馮效毅　劉春陽

摘 要：隨著空化技術(shù)的發(fā)展，空化技術(shù)逐步應(yīng)用到水處理中。該文主要介紹了空化技術(shù)的發(fā)展歷程，空化現(xiàn)象產(chǎn)生的機理及超聲空化、水力空化處理微生物的機理，超聲空化與臭氧、二氧化鈦聯(lián)用處理微生物技術(shù)，水力空化與電解、臭氧聯(lián)用處理微生物技術(shù)等試驗條件下的處理效果、優(yōu)化參數(shù)及不足。最后，對水體微生物處理技術(shù)的發(fā)展方向做了分析。

關(guān)鍵詞：超聲空化；水力空化；聯(lián)用技術(shù)；除藻

中圖分類號 X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）06-18-04

隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大量生產(chǎn)和生活廢水排入天然水體，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度不斷加劇、范圍不斷擴(kuò)大，國內(nèi)大中型湖泊每年都有水華現(xiàn)象發(fā)生。2000年的梅梁灣水華事件，使無錫供水出現(xiàn)嚴(yán)重短缺，直接影響到人們的生產(chǎn)、生活，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[1]。水華現(xiàn)象的產(chǎn)生會破壞水體生態(tài)平衡，危害飲用水水質(zhì)，嚴(yán)重制約社會和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。有效的清除水體中藍(lán)藻是控制湖泊水華暴發(fā)和富營養(yǎng)化的重要途徑，但現(xiàn)行各種除藻方法因存在不同缺點而無法大規(guī)模應(yīng)用到大中型湖泊。臭氧除藻是現(xiàn)行方法中處理效果較好的方法，但也存在利用率低、存在安全隱患等問題，極大增加了處理成本?？栈夹g(shù)是最近十幾年才開始的新型物化水處理技術(shù)，空化技術(shù)產(chǎn)生的高溫、高壓、高射流的條件能為其他方法處理微生物提供有利條件，空化技術(shù)及其聯(lián)用技術(shù)處理微生物是未來水處理的發(fā)展方向。

1 空化技術(shù)的發(fā)展

早在1753年歐拉曾指出：“當(dāng)水管中某處的壓強降到負(fù)值時，水即自管壁分離，該處會形成一個真空區(qū)，這種現(xiàn)象應(yīng)予避免”。1849年英國海軍發(fā)現(xiàn)在螺旋槳轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡又立刻在水壓力的作用下收縮內(nèi)爆，導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生劇烈振動，這是歷史上第一次對空化現(xiàn)象物理本質(zhì)的描述[2]。

近年來，隨著對空化技術(shù)的深入研究，人們逐漸認(rèn)識到空化時產(chǎn)生并釋放的巨大能量可以為一般物理、化學(xué)反應(yīng)提供有利的條件，并逐步開始利用空化技術(shù)。根據(jù)空化產(chǎn)生的方法，空化一般可以分為4種類型：聲空化、水力空化、光空化和粒子空化[3]。目前，國內(nèi)外研究較為普遍的是超聲空化和水力空化。超聲空化產(chǎn)生的空化效果強烈，能量集中，對水體中各種有機物有較好的氧化效果，經(jīng)深入研究已產(chǎn)生了大量成果[4]。但超聲空化產(chǎn)生的能量利用率較低，難以實現(xiàn)對污水的大規(guī)模處理。因此，人們將注意力逐漸轉(zhuǎn)向?qū)λ栈难芯俊?/p>

2 超聲空化及聯(lián)用技術(shù)

2.1 超聲空化機理 超聲波由一系列疏密相間的橫波和縱波構(gòu)成，其產(chǎn)生的輻射壓可通過液體向周圍傳播。在超聲波壓力的作用下，液相分子間的距離隨分子不斷振動而發(fā)生變化，當(dāng)液體處于超聲波交變聲壓的負(fù)壓半周期內(nèi)時，在壓力強度足夠大的負(fù)壓作用下，會打破液相分子間的引力，當(dāng)分子間距超過物質(zhì)處于液態(tài)臨界分子間距時，液體會發(fā)生斷裂而產(chǎn)生空穴，形成空化核。此后，處于聲場的空化核不斷吸收能量，產(chǎn)生振動、膨脹、收縮等反應(yīng)，最終爆裂崩潰，形成超聲空化效應(yīng)[5]。

2.2 超聲空化處理微生物技術(shù) 超聲空化產(chǎn)生的高溫、高壓、高射流條件，能夠使水分解為具有強氧化殺菌作用的OH-、H2O2。高強度超聲波作用于水體微中生物時，強烈的高頻超聲振蕩使生物細(xì)胞內(nèi)含物膠體發(fā)生絮凝沉淀，凝膠發(fā)生液化或乳化，使細(xì)胞失活，從而達(dá)到殺死微生物的目的。馮中營[6]對超聲殺滅大腸桿菌進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，在溫度為20℃，頻率為20.1kHz，聲功率為15W的超聲作用下，20min時間殺菌率為68.2%；頻率為29.5kHz，聲功率為29W的超聲作用下，40min時間殺菌率可達(dá)87.5%。隨著電功率的增加，殺菌效率隨之上升；但當(dāng)功率增加到一定數(shù)值后再繼續(xù)增加，殺菌效率不再上升，反而下降?？赡苁且驗楫?dāng)聲強超過空化閾值后提高聲強會使空化加強，但在聲強超過一定的界限后，空化泡在聲波的膨脹相內(nèi)可能增長過大導(dǎo)致它在聲波的壓縮相內(nèi)來不及發(fā)生崩潰，從而減弱瞬態(tài)空化。超聲空化具有很高的殺菌效率，但處理量較小。王波[7]通過試驗得出，超聲空化產(chǎn)生的高溫、高壓、沖擊波等能使藻類細(xì)胞表面產(chǎn)生坑穴和孔洞型的損傷，將絲狀藻類的藻絲打斷，破碎藻細(xì)胞的氣囊結(jié)構(gòu)，從而限制藻類的生長。單參數(shù)對比實驗表明：提高超聲的聲強，抑藻效果隨之增強，但會逐漸趨于飽和，其原因在于聲壓和空化強度的飽和；超聲頻率對抑制效果有很大影響，200kHz比20kHz和1.7MHz效果更佳；延長超聲輻照時間會增強藻類的抑制效果，但也存在逐漸飽和的趨勢，因此，低劑量、高頻率的模式更利于長期抑制藻類生長。遲巍、萬成炎等[8]也通過實驗證明，在利用超聲波控制藻類生長的過程中，超聲波的頻率、強度和持續(xù)時間會直接影響到其控制效果。

2.3 超聲空化與其他處理方法聯(lián)用技術(shù)

2.3.1 超聲空化與臭氧聯(lián)用技術(shù) 超聲能顯著提高臭氧在溶液中的傳質(zhì)效率。Lall等[9]的研究表明在超聲功率密度為120W/L的超聲場中，質(zhì)量濃度為5.4mg/L時，臭氧的傳質(zhì)效率提高了90%。其原因為：一是超聲促進(jìn)了O3的分解速率，加快了羥基自由基的產(chǎn)生；二是超聲空化效應(yīng)加強了液體的擾動，降低了液膜厚度，提高了O3在溶液中的傳質(zhì)效率[10]。

當(dāng)菌液中通入臭氧時，超聲空化變得更加劇烈，從而達(dá)到更好的輻射效果。胡文容曾做的超聲強化O3殺菌能力實驗，超聲（800W、20kHz）協(xié)同O3處理可節(jié)省33%的臭氧投加量，當(dāng)臭氧投加量相同時，則可減少處理時間。超聲聯(lián)合O3的殺菌作用具有明顯的強化效果。在超聲作用時間分別為20、30、40、50min時，測得大腸桿菌的滅菌率分別是46.59%、62.49%、61.06%、66.26%。滅菌效率大大提高的原因可能是有臭氧存在的情況下會發(fā)生下列反應(yīng)：

使溶液中的氫氧根離子和強氧化性的雙氧水增多，加快了細(xì)胞的死亡。由于菌種和實驗條件的限制，目前并沒有研究出最佳滅菌條件及其它菌種的滅菌效果，設(shè)計更大體積的反應(yīng)器和大功率超聲換能器等問題還待解決。

2.3.2 超聲空化與二氧化鈦聯(lián)用技術(shù) 二氧化鈦常用做光催化劑，動力學(xué)過程研究表明TiO2能夠顯著改善殺菌效果，經(jīng)30min的處理后，在濃度0.2g/mL的TiO2光催化劑的作用下，有活力的細(xì)胞濃度降低到原來的6%，而沒有TiO2光催化劑作用時，僅降低到18%；增加TiO2的使用量，殺菌能力也能夠有一定程度上的增強，經(jīng)過30min的處理，在濃度1g/mL的TiO2光催化劑的作用下，細(xì)胞濃度降到了原來的3%[11]。

沈其動[12]設(shè)計了超聲和二氧化鈦聯(lián)合作用滅活大腸桿菌實驗，在頻率分別為20kHz和25kHz，功率為30W，TiO2濃度為0.4g/mL，對一升大腸桿菌菌液進(jìn)行超聲輻照實驗，得出如表1的結(jié)論：

由表1可以看出，超聲與二氧化鈦聯(lián)合作用的滅菌效果比超聲單獨作用時好。

3 水力空化及聯(lián)用技術(shù)

3.1 水力空化機理 水力空化與超聲空化具有類似的機理，一般液體中都含有肉眼看不到的微小氣泡，當(dāng)液體流經(jīng)低壓區(qū)時，這些氣泡快速膨脹，在該處形成可見的微小空泡。在空泡隨流體流動過程中，遇到周圍壓力突然增大時，體積急劇減小或潰滅，潰滅過程發(fā)生于瞬間，并伴隨極其復(fù)雜的物理、化學(xué)效應(yīng)。于冬梅[13]自行設(shè)立了一套以多孔板為空化發(fā)生器的水力空化試驗臺，并應(yīng)用攝影技術(shù)對水力空化過程進(jìn)行實時圖像采集，采用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，進(jìn)行水力學(xué)實驗。結(jié)果表明，利用孔板后的平均灰度值可以較好的反應(yīng)管路中的空化效應(yīng)，平均灰度值越大，管路對應(yīng)的水力空化效果越明顯；多孔孔板的孔排布會對水力空化產(chǎn)生一定影響，但與開孔率相比，開孔率為主導(dǎo)因素；單個多孔板的自力系數(shù)隨流量的增加有增長的趨勢，隨開孔率增加，管路的阻力系數(shù)減小，這種現(xiàn)象在開孔率較小時尤為明顯。

3.2 水力空化處理微生物技術(shù) 目前，水力空化處理微生物的機理主要有以下幾種觀點：（1）“水相燃燒”，即空化產(chǎn)生的極端高溫、高壓條件，不利于微生物的生長，從而起到抑制微生物繁殖的作用；（2）自由基機理，空泡潰滅產(chǎn)生的瞬時高溫、高壓，使水分子及其他分子發(fā)生分裂及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生具有高化學(xué)活性和強氧化性的·OH和H2O2，這2種物質(zhì)都可以滅菌；（3）“機械作用理論”，在空化泡潰滅的瞬間，空化效應(yīng)產(chǎn)生的100～1 000MPa高強壓力脈沖，同時伴有強烈的沖擊波和微射流，空化對細(xì)胞的破壞作用來自空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和脈動空泡引起的湍流空化流[14-15]。利用水力空化技術(shù)對含大腸桿菌污水處理實驗表明，水力空化對水體中的大腸桿菌有很好的殺滅作用；隨著空化作用時間的延長，滅菌率提高，60min時滅菌率接近或達(dá)到最大值，并在其后基本穩(wěn)定；適當(dāng)延長空化作用時間、一定范圍內(nèi)升高水體溫度、pH偏堿性、增大電導(dǎo)率均可提高水力空化的滅菌效果。王偉民[16]研究了水力空化對富營養(yǎng)水體藻類的滅殺效果，結(jié)果表明對同一空化發(fā)生器來說，在降解氯仿和殺滅銅綠微囊藻試驗中，用負(fù)壓水力空化流程比正壓空化流程空化效果好；在一定范圍內(nèi)，空化發(fā)生器孔面積與管道截面面積之比越大，總孔周長與總過流面積比值越小，空化效果越好；存在一個最佳空化時間等。為空化發(fā)生器的設(shè)計提供了參考依據(jù)，對后續(xù)水力空化裝置的制定具有一定的指導(dǎo)作用。

3.3 水力空化與其他處理方法聯(lián)用技術(shù)

3.3.1 水力空化與電解聯(lián)用技術(shù) 葉德寧、賈金平、許云峰等[17]嘗試將水力空化與電解2種抑藻技術(shù)進(jìn)行耦合聯(lián)用，并取得了令人滿意的效果，對于小型淺層水體，可通過滅殺藻類生物來實現(xiàn)改善水體景觀并取得持續(xù)效果。

試驗采用最易形成水華的銅綠微囊藻和水華魚腥藻（購自中科院武漢水生所），試驗過程均使用處于穩(wěn)定增長期的藻液。結(jié)果表明，單獨空化及電解對銅綠微囊藻均有一定的去除效果，不同的空化管喉管管徑對抑藻效果具有一定影響，2種方法聯(lián)合抑藻的效率具有協(xié)同作用，但其具體機理還需進(jìn)一步探究；藻種所處生長期對處理結(jié)果有一定的影響，可能與其細(xì)胞壁強度不同有關(guān)，且不同種屬藻類抑藻效果差異較大。試驗裝置應(yīng)用于抑制富營養(yǎng)化水體中藻類的生長，具有一定的開創(chuàng)性，通過進(jìn)一步研究處理機理及優(yōu)化裝置參數(shù)，有廣闊的小型水體抑藻的應(yīng)用前景。

3.3.2 水力空化與臭氧聯(lián)用技術(shù) 水力空化除藻是物理過程，臭氧除藻是化學(xué)過程，水力空化與臭氧聯(lián)用形成了物化聯(lián)用除藻技術(shù)。水力空化在空泡潰滅時會有強烈的湍流現(xiàn)象，流場中含有大量的小漩渦，并伴隨極高的壓力脈沖、微射流和沖擊波等。產(chǎn)生的這些機械效應(yīng)作用于微生物時，會破壞藻細(xì)胞壁，殺滅藻類；而臭氧依靠其強氧化性來殺死藻類，其自身在水中會分解，少量臭氧還可起到殺菌的作用。水力空化與臭氧聯(lián)用處理效果好，且無二次污染。

沈海風(fēng)[18]分別通過單獨水力空化、單獨臭氧和水力空化聯(lián)合臭氧除藻試驗證明，當(dāng)2個處理效果不是很好的2種方法合用時，產(chǎn)生的效果比任何一個單獨處理的效果要好，而且是好很多。

試驗條件下，確定水力空化聯(lián)合臭氧除藻的最優(yōu)條件為：最佳孔板為孔徑12mm的孔板，最佳臭氧發(fā)生量為1.9mg/min，最佳處理時間為6min，最佳處理溫度為20℃；并得出相同處理時間為10min時，單獨水力空化時藻的去除率為15%左右，單獨臭氧時藻的去除率為35%左右，而水力空化聯(lián)合臭氧時藻的去除率可達(dá)99%，效果顯著；臭氧利用率也比單獨臭氧處理提高32%左右。由于裝置需要臭氧發(fā)生器，需要消耗電能以及儀器的維護(hù)，目前只適用于小型水域等。采用管道聯(lián)用，增加水處理量，進(jìn)一步提高工作效率，降低成本是今后的發(fā)展方向。

4 結(jié)論及展望

空化技術(shù)應(yīng)用于水體微生物（藻類）的處理，是空化能量利用的新技術(shù)，具有無二次污染、處理效率高、設(shè)備簡單、適合工業(yè)化應(yīng)用等特點，與常規(guī)處理技術(shù)聯(lián)用能夠達(dá)到更好的處理效果，具有廣闊的應(yīng)用前景?？朔F(xiàn)行微生物（藻類）處理技術(shù)的不足，探求高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的新型處理技術(shù)以及探索聯(lián)用工藝是今后發(fā)展方向。目前，研究還集中在對空化技術(shù)機理上，探尋影響空化效果的因素及參數(shù)優(yōu)化，隨著空化理論及其技術(shù)的不斷成熟，空化技術(shù)及聯(lián)用技術(shù)在處理微生物（藻類）等方面將發(fā)揮重要的作用。

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