楊婷 高乃云 嚴(yán)漢林

超聲波是頻率高于20000赫斯的聲波，具有方向性好、穿透能力強的特點，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，且因其頻率下限接近人的聽覺上限而得名。超聲波的應(yīng)用很廣泛，超聲波在水處理中的作用機理及影響因素已有很多的研究，但是常規(guī)超聲處理作用往往有限或者成本奇高，而強化超聲不僅提高了超聲處理的效率，且在一定程度上降低了超聲水處理的成本。雖然相對其他類似處理成本還是比較高，但隨著研究的深入、技術(shù)的發(fā)展，相信強化超聲技術(shù)在水處理中將有極大的應(yīng)用前景。

超聲強化技術(shù)的基本原理

強化超聲技術(shù)主要包括以下幾個方面：超聲空化效應(yīng)的強化，超聲—高級氧化技術(shù)組合強化，超聲—其他水處理技術(shù)強化。

間歇式或脈沖式超聲波為·OH（自由基）提供一段反應(yīng)時間，減少了·OH因累積而自組合的概率以達到強化超聲的效果。而調(diào)制超聲波則是由于高聲強的超聲波負責(zé)降解有機物，而低聲強的超聲波負責(zé)振動傳質(zhì)的協(xié)同作用以達到提高超聲效果的。多頻超聲強化的原理為單頻產(chǎn)生的空化泡中有效空化泡數(shù)量有限，采用多頻組合技術(shù)能增加有效空化泡數(shù)量，提高超聲空化產(chǎn)率。添加劑強化超聲的原理為無機鹽類通過影響有機物在溶液中的分配系數(shù)，增強有機物的疏水性，從而增加有機物被氧化的幾率，且離子強度越大這種作用越強，有機物去除率越高。但是，某些無機離子還能清除·OH，這類離子會通過減少·OH的濃度從而在一定程度上抑制有機物的去除；而催化劑主要是利用本身特性提高超聲空化過程中·OH的濃度以達到強化作用的；由于O2（氧氣）在空化過程中能產(chǎn)生·OH，所以充入O2時有機物降解的速率常數(shù)要大于He（氦），而Ar（氬）具有更高的絕熱系數(shù)更有利于以熱解為反應(yīng)機理的有機物的降解，所以采用適當(dāng)比例混合的Ar/O2將是更經(jīng)濟有效的強化方法。

超聲—高級氧化技術(shù)聯(lián)用就是利用高級氧化技術(shù)氧化非揮發(fā)性親水性有機物以提高超聲處理效果的，且超聲的振動促進傳質(zhì)作用進一步提高超聲效果。而超聲與常規(guī)處理技術(shù)聯(lián)用如超聲—微生物處理利用超聲提高了微生物細胞的通透性，促進細胞內(nèi)外的傳質(zhì)以達到提高超聲效果的目的；超聲—藥用炭及超聲—膜處理都是利用超聲波對藥用炭或膜的改性作用。傳質(zhì)作用及吸附截留一些超聲不能降解的有機物以提高超聲效果的；超聲—混凝組合技術(shù)是利用超聲空化的化學(xué)原理以破壞藻類細胞的氣囊協(xié)同混凝效果以達到強化作用的。而超聲波與其他消毒技術(shù)的聯(lián)用作用原理則是超聲空化產(chǎn)生的H2O2及其強氧化性氧化有機物以降低消毒劑的用量，此外其他消毒技術(shù)能殺滅超聲不能殺滅的微生物以達到強化作用的；超聲與其他技術(shù)聯(lián)用的強化原理主要也是超聲與組合技術(shù)間的協(xié)同作用。如超聲—石墨組合技術(shù)利用超聲的震動傳質(zhì)及微射流破碎石墨以增加石墨比表面積促進石墨的吸附作用，外加石墨吸附一些超聲不能降解的有機物以提高超聲效果；超聲—等離子體技術(shù)也是利用超聲及等離子體技術(shù)各自的氧化特性相互補充以達到強化作用的。

超聲強化組合技術(shù)

超聲波空化機理決定超聲容易去除疏水、揮發(fā)性有機物，但是反應(yīng)過程中會生成一些親水性非揮發(fā)性甚至有害的有機物很難被超聲降解，從而抑制了有機物的徹底礦化，因此需要超聲波與其他技術(shù)組合來改善這種情況常見的組合有超聲高級氧化技術(shù)組合，如：超聲-微波技術(shù)組合、超聲-UV組合、超聲-Fenton組合、超聲-O3等兩項甚至是多項組合，除此之外，超聲還可以和一些常規(guī)處理工藝連用，如超聲微生物處理、超聲藥用炭處理、超聲膜處理、超聲混凝、超聲波與Cl2（氯氣）等一些消毒技術(shù)的組合等，這些組合是利用超聲與常規(guī)處理工藝的協(xié)同作用以提高超聲效果的最后還有一些水處理中應(yīng)用較少的技術(shù)聯(lián)用，如超聲-石墨、超聲-等離子體技術(shù)等，雖然有些技術(shù)還未直接應(yīng)用于水處理中但可用于催化劑的生成制備，并且隨著技術(shù)的發(fā)展會在水處理中起到一定的作用。

超聲-膜處理。超聲波與膜處理的聯(lián)用技術(shù)與超聲-藥用炭處理聯(lián)用技術(shù)的作用機理相似，除加速傳質(zhì)外，超聲波還能改善膜的性質(zhì)。該技術(shù)優(yōu)勢有減少膜污染膜堵塞問題，加大膜的過膜通量，使得膜使用周期變長，降低反沖洗費用。超聲對于膜污染控制主要是因為超聲空化產(chǎn)生的振動及微射流及部分有機物的氧化。超聲膜處理要注意超聲密度以免過強的超聲波振動使膜破損或氧化膜的組成部分，減少膜使用壽命。但有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在一定實驗條件下并未發(fā)現(xiàn)膜破損問題。還有研究發(fā)現(xiàn)超聲波有助于中空纖維的內(nèi)腔真空度，促進傳質(zhì)過程，同時在聲強為12.69w/cm2時輻射超聲1小時后膜已經(jīng)受損。

超聲—混凝技術(shù)。超聲—混凝技術(shù)用于含藻水的處理時需預(yù)處理抑制藻類生長，但是一些氧化抑制法往往會使得藻細胞的破碎并釋放藻毒素。而超聲—混凝技術(shù)處理含藻水時，低聲強超聲波會破壞藻細胞內(nèi)的氣囊，有效抑制藻類細胞的生長且不破壞藻細胞，所以超聲混凝能有效處理含藻水。有試驗發(fā)現(xiàn)，超聲—混凝處理含藻水最佳聲強為60w，時間為15s，超過則釋放藻毒素。

由于超聲處理成本高，因此可以采用超聲與其他常規(guī)處理聯(lián)用技術(shù)，聯(lián)用技術(shù)中超聲作用時間很短，如超聲—混凝土，超聲—膜處理等，成本相對較低且處理效果好。還有一些聯(lián)用技術(shù)現(xiàn)階段還沒有用于水處理中，但是隨著技術(shù)的發(fā)展及認識的深入，必然會在水處理中占據(jù)一定的位置，為水處理開辟新的道路。