超声波及其联合技术在水处理应用中的研究现状

唐抒圆　裴雪　李欣　孙磊龙　海蛟

【摘 要】将超声波技术应用于水处理领域是近些年来兴起的研究，本文介绍了目前超声波技术在处理染料废水、含酚废水、苯系物废水、有机农药废水及剩余污泥中的研究进展，并对学者们研究的各类超声波联合应用技术进行总结。

【关键词】超声波；水处理；联合技术

【Abstract】Application of ultrasonic in water treatment rise up in recent years， this paper introduce the treatment of dye wastewater， phenolic wastewater， benzene wastewater，organicpesticide wastewater and surplus sludge by ultrasonic， and summarize kinds of ultrasonic combined technologies studied by researchers.

【Key words】Ultrasonic； Water treatment； Combinational technology

超声波是频率高于人类所能辨识的声音上限的声波，在液体介质中，超声波在一定条件下会产生空化现象，并形成热点，并产生·H、·OH自由基[1]。通过空化作用与自由基作用，可以使得水中的有机物加快降解进程，最终生成CO2、H2O和其他无机物等[2]。因此，很多学者进行了利用超声波技术处理有机污水的相关研究，并取得了很好的处理效果。

1 超声波技术在水处理中的研究

1.1 处理染料废水

高甲友等人[3]利用超声技术降解甲基紫模拟的染料废水，研究表明，甲基紫的降解过程符合一级动力学方程。上海大学华彬等[4]对超声技术降解酸性红B废水过程中，超声时间、初始浓度、反应温度等对染料降解效果的影响，结果表明，延长反应时间，加大初始浓度，提高反应温度，都有助于提高降解效率。Rehorek等[5]的研究结果显示，利用超声波法降解酸性橙5、直接蓝71和活性橙16等几种偶氮染料，降解产物为完全矿化的无毒物质。陶媛等[6]采用探头式超声装置处理酸性黑ATT模拟染料废水，结果表明，探头式超声辐射装置对于浓度大于 100 mg /L的染料废水，降解效果不佳。Vajnhandl和Marechal[7]对超声降解活性染料RB5过程中的活性氧物种进行了监测，发现采用探头式超声时自由基生成速率是杯式装置的20～25倍，碱性条件不利于染料的降解。

1.2 处理含酚废水

Petrier等人[8]用20kHz、200kHz、500kHz 和800kHz 等4种频率超声降解苯酚，结果显示，在200kHz的条件下，苯酚的降解效果最好。汤红妍等[9]研究发现，pH对苯酚的降解效率有显著影响。pH为4时，降解效率最高；pH高于10时，基本不发生降解反应。Ku等[10]在研究超声降解水中2-氯酚时发现，降解速度随溶液pH 的增大而减小。Lin 等[11]的研究也证实，在利用超声技术处理2-氯酚时，酸性条件的处理效果高于碱性条件。付荣英等[12]关于2-氯酚的实验表明，初始浓度为5g/L 时的降解率是浓度为10g/L 时的1.36 倍。马英石等[13]以超声波/H2O2 工艺降解水中2-氯酚的研究也发现，当2-氯酚的初始浓度较低时，2-氯酚的分解速率较快.

1.3 处理苯系物废水

一些苯系物虽难以空化泡内被破坏，但易被空化泡崩溃后释放到水中的自由基氧化。研究得出，在超声波作用下苯和甲苯的降解过程符合一级反应动力学的特征[14]。另外，Visscher等人[15]用520kHz的超声波分别处理苯、乙苯、苯乙烯和邻氯甲苯溶液，分析得出，超声降解反应均为一级反应。

1.4 处理有机农药废水

钟爱国等[16]使用超声波诱导降解水溶液中甲胺磷，实验结果显示甲胺磷的平均降解率可达到99%。David等[17]的研究表明，在频率为的超声波辐照下，初始浓度为0.1mmol/L的氯苯胺灵50分钟后几乎完全去除，降解的主要产物为Cl-、CO和CO2。

1.5 加速污泥破解

污泥破解是指通过一定的方法，破坏污泥的絮体结构、细胞壁，溶出胞内物质，从而加速污泥稳定化过程[18]。A.Teihm 等[19]研究表明，频率31kHz、声能密度0.11 W/cm3的超声波可以有效打破菌胶团。Neis等[20]对超声处理后污泥的絮体尺寸分布、SCOD、进行了分析，讨论了污泥沉降性能和脱水性能的变化，并研究了不同初始污泥浓度对处理结果的影响。曹秀芹等[21]对超声作用下对污泥絮体结构的变化、和污泥温度的变化做了实验研究，得出声能密度和作用时间对细胞分解起着重要作用的结论。在污泥的处理工业实际应用方面，德国己经研制成功并投入运行一种技术，利用超声波将污泥体积和质量减少，同时增加沼气产率[22]。

2 超声波与其他技术的联合应用

2.1 超声波/臭氧技术

Olson等[23]用超声波与臭氧联合作用来研究天然有机物腐殖酸氧化动力学，研究得出，总有机碳（TOC）的去除率达到91%，有机碳矿化达到87%。Raman Lall[24]用超声/臭氧法处理含蒽醌染料Reactive Blue 19 的水溶液，证实超声波与臭氧存在协同作用。Ince等[25]研究表明，超声波与臭氧的协同效应主要是由以下四方面引起：①超声波提高了溶液的传质速率；②热解产生更多的自由基；③挥发性中间产物在空化泡内进行热解；④热解产物进入液相增加了氧化物质的量。

2.2 超声波/双氧水技术

孔黎明[26]通过研究证实，超声波/双氧水对苯酚的去除率为82.21%，而同等条件下，单独超声作用对苯酚的去除率为32.69%，单独使用双氧水对苯酚的去除效率为32.63%。Lin等的研究表明[27]，降解2-氯苯酚时，超声波/双氧水联合技术比单独使用超声波技术处理效果更好，2-氯苯酚的去除效率为99%，高于单独使用超声波技术时的25%。

2.3 超声波/芬顿试剂技术

赵德明等[28]认为超声波/芬顿试剂技术具有更快的降解苯酚的速度，超声波与芬顿试剂（Fenton）之间存在明显的协同效应。张翼等[29]研究了超声/Fenton法处理偶氮染料橙黄Ⅱ，证实超声波对Fenton试剂处理该染料具有强化作用。刑铁玲等[30]采用低浓度Fe（Ⅱ）在超声作用下对亚甲基蓝染料及甲基橙进行处理，发现少量Fe（Ⅱ）的存在，可使超声降解染料的速率提高3倍左右。

2.4 超声波/零价金属技术

零价铁单独降解硝基苯时，会产生有毒的中间体苯醌及最终产物苯胺，超声波/零价铁技术，可以将这些有毒化合物进行有效的分解。而且与单独超声波或相比，二者协同作用下，硝基苯降解反应的假一级动力学常数可提高1至2个数量级[31]。胡文勇[32]等用超声波/零价铁方法降解对硝基苯胺，对硝基苯胺降解速率和程度都显著提高。

2.5 超声波/紫外光技术

E.Naffrechoux等[33]用超声-紫外耦合的方法来处理苯酚溶液，二者耦合联用降解苯酚的速率比它们各自单独使用时明显提高。赵德明等[34]研究了利用超声波/紫外光技术降解对氯苯酚的过程，发现超声波/紫外光技术比单独一种技术的降解速率提高了1.5-1.7倍。

3 发展前景

超声波降解水体中的化学污染物作是近年来兴起的一个研究领域，为了使其能投入生产运营中，还应考虑到它的经济性、实用性和放大性。超声波技术对于难降解有机废水的处理，以及对废水的深度处理，是未来的重点研究方向。

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[责任编辑：杨玉洁]