超聲波水處理技術及應用
聲化學是一門新興的交叉學科,主要是指利用超聲波來加速化學反應,提高化學反應產(chǎn)率。聲化學反應是通過聲空化過程實現(xiàn)的。聲空化把聲場能量集中起來,然后伴隨空化泡崩潰而在極小的空間內(nèi)將其釋放出來,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5000 K)和高壓(高于5×107 Pa),形成“熱點”(Hotspot),從而開辟化學反應通道,增大化學反應速率。
利用超聲技術降解水中的化學污染物,尤其是難降解的有機污染物是近幾年來發(fā)展起來的新型水處理技術〔1~4〕。它具有去除效率高、反應時間短、設施簡單、占地面積小等優(yōu)點。近年來,超聲技術在處理微污染水、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反應器
1.1 超聲清洗槽式反應器
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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(nèi)注入水等耦合液,然后將反應容器置于耦合液中(如圖1)。這類反應器具有價廉易得、操作簡單方便等優(yōu)點,目前實驗室中大部分的聲化學反應都是用它來進行的。圖1清洗槽式反應器超聲清洗器雖被廣泛用于實驗室的聲化學研究,但在工業(yè)應用上有一些缺點:(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(nèi)的聲強較小,一般不超過5 W/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,因而試驗結(jié)果的重現(xiàn)性比較差;(4)反應過程中耦合液會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變幅桿式聲化學反應器
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這是一種很有效的聲化學反應器,超聲探頭能使能量集中,在超聲輻射端面上可以獲得數(shù)百W/cm2的聲強(如圖2)。這種反應器有以下優(yōu)點:由于變幅桿的聚能作用,聲能密度大大提高;能根據(jù)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(jù)所需聲強隨時選用端面大小合適的探頭,同時,當探頭被空化嚴重腐蝕后,只需更換端部,而不必更換價格昂貴的整個探頭。
1.3平行板近場聲處理器
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平行板近場聲處理器(NAP)是美國Lewis公司開發(fā)的。該系統(tǒng)由一個矩形空間構(gòu)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20 kHz和16 kHz的超聲波。矩形空間內(nèi)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(gòu)成的區(qū)域時,即會受到超聲波的輻射。圖3為NAP系統(tǒng)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,整個處理過程中以O2曝氣。試驗結(jié)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(tǒng)處理后,兩者的降解均呈一級反應,反應速率常數(shù)為0.0027～0.0370min-1。
2 超聲技術在水處理中的應用
2.1 用于處理微污染原水
隨著工農(nóng)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(shù)飲用水源成為微污染水源。對微污染原水進行深度處理從而進一步改善供水水質(zhì)是許多水廠面臨的難題之一,現(xiàn)行的深度處理方法如活性炭、膜法、臭氧—活性炭聯(lián)用技術都存在著一定的問題。
近年來,超聲技術用于處理微污染原水的研究已展開。程愛華等用腐殖酸、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、圓桶)中用頻率為20～24 kHz,功率500 W的超聲波處理一段時間,結(jié)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、有機物來說,圓桶中實驗效果最好,圓盤中實驗效果次之,燒杯實驗效果最差;對去濁而言,燒杯實驗效果最好,圓桶中實驗效果次之,托盤實驗效果最差。劉紅等將超聲波用于強化微污染水的生物處理,結(jié)果表明,通過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。超聲處理促進了生物活性,且功率為10 W的超聲波促進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、氯化烴、氯代烴、有機酸、染料、醇類、酮類等廢水處理的研究,并取得良好的效果。在實際的工業(yè)廢水中,超聲技術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;祁夢蘭等用超聲處理染料廢水,發(fā)現(xiàn)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,實驗結(jié)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9.21 W/cm2,處理時間為2.5 min時,廢水的BOD5/COD由2.0提高到4.5;胡學偉用頻率18 kHz、聲強0.110 W/cm2的超聲波處理垃圾滲濾液,結(jié)果表明,在pH 7、溫度為55℃、處理時間為240min的條件下,滲濾液的COD由37050 mg/L降低到14140 mg/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厭氧發(fā)酵兩個方面。超聲波脫水常見工藝為城市污泥→重力沉降→超聲波處理→機械脫水。污泥菌膠團內(nèi)部包含水約占污泥總水量的27%,而菌膠團結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu),將其內(nèi)部包含水釋放出來,成為可以比較容易去除的自由水。A.Teihm等研究表明用31 kHz、聲能密度0.11W/cm3的超聲波處理可以有效打破菌膠團,處理30 s后污泥平均尺寸從165μm下降到135μm,處理96 s后下降到85μm。同時發(fā)現(xiàn)污泥菌膠團的解構(gòu)效率隨超聲波頻率的升高而降低,最佳分解頻率為41 kHz。超聲波破壞菌膠團結(jié)構(gòu)后,大量被挾裹在菌膠團內(nèi)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(xiàn),頻率20 kHz、聲能密度0.12 W/cm3的超聲波處理4 h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程,從而極大的縮短污泥厭氧發(fā)酵時間并提高了污泥可生化性。U.Neis等研究表明用頻率41 kHz、聲能密度0.10W/cm3的超聲波處理30～120min,可以使污泥厭氧發(fā)酵時間從22d降到8 d,比容積消化速率從437 g/(m3•d)上升到1166g/(m3•d)。
2.4 其他應用
超聲技術還可以用于飲用水殺菌、消毒、阻垢、去除水垢等。林衛(wèi)紅對超聲滅菌進行了研究,指出當頻率為200 kHz、聲強為2 W/cm2時,效果最佳,并且超聲滅菌效果與原水中的細菌濃度無關。劉天慶利用超聲—臭氧技術處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的生物垢,發(fā)現(xiàn)用頻率為20 kHz、振幅為20%的超聲處理,可有效地控制生物垢的生長,該技術還可以移除90%以上已形成的生物垢。
3 結(jié)語
目前超聲技術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驗室水平上。要使超聲技術走向工業(yè)化應用,還需加強以下幾方面的研究:
(1)進一步研究各參數(shù)對降解效果的影響,尋求最佳參數(shù)值。
(2)研究考察兩種及兩種以上不同頻率的超聲波同時作用時對降解效果的影響。
(3)研究超聲與其他氧化工藝的協(xié)同作用,實現(xiàn)多項單元技術的優(yōu)化組合,使其從技術上和經(jīng)濟上更為可行。
(4)加大對反應動力學的研究,研制開發(fā)高效的、能夠大批量處理和連續(xù)運行的超聲波反應器。
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