水力空化在水处理中发展现状及前景

张 伟 2, , ，俞 龙

(1. 湖南省村镇饮用水水质安全保障工程技术研究中心，湖南 益阳 413000； 2. 湖南省高校产学研合作示范基地 基于氨氮深度处理的城市供水技术研究与应用，湖南 益阳 413000； 3. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳 110168；4. 湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

近代工业的快速发展，使我国人民的经济和生活水平不断提高，但同时也不可避免对水资源造成了破坏[1]﹒我国面临着水体富营养化、含有毒有害难降解有机物，以及海洋湖泊污染等问题，国际上其他国家也存在水资源匮乏、污染严重的问题[2-3]，水资源成为战略性经济资源﹒因此，如何快速、高效和经济地去除水体中的污染物尤其是难降解有机物迫在眉睫﹒目前普遍应用的生物方法对其效果甚小，物理化学方法却有广阔的探索空间，其中水力空化作为环保、处理量大、易于实现工业化的新型水处理技术正在迅速发展﹒

1 水力空化产生及降解机理

空化是流体中普遍发生的一种物理现象﹒自1753 年发现空化开始，到发现空化会破坏泵轮和管道等造成材料损耗、噪音和振动的问题，人们不断地对空化进行了深入研究，以避免上述问题发生[4]﹒人们逐渐认识到空化的产生可为某种物理化学现象提供特殊的环境，可加以利用，变害 为利﹒空化包括超声空化和水力空化等[5]，其中水力空化通常在经济方面(设备简单、成本低和耗电量少)占绝对优势﹒它是指液体在流经管道某处时，人为制造某种条件(低压强和高流速)﹒如图1 所示，液体在静止或运动过程中不可避免地受到外界环境等影响，造成气体溶入，当液体压强低于饱和蒸汽压时，溶解在液体中的气体会释放出来并不断膨胀﹒除此之外，液体自身会剧烈汽化而产生大量空化泡，这些气泡随着液体的流动到达高压强、低流速区域时，空泡就会受到压力，其体积急剧缩小，进而坍塌、溃灭[6]﹒

图1 水力空化装置

水力空化对有机物的降解原理可概括为水相燃烧反应和自由基反应﹒水相燃烧反应，即指空泡在受压后，压缩、溃灭和爆裂的瞬间流体质点产生极短暂的强压力冲动，气泡周围极微小空间产生局部热点，形成高温(1 900～5 000 K，温度变化率高达10 K/s)、高压(5.065×107Pa)，并会每秒数万次连续作用，产生强烈的冲击波和时速达400 km/h 的高射流[7]，引起多种反应(湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应)，这些极端环境足以将泡内气体和汽液交界面的有机物等加热分解﹒自由基反应机理主要依靠·OH 自由基的取代加成和电子转移，是指水力空化过程中形成的极端环境可以使水分子裂解形成强氧化性的·OH 自由基，直接氧化有机物﹒同时，空化形成的机械冲击作用及其产生的巨大能量，可使大分子化学键发生断裂，破坏有机物结构，形成小分子易降解有机物[8]﹒更重要的是，空化形成的极端环境可加剧分子的活性，降低反应的活化能和分子的化学键强度，进而提高化学反应速率，强化反应的进行﹒研究表明，水力空化与其他高级氧化剂联合降解有机物[9-11]时，可促使其形成更多具有氧化性的自由基，达到降解有机物的目的﹒

2 水力空化装置类型

水力空化的产生通常是通过一些水力结构或产生压力变化的结构来实现的，有学者通过建立模型及研究空化过程中的动力学[12-13]，为设计和优化降解能力强的反应器提供理论基础﹒发生装置包括文丘里管、孔板、涡流二极管、高压水射流和节流阀等，其中，以文丘里管和多孔板最为常见[14]﹒一般在给定的压强下，文丘里管在喉部能够产生比孔板更高的流速，且反应过程相对较温和；孔板能够在给定的管道截面积下，容纳更多孔洞，而增大孔口周长与截面积的比值，可提高空化率，从而产生剧烈的化学反应﹒

2.1 孔板

孔板反应器的设计主要依据孔口出流和管嘴出流的原理﹒多孔板具有较强的灵活性，能够便利地改变设备参数以寻求最优空化条件；具有较强适应性，可用于各种有机废水处理；它有助于实现不同强度的空化，且能耗低、处理量大﹒多孔板孔口的几何条件(形状和排列方式)不同，会导致流体剪切力不同﹒因此，孔洞的设计有圆形、三角形和方形等，排列方式有径向式、棋盘式和交错式等，如图2 所示﹒

图2 多孔板结构示意

Dong Z Y 等[15]通过高速摄像机和粒子图像测速等技术考察三角多孔板孔数量、排列参数对水力特性的影响，并与混合孔板的水流特性进行比较，得出对角布孔空化数最小，不同截面速度分布曲线相似，混合孔轴向速度衰减比单孔快的结论﹒Kuldeep R 等[16]对孔板型水力空化反应器的几何结构进行了设计优化，以期最大空化效应，得出每种形状孔板的最佳径长比﹒Randhavane S B[17]比较了2 种不同结构配置的孔板对含毒死蜱农药废水的降解效果，其研究表明具有多个小直径孔结构和延长空化时间都有利于空化的活性增强，且说明孔板水力空化在工程中具有实际意义和潜在价值﹒孔口的形状、排列方式、孔数、孔径、入口压力和空化时间等都是限制孔板空化产生及影响水处理效果的因素，国内外学者就这些因素的联系探讨还不够全面，至今未看到有统一的影响空化效果的规律阐释及机理分析，这与水力空化发生时的复杂程度有很大关系﹒

2.2 文丘里管

文丘里管多用于管道流量测定、除尘和生物质燃料生产等工业领域[18]，因其空化特性而逐渐被应用于水处理，其喉部较长可使空泡生长时间增长，利于疏水性有机物进入空泡热解，通过对扩散段进行适当的设计能产生较强脉动压力﹒根据伯努利原理，当液体通过文丘里管喉部时，流速增大、压力降低到液体饱和蒸汽压而产生空化，人们对文丘里管的空化产生、破灭、参数设计优化和理论模型建立等已进行了大量研究﹒

Tang P 等[19]利用计算流体动力学(CFD)分析文丘里管关键结构参数(收缩角、扩散角、收缩比)对空化特性的影响，得出扩散段平均体积分数随扩散角增大而减小等一系列结论，为工程设计提供了参考﹒Badve M P 等[20]设计单孔板、圆形和狭缝文丘里管(如图3 所示)作为反应器对船舶压舱水消毒处理，结果表明狭缝文丘里管具有最大的消毒效果和能源利用率，与氯消毒或常规热处理组合使用能提高消毒速率、缩短消毒时间﹒与孔板的发展类似，尽管学者们对空化的数据采集、数值模拟和文丘里管的几何结构等有了初步探讨，但文丘里管中的流动参数、操作条件等仍然没有普遍关联，不具有严格一般性﹒

图3 圆形和狭缝形文丘里管结构示意

3 水力空化应用现状

3.1 用于废水处理

3.1.1 水力空化单独应用

将水力空化技术单独应用于医药、染料等工业有机废水的研究获得了一定进展，对空化器的一些特性以及降解有机物时的影响因素也有了初步认识﹒Musmarra D 等[21]通过收缩扩张喷管产生水力空化来降解水中微量布洛芬，从实验(考察上游压力及pH 值影响)和理论(动力学分析、中间产物及降解机理)出发，证明了有5 种中间体形成，以及收缩口的压力影响降解速率而pH 值不影响效果的特性﹒结合相关文献给出了合理解释，综合实验、数学模拟和热力学分析，互相补充结论是该文的创新之处﹒Dhanke P 等[22]利用水力空化反应器处理鱼类加工废水，以颜色、气味、BOD、COD、TOC 和可生化降解性为评价指标，经反应器工作后，废水可生化指数降低，有利于后续厌氧、好氧处理，表明反应器可有效用于处理鱼类加工废水﹒Montusiewicz A 等[23]通过水力空化预处理经城市污水稀释(机械处理)后的啤酒废谷物，结果表明BOD/COD 升高至0.091的同时总固体浓度也显著下降，红外光谱显示不会产生影响生物处理的新的化合物，为预处理提高啤酒废谷物可生化性和厌氧消化性提供了行之有效的方案﹒

通过查阅相关文献发现，无论设计新型反应器，还是优化反应条件，水力空化的单独处理效果并不好[24-25]，这可能是一方面受到了水力空化自身对有机废水降解能力的限制；另一方面，经过多年的发展，科研人员仍未清晰掌握水力空化的原理，未能突破空化产生的时间和空间限制﹒

3.1.2 与其它高级氧化法联用

考虑到上述水力空化发展所面临的问题，将其作为预/后处理与其它高级氧化法联用，以达到满意的去除率是重要的解决方案，同时加大了水力空化工业化应用的可能[26]﹒

Thanekar P 等[27]利用水力空化及联合其它氧化工艺处理含卡马西平废水，结果显示在最优pH和入口压力下，单独水力空化的降解率达38.7%；而当进行组合处理时，去除效果也有不同程度的提升，HC+H2O2+O3组合方式可完全去除污染物；动力学分析表明，卡马西平的降解符合一级动力学，在空化率及运行成本方面，组合工艺具有优越性﹒Wang C Q等[28]以苯并[a]蒽为目标污染物，考察水力空化、ClO2以及两者的组合去除能力，进行了降解产物、途径及动力学研究，结果表明组合工艺能使苯并[a]蒽环断得更彻底，协同因子为1.48，强化降解能力的同时，实现了减少有害中间产物生成和提高效率的目的﹒Saxena S 等[29]使用水力空化+Fenton/O3/H2O2工艺降解制革废水，发现水力空化(HC)+Fenton 组合技术协同效果最佳，工艺处理时间减少，有机物矿化程度较高，实验证明了水力空化可结合到常规污水处理技术中，提高水厂对难降解有机物的去处理能力，满足技术经济的要求﹒Wang X N 等[30]通过实验证明了水力空化与光催化反应具有协同作用，提高降解率的同时也能提高反应速率，其主要原因是空化可有效避免催化剂团聚并增加催化剂表面的活性位点，该文还讨论了不同因素对工艺处理效果的影响，并分析了其降解途径﹒

多种氧化技术与水力空化相结合可协同提高空化数及·OH 自由基数量，大大提高有机物的去除率，见表1﹒然而，组合工艺效率很大程度上取决于反应器结构(孔口形状及尺寸)、操作参数(流速及循环次数)和液体性质(密度、溶解气体及浓度)，且目前的研究都针对单一污染物，为应对复杂有机物混合的废水降解，每次需要在实验室基础上对上述条件优化，才能实现灵活应用﹒

表1 单独水力空化(HC)及组合工艺实验研究结果

3.2 用于污泥处理

活性污泥法是当前污水处理厂的主流工艺﹒由此工艺产生的大量剩余污泥通常含有对环境有害的物质，因此实现污泥的无害化、减量化和资源化十分必要﹒在众多处理方法中(热处理、超临界水氧化、机械法和水力空化等[35])，水力空化高温效应可使污泥细胞变性，细胞壁机械强度降低，所产生的冲击波和微射流会冲击破坏污泥细胞壁及结构，利于污泥的消化和脱水，该过程中产生的自由基氧化作用亦可破解污泥，这使其逐渐成为研究热点﹒Petkovšek M 等[36]自行设计旋转空化反应器，通过自来水测试反应器的性能及动力学特性并将其应用于污水处理厂中的污泥分解，实验证明了利用该反应器，使后续沼气产量增加12.7%，更好地实现了污泥消化脱水，降低了污水处理厂的运营成本﹒李锐等[37]设计一种新型空化器，通过调节通气比和管道流速，实现最佳运行工况，在560 W 的功率下30 min 破解1 kg 污泥，破解率在95%，同比超声空化节约40%能耗，该法经济有效且无二次污染﹒Cai M Q 等[38]将水力空化与Fenton 法联合进行污泥强化脱水，探讨初始pH 值、污泥浓度和流速等对污泥含水率的影响，阐明了脱水的机理，证明了水力空化与Fenton具有协同作用，为污泥处理的发展提供了依据，为组合技术应用于污水处理厂提供了参考﹒

经过多年的探索，水力空化在污泥预处理方面的应用也有了较大发展，证实了该技术是行之有效且能降低能耗的，但以往的研究大多基于学者自己设计的反应器，对推广应用有一定的影响，且因水力空化的发生比超声空化等复杂，对脱水、破解污泥的理论研究还不深入，与其它技术组合研究还不算成熟，因此还有较大的研究空间﹒

3.3 用于消毒

饮用水安全问题关乎人民的生命健康，消毒是其中最重要的一个环节，因消毒产生的高昂成本给发展中国家带来了巨大的经济问题，而且现行的消毒方法(氯消毒、臭氧消毒等)会因为化学物质的投加而产生有毒有害的副产物[39]﹒在这样的背景下，开发新型安全可靠、低廉、无化学药品加入的消毒方法刻不容缓，因此，水力空化具有较大的发展前途﹒据前人研究，水力空化消毒作用的基本原理是在空化泡溃灭的微秒时间内，产生的压力波等会造成巨大的剪切力及高温环境，这能够将微生物细胞灭活，同时，化学反应产生的活性自由基也能够提高消毒效率[40]﹒

Jain P 等[41]展示了一种旋流式涡流二极管水力空化装置，以革兰氏阴性、阳性微生物菌株的消除效果评价其消毒性能，结果显示在0.05 MPa压力降下1 h，大肠杆菌(革兰氏阴性)的去除率达99%，通过增加压强，可将金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性)的去除率提高至相近，同比孔板有效去除细菌所需的压强(1 MPa)小得多，并提出通过细胞壁破裂、DNA 变性和氧化导致细胞坏死的空化消毒机理，该装置简单、易操作且具有较大的商用价值，对水力空化的消毒应用具有一定的借鉴意义﹒Cerecedo L M 等[42]以大肠杆菌和粪肠球菌为目标去除物，成功证明了转子-定子装置是有效的水力空化消毒反应器，通过改变转子与定子间的通道参数和控制条件，探讨空化强度及灭菌规律，在较短时间(10 min)内实现细菌的灭活，与其它空化装置相比具有能耗低的优点﹒综上，水力空化在饮用水消毒方面也有一定的发展潜力，但是在消毒方面的理论研究(如湍流作用下空化泡动力学模型)仍是初始阶段，还需学者们不断地深入研究以掌握消毒过程中的控制参数和影响因素等﹒

4 存在问题

1)在空化装置方面，前人针对不同的有机污染物所设计的空化反应器存在差异，虽有各自的优点，但存在不同程度上的能量利用率低、处理体积小、应用范围小和作用时间短等缺点﹒

2)在污水处理应用方面，目前所存在的水力空化装置中，空化泡的运动理论计算模型还存在不足，大多数学者只是引用前人的假设理论，未作出新的判断或理论提出，仍需结合反应器进一步模拟和探索更加准确的计算模型及机理研究﹒

3)水力空化降解有机物时，外界环境、操作条件影响复杂且相互牵制，对其研究还没有系统的解释，仍需深入探索﹒

4)近年来，水力空化技术在水处理方面的应用研究大多集中于与其它高级氧化技术联合，虽已获得较大进步，但其所处理的废水都是单一组分，针对多组分难降解有机物的去除效果、机理和条件优化等研究还很匮乏﹒

5 结论与展望

本文对水力空化的成因、空化器类型、水处理应用进展及其降解机理进行了概括总结，作为水处理行业新型的高级氧化技术，其在效率、经济和可行性上有很大潜力，国内外学者相继进行了大量研究﹒然而，水力空化在水处理中的规模化应用还存在诸多挑战，现作以下展望：

1)水力空化反应器结构研究对其工业化应用的拓展至关重要，因此需要对反应器的种类、孔板孔型、孔径、孔数和排列方式等进行更多系统测试，以获得详细精准的数据﹒

2)将不同孔板组合或与文丘里管等不同的空化发生装置相结合，可实现不同强度的空化，而创新设计新型水力空化设备对其广泛应用于水处理研究有重要意义﹒

3)无论是从经济学角度，还是从降解的效果和速率考虑，将水力空化与高级氧化技术联合应用于水处理，仍是今后研究(联合机理、组合反应装置设计和反应条件等)的重点﹒