化技术氧化非挥发性亲水性有机物以提高超声处理效果的，且超声的振动促进传质作用进一步提高超声效果。而超声与常规处理技术联用如超声—微生物处理利用超声提高了微生物细胞的通透性，促进细胞内外的传质以达到提高超声效果的目的；超声—药用炭及超声—膜处理都是利用超声波对药用炭或膜的改性作用。传质作用及吸附截留一些超声不能降解的有机物以提高超声效果的；超声—混凝组合技术是利用超声空化的化学原理以破坏藻类细胞的气囊协同混凝效果以达到强化作用的。而超声波与其他消毒技术的联用作用原理则是超声空化产生的H2O2及其强氧化性氧化有机物以降低消毒剂的用量，此外其他消毒技术能杀灭超声不能杀灭的微生物以达到强化作用的；超声与其他技术联用的强化原理主要也是超声与组合技术间的协同作用。如超声—石墨组合技术利用超声的震动传质及微射流破碎石墨以增加石墨比表面积促进石墨的吸附作用，外加石墨吸附一些超声不能降解的有机物以提高超声效果；超声—等离子体技术也是利用超声及等离子体技术各自的氧化特性相互补充以达到强化作用的。

超声强化组合技术

超声波空化机理决定超声容易去除疏水、挥发性有机物，但是反应过程中会生成一些亲水性非挥发性甚至有害的有机物很难被超声降解，从而抑制了有机物的彻底矿化，因此需要超声波与其他技术组合来改善这种情况常见的组合有超声高级氧化技术组合，如：超声-微波技术组合、超声-UV组合、超声-Fenton组合、超声-O3等两项甚至是多项组合，除此之外，超声还可以和一些常规处理工艺连用，如超声微生物处理、超声药用炭处理、超声膜处理、超声混凝、超声波与Cl2（氯气）等一些消毒技术的组合等，这些组合是利用超声与常规处理工艺的协同作用以提高超声效果的最后还有一些水处理中应用较少的技术联用，如超声-石墨、超声-等离子体技术等，虽然有些技术还未直接应用于水处理中但可用于催化剂的生成制备，并且随着技术的发展会在水处理中起到一定的作用。

超声-膜处理。超声波与膜处理的联用技术与超声-药用炭处理联用技术的作用机理相似，除加速传质外，超声波还能改善膜的性质。该技术优势有减少膜污染膜堵塞问题，加大膜的过膜通量，使得膜使用周期变长，降低反冲洗费用。超声对于膜污染控制主要是因为超声空化产生的振动及微射流及部分有机物的氧化。超声膜处理要注意超声密度以免过强的超声波振动使膜破损或氧化膜的组成部分，减少膜使用寿命。但有关研究发现在一定实验条件下并未发现膜破损问题。还有研究发现超声波有助于中空纤维的内腔真空度，促进传质过程，同时在声强为12.69w/cm2时辐射超声1小时后膜已经受损。

超声—混凝技术。超声—混凝技术用于含藻水的处理时需预处理抑制藻类生长，但是一些氧化抑制法往往会使得藻细胞的破碎并释放藻毒素。而超声—混凝技术处理含藻水时，低声强超声波会破坏藻细胞内的气囊，有效抑制藻类细胞的生长且不破坏藻细胞，所以超声混凝能有效处理含藻水。有试验发现，超声—混凝处理含藻水最佳声强为60w，时间为15s，超过则释放藻毒素。

由于超声处理成本高，因此可以采用超声与其他常规处理联用技术，联用技术中超声作用时间很短，如超声—混凝土，超声—膜处理等，成本相对较低且处理效果好。还有一些联用技术现阶段还没有用于水处理中，但是随着技术的发展及认识的深入，必然会在水处理中占据一定的位置，为水处理开辟新的道路。