空化技術(shù)及其聯(lián)用技術(shù)處理微生物（藻類(lèi)）發(fā)展現(xiàn)狀及展望

馮效毅　劉春陽(yáng)

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(jī)理及超聲空化、水力空化處理微生物的機(jī)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(yàn)條件下的處理效果、優(yōu)化參數(shù)及不足。最后，對(duì)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(lèi)號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）06-18-04

隨著我國(guó)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(yíng)養(yǎng)化程度不斷加劇、范圍不斷擴(kuò)大，國(guó)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(wú)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(huì)破壞水體生態(tài)平衡，危害飲用水水質(zhì)，嚴(yán)重制約社會(huì)和國(guó)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(yíng)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(diǎn)而無(wú)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(wèn)題，極大增加了處理成本。空化技術(shù)是最近十幾年才開(kāi)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(lái)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(qiáng)降到負(fù)值時(shí)，水即自管壁分離，該處會(huì)形成一個(gè)真空區(qū)，這種現(xiàn)象應(yīng)予避免”。1849年英國(guó)海軍發(fā)現(xiàn)在螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)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(dòng)，這是歷史上第一次對(duì)空化現(xiàn)象物理本質(zhì)的描述[2]。

近年來(lái)，隨著對(duì)空化技術(shù)的深入研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到空化時(shí)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(kāi)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(lèi)型：聲空化、水力空化、光空化和粒子空化[3]。目前，國(guó)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(qiáng)烈，能量集中，對(duì)水體中各種有機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(guò)液體向周?chē)鷤鞑?。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(dòng)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(shí)，在壓力強(qiáng)度足夠大的負(fù)壓作用下，會(huì)打破液相分子間的引力，當(dāng)分子間距超過(guò)物質(zhì)處于液態(tài)臨界分子間距時(shí)，液體會(huì)發(fā)生斷裂而產(chǎn)生空穴，形成空化核。此后，處于聲場(chǎng)的空化核不斷吸收能量，產(chǎn)生振動(dòng)、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(qiáng)氧化殺菌作用的OH-、H2O2。高強(qiáng)度超聲波作用于水體微中生物時(shí)，強(qiáng)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(yíng)[6]對(duì)超聲殺滅大腸桿菌進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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。可能是因?yàn)楫?dāng)聲強(qiáng)超過(guò)空化閾值后提高聲強(qiáng)會(huì)使空化加強(qiáng)，但在聲強(qiáng)超過(guò)一定的界限后，空化泡在聲波的膨脹相內(nèi)可能增長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致它在聲波的壓縮相內(nèi)來(lái)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(guò)試驗(yàn)得出，超聲空化產(chǎn)生的高溫、高壓、沖擊波等能使藻類(lèi)細(xì)胞表面產(chǎn)生坑穴和孔洞型的損傷，將絲狀藻類(lèi)的藻絲打斷，破碎藻細(xì)胞的氣囊結(jié)構(gòu)，從而限制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。單參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：提高超聲的聲強(qiáng)，抑藻效果隨之增強(qiáng)，但會(huì)逐漸趨于飽和，其原因在于聲壓和空化強(qiáng)度的飽和；超聲頻率對(duì)抑制效果有很大影響，200kHz比20kHz和1.7MHz效果更佳；延長(zhǎng)超聲輻照時(shí)間會(huì)增強(qiáng)藻類(lèi)的抑制效果，但也存在逐漸飽和的趨勢(shì)，因此，低劑量、高頻率的模式更利于長(zhǎng)期抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)。遲巍、萬(wàn)成炎等[8]也通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在利用超聲波控制藻類(lèi)生長(zhǎng)的過(guò)程中，超聲波的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間會(huì)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(chǎng)中，質(zhì)量濃度為5.4mg/L時(shí)，臭氧的傳質(zhì)效率提高了90%。其原因?yàn)椋阂皇浅暣龠M(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(qiáng)了液體的擾動(dòng)，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(shí)，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(qiáng)化O3殺菌能力實(shí)驗(yàn)，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(shí)，則可減少處理時(shí)間。超聲聯(lián)合O3的殺菌作用具有明顯的強(qiáng)化效果。在超聲作用時(shí)間分別為20、30、40、50min時(shí)，測(cè)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(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：

使溶液中的氫氧根離子和強(qiáng)氧化性的雙氧水增多，加快了細(xì)胞的死亡。由于菌種和實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前并沒(méi)有研究出最佳滅菌條件及其它菌種的滅菌效果，設(shè)計(jì)更大體積的反應(yīng)器和大功率超聲換能器等問(wèn)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(lái)的6%，而沒(méi)有TiO2光催化劑作用時(shí)，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(qiáng)，經(jīng)過(guò)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(lái)的3%[11]。

沈其動(dòng)[12]設(shè)計(jì)了超聲和二氧化鈦聯(lián)合作用滅活大腸桿菌實(shí)驗(yàn)，在頻率分別為20kHz和25kHz，功率為30W，TiO2濃度為0.4g/mL，對(duì)一升大腸桿菌菌液進(jìn)行超聲輻照實(shí)驗(yàn)，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(dú)作用時(shí)好。

3 水力空化及聯(lián)用技術(shù)

3.1 水力空化機(jī)理 水力空化與超聲空化具有類(lèi)似的機(jī)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(shí)，這些氣泡快速膨脹，在該處形成可見(jiàn)的微小空泡。在空泡隨流體流動(dòng)過(guò)程中，遇到周?chē)鷫毫ν蝗辉龃髸r(shí)，體積急劇減小或潰滅，潰滅過(guò)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(yàn)臺(tái)，并應(yīng)用攝影技術(shù)對(duì)水力空化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，采用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，進(jìn)行水力學(xué)實(shí)驗(yàn)。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(duì)應(yīng)的水力空化效果越明顯；多孔孔板的孔排布會(huì)對(duì)水力空化產(chǎn)生一定影響，但與開(kāi)孔率相比，開(kāi)孔率為主導(dǎo)因素；單個(gè)多孔板的自力系數(shù)隨流量的增加有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨開(kāi)孔率增加，管路的阻力系數(shù)減小，這種現(xiàn)象在開(kāi)孔率較小時(shí)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(jī)理主要有以下幾種觀點(diǎn)：（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(zhǎng)，從而起到抑制微生物繁殖的作用；（2）自由基機(jī)理，空泡潰滅產(chǎn)生的瞬時(shí)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(qiáng)氧化性的·OH和H2O2，這2種物質(zhì)都可以滅菌；（3）“機(jī)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(qiáng)壓力脈沖，同時(shí)伴有強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，空化對(duì)細(xì)胞的破壞作用來(lái)自空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和脈動(dòng)空泡引起的湍流空化流[14-15]。利用水力空化技術(shù)對(duì)含大腸桿菌污水處理實(shí)驗(yàn)表明，水力空化對(duì)水體中的大腸桿菌有很好的殺滅作用；隨著空化作用時(shí)間的延長(zhǎng)，滅菌率提高，60min時(shí)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(zhǎng)空化作用時(shí)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(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體藻類(lèi)的滅殺效果，結(jié)果表明對(duì)同一空化發(fā)生器來(lái)說(shuō)，在降解氯仿和殺滅銅綠微囊藻試驗(yàn)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(zhǎng)與總過(guò)流面積比值越小，空化效果越好；存在一個(gè)最佳空化時(shí)間等。為空化發(fā)生器的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，對(duì)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(mǎn)意的效果，對(duì)于小型淺層水體，可通過(guò)滅殺藻類(lèi)生物來(lái)實(shí)現(xiàn)改善水體景觀并取得持續(xù)效果。

試驗(yàn)采用最易形成水華的銅綠微囊藻和水華魚(yú)腥藻（購(gòu)自中科院武漢水生所），試驗(yàn)過(guò)程均使用處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期的藻液。結(jié)果表明，單獨(dú)空化及電解對(duì)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(duì)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(jī)理還需進(jìn)一步探究；藻種所處生長(zhǎng)期對(duì)處理結(jié)果有一定的影響，可能與其細(xì)胞壁強(qiáng)度不同有關(guān)，且不同種屬藻類(lèi)抑藻效果差異較大。試驗(yàn)裝置應(yīng)用于抑制富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類(lèi)的生長(zhǎng)，具有一定的開(kāi)創(chuàng)性，通過(guò)進(jìn)一步研究處理機(jī)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(guò)程，臭氧除藻是化學(xué)過(guò)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(shí)會(huì)有強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象，流場(chǎng)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(jī)械效應(yīng)作用于微生物時(shí)，會(huì)破壞藻細(xì)胞壁，殺滅藻類(lèi)；而臭氧依靠其強(qiáng)氧化性來(lái)殺死藻類(lèi)，其自身在水中會(huì)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(wú)二次污染。

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

試驗(yàn)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(shí)間為6min，最佳處理溫度為20℃；并得出相同處理時(shí)間為10min時(shí)，單獨(dú)水力空化時(shí)藻的去除率為15%左右，單獨(dú)臭氧時(shí)藻的去除率為35%左右，而水力空化聯(lián)合臭氧時(shí)藻的去除率可達(dá)99%，效果顯著；臭氧利用率也比單獨(dú)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(lèi)）的處理，是空化能量利用的新技術(shù)，具有無(wú)二次污染、處理效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、適合工業(yè)化應(yīng)用等特點(diǎn)，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。克服現(xiàn)行微生物（藻類(lèi)）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(duì)空化技術(shù)機(jī)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(lèi)）等方面將發(fā)揮重要的作用。

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參考文獻(xiàn)

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