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超聲波水處理技術(shù)及應用 

· 　　利用超聲技術(shù)降解水中的化學(xué)污染物,尤其是難降解的有機污染物是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型水處理技術(shù)〔1~4〕。它具有去除效率高、反應時(shí)間短、設施簡(jiǎn)單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵字：超聲波 [15篇]水處理 [4766篇]技術(shù) [624篇]

　　聲化學(xué)是一門(mén)新興的交叉學(xué)科,主要是指利用超聲波來(lái)加速化學(xué)反應,提高化學(xué)反應產(chǎn)率。聲化學(xué)反應是通過(guò)聲空化過(guò)程實(shí)現的。聲空化把聲場(chǎng)能量集中起來(lái),然后伴隨空化泡崩潰而在極小的空間內將其釋放出來(lái),使之在正常溫度與壓力的液體環(huán)境中產(chǎn)生異乎尋常的高溫(高于5000K)和高壓(高于5×107Pa),形成“熱點(diǎn)”(Hotspot),從而開(kāi)辟化學(xué)反應通道,增大化學(xué)反應速率。
　　
　　利用超聲技術(shù)降解水中的化學(xué)污染物,尤其是難降解的有機污染物是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型水處理技術(shù)〔1~4〕。它具有去除效率高、反應時(shí)間短、設施簡(jiǎn)單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),超聲技術(shù)在處理微污染水、高濃度難降解的有機廢水、污泥以及飲用水殺菌、消毒和工業(yè)廢水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了較大的成果。
　　
　　1用于水處理的幾種聲化學(xué)反應器
　　
　　1.1超聲清洗槽式反應器
　　

　　普通的超聲波清洗器一般是將一組并聯(lián)的壓電換能器置于清洗槽底部,槽內注入水等耦合液,然后將反應容器置于耦合液中(如圖1)。這類(lèi)反應器具有價(jià)廉易得、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn),目前實(shí)驗室中大部分的聲化學(xué)反應都是用它來(lái)進(jìn)行的。圖1清洗槽式反應器超聲清洗器雖被廣泛用于實(shí)驗室的聲化學(xué)研究,但在工業(yè)應用上有一些缺點(diǎn):(1)反應容器與耦合液之間的聲阻抗差別很大,聲波反射極為嚴重;(2)清洗槽內的聲強較小,一般不超過(guò)5W/cm2;(3)由于商品化的超聲清洗器的頻率都不準確,且其效率與反應容器的形狀以及反應容器置于耦合液中的深度有關(guān),因而試驗結果的重現性比較差;(4)反應過(guò)程中耦合液會(huì )因吸收超聲波的聲能而溫度升高,因而不易控制反應溫度。
　　
　　1.2變幅桿式聲化學(xué)反應器

　　這是一種很有效的聲化學(xué)反應器,超聲探頭能使能量集中,在超聲輻射端面上可以獲得數百W/cm2的聲強(如圖2)。這種反應器有以下優(yōu)點(diǎn):由于變幅桿的聚能作用,聲能密度大大提高;能根據聲能密度的大小精確設計反應器;探頭的發(fā)射端面一般設計為可拆卸式,這樣就可以根據所需聲強隨時(shí)選用端面大小合適的探頭,同時(shí),當探頭被空化嚴重腐蝕后,只需更換端部,而不必更換價(jià)格昂貴的整個(gè)探頭。
　　
　　1.3平行板近場(chǎng)聲處理器

　　平行板近場(chǎng)聲處理器(NAP)是美國Lewis公司開(kāi)發(fā)的。該系統由一個(gè)矩形空間構成,矩形空間上下兩塊平行金屬板上都鑲嵌有換能器,分別產(chǎn)生頻率各自為20kHz和16kHz的超聲波。矩形空間內的超聲聲強是單一金屬板發(fā)射的超聲聲強的兩倍以上,被處理液體從矩形空間的一端流入,另一端流出,當液體流經(jīng)上下兩塊金屬板構成的區域時(shí),即會(huì )受到超聲波的輻射。圖3為NAP系統處理裝置。1998年,G.Thoma用該裝置處理含苯和甲苯的廢水,處理液體積為22L,流量為3～10mL/min,整個(gè)處理過(guò)程中以O2曝氣。試驗結果表明,初始質(zhì)量濃度為4～8mg/L的苯和甲苯廢水經(jīng)聲強為0.65～3.6W/cm2的NAP系統處理后,兩者的降解均呈一級反應,反應速率常數為0.0027～0.0370min-1。
　　
　　2超聲技術(shù)在水處理中的應用
　　
　　2.1用于處理微污染原水
　　
　　隨著(zhù)工農業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人口的增加,加之缺乏環(huán)境保護意識,大量含有各種有毒有害物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理或稍加處理就排入水體,造成水體污染,從而使大多數飲用水源成為微污染水源。對微污染原水進(jìn)行深度處理從而進(jìn)一步改善供水水質(zhì)是許多水廠(chǎng)面臨的難題之一,現行的深度處理方法如活性炭、膜法、臭氧—活性炭聯(lián)用技術(shù)都存在著(zhù)一定的問(wèn)題。
　　
　　近年來(lái),超聲技術(shù)用于處理微污染原水的研究已展開(kāi)。程愛(ài)華等用腐殖酸、Fe3+離子、SiO2、陰離子洗滌劑、苯酚等配成一定濃度的模擬微污染水,在不同的反應容器(燒杯、圓盤(pán)、圓桶)中用頻率為20～24kHz,功率500W的超聲波處理一段時(shí)間,結果表明,超聲波對微污染水的色度、濁度、有機污染物均具有一定的去除作用,對降解色度、有機物來(lái)說(shuō),圓桶中實(shí)驗效果最好,圓盤(pán)中實(shí)驗效果次之,燒杯實(shí)驗效果最差;對去濁而言,燒杯實(shí)驗效果最好,圓桶中實(shí)驗效果次之,托盤(pán)實(shí)驗效果最差。劉紅等將超聲波用于強化微污染水的生物處理,結果表明,通過(guò)一定強度的超聲波處理后,膜生物反應器的生物活性得到增強,反應器有機負荷增加,有機物凈化效率提高。超聲處理促進(jìn)了生物活性,且功率為10W的超聲波促進(jìn)生物活性的效果最為明顯。
　　
　　2.2用于處理高濃度難降解有機廢水
　　
　　超聲技術(shù)可用于處理各種難降解的有機廢水,目前已用于含單環(huán)芳香族化合物、多環(huán)芳烴、酚類(lèi)、氯化烴、氯代烴、有機酸、染料、醇類(lèi)、酮類(lèi)等廢水處理的研究,并取得良好的效果。在實(shí)際的工業(yè)廢水中,超聲技術(shù)已用于處理造紙廢水、印染廢水、制革廢水、焦化廢水、制藥廢水、垃圾滲濾液等,并取得較好的效果;李志建等采用超聲與厭氧生化法相聯(lián)合處理工藝處理堿法草漿黑液,COD去除率可達57%～69%,比單純厭氧法提高約20%,且處理后污泥活性增加,綜合毒性降低;祁夢(mèng)蘭等用超聲處理染料廢水,發(fā)現廢水的可生化性提高,BOD5/COD由0.22～0.28上升到0.44～0.51;李國英等用聲強為1.47W/cm2、頻率為24kHz的超聲波強化混凝沉淀處理制革廢水,實(shí)驗結果表明:先施加超聲波60s,再投加混凝劑,COD去除率最高可達73.2%,比不用超聲波時(shí)提高10%以上,表明超聲波對混凝沉淀法處理制革廢水有明顯的強化作用;張子間用超聲波—SBR法處理焦化廢水,在聲強為9.21W/cm2,處理時(shí)間為2.5min時(shí),廢水的BOD5/COD由2.0提高到4.5;胡學(xué)偉用頻率18kHz、聲強0.110W/cm2的超聲波處理垃圾滲濾液,結果表明,在pH7、溫度為55℃、處理時(shí)間為240min的條件下,滲濾液的COD由37050mg/L降低到14140mg/L,COD去除率達61.96%。
　　
　　2.3用于城市污泥的處理
　　
　　超聲波在污泥處理中主要用于污泥脫水和促進(jìn)厭氧發(fā)酵兩個(gè)方面。超聲波脫水常見(jiàn)工藝為城市污泥→重力沉降→超聲波處理→機械脫水。污泥菌膠團內部包含水約占污泥總水量的27%,而菌膠團結構穩定,難以被機械作用(壓濾、離心等)破壞,造成污泥脫水困難。超聲波能有效的破壞菌膠團結構,將其內部包含水釋放出來(lái),成為可以比較容易去除的自由水。A.Teihm等研究表明用31kHz、聲能密度0.11W/cm3的超聲波處理可以有效打破菌膠團,處理30s后污泥平均尺寸從165μm下降到135μm,處理96s后下降到85μm。同時(shí)發(fā)現污泥菌膠團的解構效率隨超聲波頻率的升高而降低,最佳分解頻率為41kHz。超聲波破壞菌膠團結構后,大量被挾裹在菌膠團內的有機物被釋放到水中,從而易于為微生物所用。Y.Chiu等發(fā)現,頻率20kHz、聲能密度0.12W/cm3的超聲波處理4h將污泥中可溶性COD占總COD的比值(SCOD/TCOD)從36%提高到89%,可溶性N的比值從34%提高到42%,基本取代了污泥水解過(guò)程,從而極大的縮短污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間并提高了污泥可生化性。U.Neis等研究表明用頻率41kHz、聲能密度0.10W/cm3的超聲波處理30～120min,可以使污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間從22d降到8d,比容積消化速率從437g/(m3•d)上升到1166g/(m3•d)。
　　
　　2.4其他應用
　　
　　超聲技術(shù)還可以用于飲用水殺菌、消毒、阻垢、去除水垢等。林衛紅對超聲滅菌進(jìn)行了研究,指出當頻率為200kHz、聲強為2W/cm2時(shí),效果最佳,并且超聲滅菌效果與原水中的細菌濃度無(wú)關(guān)。劉天慶利用超聲—臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水系統中的生物垢,發(fā)現用頻率為20kHz、振幅為20%的超聲處理,可有效地控制生物垢的生長(cháng),該技術(shù)還可以移除90%以上已形成的生物垢。
　　
　　3結語(yǔ)
　　
　　目前超聲技術(shù)在水處理上的研究已取得了較大的成果,但絕大部分的研究都還局限于實(shí)驗室水平上。要使超聲技術(shù)走向工業(yè)化應用,還需加強以下幾方面的研究:
　　
　　(1)進(jìn)一步研究各參數對降解效果的影響,尋求最佳參數值。
　　
　　(2)研究考察兩種及兩種以上不同頻率的超聲波同時(shí)作用時(shí)對降解效果的影響。
　　
　　(3)研究超聲與其他氧化工藝的協(xié)同作用,實(shí)現多項單元技術(shù)的優(yōu)化組合,使其從技術(shù)上和經(jīng)濟上更為可行。
　　
　　(4)加大對反應動(dòng)力學(xué)的研究,研制開(kāi)發(fā)高效的、能夠大批量處理和連續運行的超聲波反應器。

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