超聲波及其聯(lián)合技術(shù)在水處理應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

唐抒圓　裴雪　李欣　孫磊龍　海蛟

【摘 要】將超聲波技術(shù)應(yīng)用于水處理領(lǐng)域是近些年來興起的研究，本文介紹了目前超聲波技術(shù)在處理染料廢水、含酚廢水、苯系物廢水、有機(jī)農(nóng)藥廢水及剩余污泥中的研究進(jìn)展，并對學(xué)者們研究的各類超聲波聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】超聲波；水處理；聯(lián)合技術(shù)

【Abstract】Application of ultrasonic in water treatment rise up in recent years， this paper introduce the treatment of dye wastewater， phenolic wastewater， benzene wastewater，organicpesticide wastewater and surplus sludge by ultrasonic， and summarize kinds of ultrasonic combined technologies studied by researchers.

【Key words】Ultrasonic； Water treatment； Combinational technology

超聲波是頻率高于人類所能辨識的聲音上限的聲波，在液體介質(zhì)中，超聲波在一定條件下會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并形成熱點(diǎn)，并產(chǎn)生·H、·OH自由基[1]。通過空化作用與自由基作用，可以使得水中的有機(jī)物加快降解進(jìn)程，最終生成CO2、H2O和其他無機(jī)物等[2]。因此，很多學(xué)者進(jìn)行了利用超聲波技術(shù)處理有機(jī)污水的相關(guān)研究，并取得了很好的處理效果。

1 超聲波技術(shù)在水處理中的研究

1.1 處理染料廢水

高甲友等人[3]利用超聲技術(shù)降解甲基紫模擬的染料廢水，研究表明，甲基紫的降解過程符合一級動力學(xué)方程。上海大學(xué)華彬等[4]對超聲技術(shù)降解酸性紅B廢水過程中，超聲時(shí)間、初始濃度、反應(yīng)溫度等對染料降解效果的影響，結(jié)果表明，延長反應(yīng)時(shí)間，加大初始濃度，提高反應(yīng)溫度，都有助于提高降解效率。Rehorek等[5]的研究結(jié)果顯示，利用超聲波法降解酸性橙5、直接藍(lán)71和活性橙16等幾種偶氮染料，降解產(chǎn)物為完全礦化的無毒物質(zhì)。陶媛等[6]采用探頭式超聲裝置處理酸性黑ATT模擬染料廢水，結(jié)果表明，探頭式超聲輻射裝置對于濃度大于 100 mg /L的染料廢水，降解效果不佳。Vajnhandl和Marechal[7]對超聲降解活性染料RB5過程中的活性氧物種進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)采用探頭式超聲時(shí)自由基生成速率是杯式裝置的20～25倍，堿性條件不利于染料的降解。

1.2 處理含酚廢水

Petrier等人[8]用20kHz、200kHz、500kHz 和800kHz 等4種頻率超聲降解苯酚，結(jié)果顯示，在200kHz的條件下，苯酚的降解效果最好。湯紅妍等[9]研究發(fā)現(xiàn)，pH對苯酚的降解效率有顯著影響。pH為4時(shí)，降解效率最高；pH高于10時(shí)，基本不發(fā)生降解反應(yīng)。Ku等[10]在研究超聲降解水中2-氯酚時(shí)發(fā)現(xiàn)，降解速度隨溶液pH 的增大而減小。Lin 等[11]的研究也證實(shí)，在利用超聲技術(shù)處理2-氯酚時(shí)，酸性條件的處理效果高于堿性條件。付榮英等[12]關(guān)于2-氯酚的實(shí)驗(yàn)表明，初始濃度為5g/L 時(shí)的降解率是濃度為10g/L 時(shí)的1.36 倍。馬英石等[13]以超聲波/H2O2 工藝降解水中2-氯酚的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2-氯酚的初始濃度較低時(shí)，2-氯酚的分解速率較快.

1.3 處理苯系物廢水

一些苯系物雖難以空化泡內(nèi)被破壞，但易被空化泡崩潰后釋放到水中的自由基氧化。研究得出，在超聲波作用下苯和甲苯的降解過程符合一級反應(yīng)動力學(xué)的特征[14]。另外，Visscher等人[15]用520kHz的超聲波分別處理苯、乙苯、苯乙烯和鄰氯甲苯溶液，分析得出，超聲降解反應(yīng)均為一級反應(yīng)。

1.4 處理有機(jī)農(nóng)藥廢水

鐘愛國等[16]使用超聲波誘導(dǎo)降解水溶液中甲胺磷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示甲胺磷的平均降解率可達(dá)到99%。David等[17]的研究表明，在頻率為的超聲波輻照下，初始濃度為0.1mmol/L的氯苯胺靈50分鐘后幾乎完全去除，降解的主要產(chǎn)物為Cl-、CO和CO2。

1.5 加速污泥破解

污泥破解是指通過一定的方法，破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁，溶出胞內(nèi)物質(zhì)，從而加速污泥穩(wěn)定化過程[18]。A.Teihm 等[19]研究表明，頻率31kHz、聲能密度0.11 W/cm3的超聲波可以有效打破菌膠團(tuán)。Neis等[20]對超聲處理后污泥的絮體尺寸分布、SCOD、進(jìn)行了分析，討論了污泥沉降性能和脫水性能的變化，并研究了不同初始污泥濃度對處理結(jié)果的影響。曹秀芹等[21]對超聲作用下對污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化、和污泥溫度的變化做了實(shí)驗(yàn)研究，得出聲能密度和作用時(shí)間對細(xì)胞分解起著重要作用的結(jié)論。在污泥的處理工業(yè)實(shí)際應(yīng)用方面，德國己經(jīng)研制成功并投入運(yùn)行一種技術(shù)，利用超聲波將污泥體積和質(zhì)量減少，同時(shí)增加沼氣產(chǎn)率[22]。

2 超聲波與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

2.1 超聲波/臭氧技術(shù)

Olson等[23]用超聲波與臭氧聯(lián)合作用來研究天然有機(jī)物腐殖酸氧化動力學(xué)，研究得出，總有機(jī)碳（TOC）的去除率達(dá)到91%，有機(jī)碳礦化達(dá)到87%。Raman Lall[24]用超聲/臭氧法處理含蒽醌染料Reactive Blue 19 的水溶液，證實(shí)超聲波與臭氧存在協(xié)同作用。Ince等[25]研究表明，超聲波與臭氧的協(xié)同效應(yīng)主要是由以下四方面引起：①超聲波提高了溶液的傳質(zhì)速率；②熱解產(chǎn)生更多的自由基；③揮發(fā)性中間產(chǎn)物在空化泡內(nèi)進(jìn)行熱解；④熱解產(chǎn)物進(jìn)入液相增加了氧化物質(zhì)的量。

2.2 超聲波/雙氧水技術(shù)

孔黎明[26]通過研究證實(shí)，超聲波/雙氧水對苯酚的去除率為82.21%，而同等條件下，單獨(dú)超聲作用對苯酚的去除率為32.69%，單獨(dú)使用雙氧水對苯酚的去除效率為32.63%。Lin等的研究表明[27]，降解2-氯苯酚時(shí)，超聲波/雙氧水聯(lián)合技術(shù)比單獨(dú)使用超聲波技術(shù)處理效果更好，2-氯苯酚的去除效率為99%，高于單獨(dú)使用超聲波技術(shù)時(shí)的25%。

2.3 超聲波/芬頓試劑技術(shù)

趙德明等[28]認(rèn)為超聲波/芬頓試劑技術(shù)具有更快的降解苯酚的速度，超聲波與芬頓試劑（Fenton）之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng)。張翼等[29]研究了超聲/Fenton法處理偶氮染料橙黃Ⅱ，證實(shí)超聲波對Fenton試劑處理該染料具有強(qiáng)化作用。刑鐵玲等[30]采用低濃度Fe（Ⅱ）在超聲作用下對亞甲基藍(lán)染料及甲基橙進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)少量Fe（Ⅱ）的存在，可使超聲降解染料的速率提高3倍左右。

2.4 超聲波/零價(jià)金屬技術(shù)

零價(jià)鐵單獨(dú)降解硝基苯時(shí)，會產(chǎn)生有毒的中間體苯醌及最終產(chǎn)物苯胺，超聲波/零價(jià)鐵技術(shù)，可以將這些有毒化合物進(jìn)行有效的分解。而且與單獨(dú)超聲波或相比，二者協(xié)同作用下，硝基苯降解反應(yīng)的假一級動力學(xué)常數(shù)可提高1至2個(gè)數(shù)量級[31]。胡文勇[32]等用超聲波/零價(jià)鐵方法降解對硝基苯胺，對硝基苯胺降解速率和程度都顯著提高。

2.5 超聲波/紫外光技術(shù)

E.Naffrechoux等[33]用超聲-紫外耦合的方法來處理苯酚溶液，二者耦合聯(lián)用降解苯酚的速率比它們各自單獨(dú)使用時(shí)明顯提高。趙德明等[34]研究了利用超聲波/紫外光技術(shù)降解對氯苯酚的過程，發(fā)現(xiàn)超聲波/紫外光技術(shù)比單獨(dú)一種技術(shù)的降解速率提高了1.5-1.7倍。

3 發(fā)展前景

超聲波降解水體中的化學(xué)污染物作是近年來興起的一個(gè)研究領(lǐng)域，為了使其能投入生產(chǎn)運(yùn)營中，還應(yīng)考慮到它的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和放大性。超聲波技術(shù)對于難降解有機(jī)廢水的處理，以及對廢水的深度處理，是未來的重點(diǎn)研究方向。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]