水力空化在水處理中發(fā)展現(xiàn)狀及前景

張 偉 2, , ，俞 龍

(1. 湖南省村鎮(zhèn)飲用水水質安全保障工程技術研究中心，湖南 益陽 413000； 2. 湖南省高校產學研合作示范基地 基于氨氮深度處理的城市供水技術研究與應用，湖南 益陽 413000； 3. 沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，沈陽 110168；4. 湖南城市學院 市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000)

近代工業(yè)的快速發(fā)展，使我國人民的經濟和生活水平不斷提高，但同時也不可避免對水資源造成了破壞[1]﹒我國面臨著水體富營養(yǎng)化、含有毒有害難降解有機物，以及海洋湖泊污染等問題，國際上其他國家也存在水資源匱乏、污染嚴重的問題[2-3]，水資源成為戰(zhàn)略性經濟資源﹒因此，如何快速、高效和經濟地去除水體中的污染物尤其是難降解有機物迫在眉睫﹒目前普遍應用的生物方法對其效果甚小，物理化學方法卻有廣闊的探索空間，其中水力空化作為環(huán)保、處理量大、易于實現(xiàn)工業(yè)化的新型水處理技術正在迅速發(fā)展﹒

1 水力空化產生及降解機理

空化是流體中普遍發(fā)生的一種物理現(xiàn)象﹒自1753 年發(fā)現(xiàn)空化開始，到發(fā)現(xiàn)空化會破壞泵輪和管道等造成材料損耗、噪音和振動的問題，人們不斷地對空化進行了深入研究，以避免上述問題發(fā)生[4]﹒人們逐漸認識到空化的產生可為某種物理化學現(xiàn)象提供特殊的環(huán)境，可加以利用，變害 為利﹒空化包括超聲空化和水力空化等[5]，其中水力空化通常在經濟方面(設備簡單、成本低和耗電量少)占絕對優(yōu)勢﹒它是指液體在流經管道某處時，人為制造某種條件(低壓強和高流速)﹒如圖1 所示，液體在靜止或運動過程中不可避免地受到外界環(huán)境等影響，造成氣體溶入，當液體壓強低于飽和蒸汽壓時，溶解在液體中的氣體會釋放出來并不斷膨脹﹒除此之外，液體自身會劇烈汽化而產生大量空化泡，這些氣泡隨著液體的流動到達高壓強、低流速區(qū)域時，空泡就會受到壓力，其體積急劇縮小，進而坍塌、潰滅[6]﹒

圖1 水力空化裝置

水力空化對有機物的降解原理可概括為水相燃燒反應和自由基反應﹒水相燃燒反應，即指空泡在受壓后，壓縮、潰滅和爆裂的瞬間流體質點產生極短暫的強壓力沖動，氣泡周圍極微小空間產生局部熱點，形成高溫(1 900～5 000 K，溫度變化率高達10 K/s)、高壓(5.065×107Pa)，并會每秒數(shù)萬次連續(xù)作用，產生強烈的沖擊波和時速達400 km/h 的高射流[7]，引起多種反應(湍流效應、微擾效應、界面效應和聚能效應)，這些極端環(huán)境足以將泡內氣體和汽液交界面的有機物等加熱分解﹒自由基反應機理主要依靠·OH 自由基的取代加成和電子轉移，是指水力空化過程中形成的極端環(huán)境可以使水分子裂解形成強氧化性的·OH 自由基，直接氧化有機物﹒同時，空化形成的機械沖擊作用及其產生的巨大能量，可使大分子化學鍵發(fā)生斷裂，破壞有機物結構，形成小分子易降解有機物[8]﹒更重要的是，空化形成的極端環(huán)境可加劇分子的活性，降低反應的活化能和分子的化學鍵強度，進而提高化學反應速率，強化反應的進行﹒研究表明，水力空化與其他高級氧化劑聯(lián)合降解有機物[9-11]時，可促使其形成更多具有氧化性的自由基，達到降解有機物的目的﹒

2 水力空化裝置類型

水力空化的產生通常是通過一些水力結構或產生壓力變化的結構來實現(xiàn)的，有學者通過建立模型及研究空化過程中的動力學[12-13]，為設計和優(yōu)化降解能力強的反應器提供理論基礎﹒發(fā)生裝置包括文丘里管、孔板、渦流二極管、高壓水射流和節(jié)流閥等，其中，以文丘里管和多孔板最為常見[14]﹒一般在給定的壓強下，文丘里管在喉部能夠產生比孔板更高的流速，且反應過程相對較溫和；孔板能夠在給定的管道截面積下，容納更多孔洞，而增大孔口周長與截面積的比值，可提高空化率，從而產生劇烈的化學反應﹒

2.1 孔板

孔板反應器的設計主要依據(jù)孔口出流和管嘴出流的原理﹒多孔板具有較強的靈活性，能夠便利地改變設備參數(shù)以尋求最優(yōu)空化條件；具有較強適應性，可用于各種有機廢水處理；它有助于實現(xiàn)不同強度的空化，且能耗低、處理量大﹒多孔板孔口的幾何條件(形狀和排列方式)不同，會導致流體剪切力不同﹒因此，孔洞的設計有圓形、三角形和方形等，排列方式有徑向式、棋盤式和交錯式等，如圖2 所示﹒

圖2 多孔板結構示意

Dong Z Y 等[15]通過高速攝像機和粒子圖像測速等技術考察三角多孔板孔數(shù)量、排列參數(shù)對水力特性的影響，并與混合孔板的水流特性進行比較，得出對角布孔空化數(shù)最小，不同截面速度分布曲線相似，混合孔軸向速度衰減比單孔快的結論﹒Kuldeep R 等[16]對孔板型水力空化反應器的幾何結構進行了設計優(yōu)化，以期最大空化效應，得出每種形狀孔板的最佳徑長比﹒Randhavane S B[17]比較了2 種不同結構配置的孔板對含毒死蜱農藥廢水的降解效果，其研究表明具有多個小直徑孔結構和延長空化時間都有利于空化的活性增強，且說明孔板水力空化在工程中具有實際意義和潛在價值﹒孔口的形狀、排列方式、孔數(shù)、孔徑、入口壓力和空化時間等都是限制孔板空化產生及影響水處理效果的因素，國內外學者就這些因素的聯(lián)系探討還不夠全面，至今未看到有統(tǒng)一的影響空化效果的規(guī)律闡釋及機理分析，這與水力空化發(fā)生時的復雜程度有很大關系﹒

2.2 文丘里管

文丘里管多用于管道流量測定、除塵和生物質燃料生產等工業(yè)領域[18]，因其空化特性而逐漸被應用于水處理，其喉部較長可使空泡生長時間增長，利于疏水性有機物進入空泡熱解，通過對擴散段進行適當?shù)脑O計能產生較強脈動壓力﹒根據(jù)伯努利原理，當液體通過文丘里管喉部時，流速增大、壓力降低到液體飽和蒸汽壓而產生空化，人們對文丘里管的空化產生、破滅、參數(shù)設計優(yōu)化和理論模型建立等已進行了大量研究﹒

Tang P 等[19]利用計算流體動力學(CFD)分析文丘里管關鍵結構參數(shù)(收縮角、擴散角、收縮比)對空化特性的影響，得出擴散段平均體積分數(shù)隨擴散角增大而減小等一系列結論，為工程設計提供了參考﹒Badve M P 等[20]設計單孔板、圓形和狹縫文丘里管(如圖3 所示)作為反應器對船舶壓艙水消毒處理，結果表明狹縫文丘里管具有最大的消毒效果和能源利用率，與氯消毒或常規(guī)熱處理組合使用能提高消毒速率、縮短消毒時間﹒與孔板的發(fā)展類似，盡管學者們對空化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)值模擬和文丘里管的幾何結構等有了初步探討，但文丘里管中的流動參數(shù)、操作條件等仍然沒有普遍關聯(lián)，不具有嚴格一般性﹒

圖3 圓形和狹縫形文丘里管結構示意

3 水力空化應用現(xiàn)狀

3.1 用于廢水處理

3.1.1 水力空化單獨應用

將水力空化技術單獨應用于醫(yī)藥、染料等工業(yè)有機廢水的研究獲得了一定進展，對空化器的一些特性以及降解有機物時的影響因素也有了初步認識﹒Musmarra D 等[21]通過收縮擴張噴管產生水力空化來降解水中微量布洛芬，從實驗(考察上游壓力及pH 值影響)和理論(動力學分析、中間產物及降解機理)出發(fā)，證明了有5 種中間體形成，以及收縮口的壓力影響降解速率而pH 值不影響效果的特性﹒結合相關文獻給出了合理解釋，綜合實驗、數(shù)學模擬和熱力學分析，互相補充結論是該文的創(chuàng)新之處﹒Dhanke P 等[22]利用水力空化反應器處理魚類加工廢水，以顏色、氣味、BOD、COD、TOC 和可生化降解性為評價指標，經反應器工作后，廢水可生化指數(shù)降低，有利于后續(xù)厭氧、好氧處理，表明反應器可有效用于處理魚類加工廢水﹒Montusiewicz A 等[23]通過水力空化預處理經城市污水稀釋(機械處理)后的啤酒廢谷物，結果表明BOD/COD 升高至0.091的同時總固體濃度也顯著下降，紅外光譜顯示不會產生影響生物處理的新的化合物，為預處理提高啤酒廢谷物可生化性和厭氧消化性提供了行之有效的方案﹒

通過查閱相關文獻發(fā)現(xiàn)，無論設計新型反應器，還是優(yōu)化反應條件，水力空化的單獨處理效果并不好[24-25]，這可能是一方面受到了水力空化自身對有機廢水降解能力的限制；另一方面，經過多年的發(fā)展，科研人員仍未清晰掌握水力空化的原理，未能突破空化產生的時間和空間限制﹒

3.1.2 與其它高級氧化法聯(lián)用

考慮到上述水力空化發(fā)展所面臨的問題，將其作為預/后處理與其它高級氧化法聯(lián)用，以達到滿意的去除率是重要的解決方案，同時加大了水力空化工業(yè)化應用的可能[26]﹒

Thanekar P 等[27]利用水力空化及聯(lián)合其它氧化工藝處理含卡馬西平廢水，結果顯示在最優(yōu)pH和入口壓力下，單獨水力空化的降解率達38.7%；而當進行組合處理時，去除效果也有不同程度的提升，HC+H2O2+O3組合方式可完全去除污染物；動力學分析表明，卡馬西平的降解符合一級動力學，在空化率及運行成本方面，組合工藝具有優(yōu)越性﹒Wang C Q等[28]以苯并[a]蒽為目標污染物，考察水力空化、ClO2以及兩者的組合去除能力，進行了降解產物、途徑及動力學研究，結果表明組合工藝能使苯并[a]蒽環(huán)斷得更徹底，協(xié)同因子為1.48，強化降解能力的同時，實現(xiàn)了減少有害中間產物生成和提高效率的目的﹒Saxena S 等[29]使用水力空化+Fenton/O3/H2O2工藝降解制革廢水，發(fā)現(xiàn)水力空化(HC)+Fenton 組合技術協(xié)同效果最佳，工藝處理時間減少，有機物礦化程度較高，實驗證明了水力空化可結合到常規(guī)污水處理技術中，提高水廠對難降解有機物的去處理能力，滿足技術經濟的要求﹒Wang X N 等[30]通過實驗證明了水力空化與光催化反應具有協(xié)同作用，提高降解率的同時也能提高反應速率，其主要原因是空化可有效避免催化劑團聚并增加催化劑表面的活性位點，該文還討論了不同因素對工藝處理效果的影響，并分析了其降解途徑﹒

多種氧化技術與水力空化相結合可協(xié)同提高空化數(shù)及·OH 自由基數(shù)量，大大提高有機物的去除率，見表1﹒然而，組合工藝效率很大程度上取決于反應器結構(孔口形狀及尺寸)、操作參數(shù)(流速及循環(huán)次數(shù))和液體性質(密度、溶解氣體及濃度)，且目前的研究都針對單一污染物，為應對復雜有機物混合的廢水降解，每次需要在實驗室基礎上對上述條件優(yōu)化，才能實現(xiàn)靈活應用﹒

表1 單獨水力空化(HC)及組合工藝實驗研究結果

3.2 用于污泥處理

活性污泥法是當前污水處理廠的主流工藝﹒由此工藝產生的大量剩余污泥通常含有對環(huán)境有害的物質，因此實現(xiàn)污泥的無害化、減量化和資源化十分必要﹒在眾多處理方法中(熱處理、超臨界水氧化、機械法和水力空化等[35])，水力空化高溫效應可使污泥細胞變性，細胞壁機械強度降低，所產生的沖擊波和微射流會沖擊破壞污泥細胞壁及結構，利于污泥的消化和脫水，該過程中產生的自由基氧化作用亦可破解污泥，這使其逐漸成為研究熱點﹒Petkov?ek M 等[36]自行設計旋轉空化反應器，通過自來水測試反應器的性能及動力學特性并將其應用于污水處理廠中的污泥分解，實驗證明了利用該反應器，使后續(xù)沼氣產量增加12.7%，更好地實現(xiàn)了污泥消化脫水，降低了污水處理廠的運營成本﹒李銳等[37]設計一種新型空化器，通過調節(jié)通氣比和管道流速，實現(xiàn)最佳運行工況，在560 W 的功率下30 min 破解1 kg 污泥，破解率在95%，同比超聲空化節(jié)約40%能耗，該法經濟有效且無二次污染﹒Cai M Q 等[38]將水力空化與Fenton 法聯(lián)合進行污泥強化脫水，探討初始pH 值、污泥濃度和流速等對污泥含水率的影響，闡明了脫水的機理，證明了水力空化與Fenton具有協(xié)同作用，為污泥處理的發(fā)展提供了依據(jù)，為組合技術應用于污水處理廠提供了參考﹒

經過多年的探索，水力空化在污泥預處理方面的應用也有了較大發(fā)展，證實了該技術是行之有效且能降低能耗的，但以往的研究大多基于學者自己設計的反應器，對推廣應用有一定的影響，且因水力空化的發(fā)生比超聲空化等復雜，對脫水、破解污泥的理論研究還不深入，與其它技術組合研究還不算成熟，因此還有較大的研究空間﹒

3.3 用于消毒

飲用水安全問題關乎人民的生命健康，消毒是其中最重要的一個環(huán)節(jié)，因消毒產生的高昂成本給發(fā)展中國家?guī)砹司薮蟮慕洕鷨栴}，而且現(xiàn)行的消毒方法(氯消毒、臭氧消毒等)會因為化學物質的投加而產生有毒有害的副產物[39]﹒在這樣的背景下，開發(fā)新型安全可靠、低廉、無化學藥品加入的消毒方法刻不容緩，因此，水力空化具有較大的發(fā)展前途﹒據(jù)前人研究，水力空化消毒作用的基本原理是在空化泡潰滅的微秒時間內，產生的壓力波等會造成巨大的剪切力及高溫環(huán)境，這能夠將微生物細胞滅活，同時，化學反應產生的活性自由基也能夠提高消毒效率[40]﹒

Jain P 等[41]展示了一種旋流式渦流二極管水力空化裝置，以革蘭氏陰性、陽性微生物菌株的消除效果評價其消毒性能，結果顯示在0.05 MPa壓力降下1 h，大腸桿菌(革蘭氏陰性)的去除率達99%，通過增加壓強，可將金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性)的去除率提高至相近，同比孔板有效去除細菌所需的壓強(1 MPa)小得多，并提出通過細胞壁破裂、DNA 變性和氧化導致細胞壞死的空化消毒機理，該裝置簡單、易操作且具有較大的商用價值，對水力空化的消毒應用具有一定的借鑒意義﹒Cerecedo L M 等[42]以大腸桿菌和糞腸球菌為目標去除物，成功證明了轉子-定子裝置是有效的水力空化消毒反應器，通過改變轉子與定子間的通道參數(shù)和控制條件，探討空化強度及滅菌規(guī)律，在較短時間(10 min)內實現(xiàn)細菌的滅活，與其它空化裝置相比具有能耗低的優(yōu)點﹒綜上，水力空化在飲用水消毒方面也有一定的發(fā)展?jié)摿?，但是在消毒方面的理論研?如湍流作用下空化泡動力學模型)仍是初始階段，還需學者們不斷地深入研究以掌握消毒過程中的控制參數(shù)和影響因素等﹒

4 存在問題

1)在空化裝置方面，前人針對不同的有機污染物所設計的空化反應器存在差異，雖有各自的優(yōu)點，但存在不同程度上的能量利用率低、處理體積小、應用范圍小和作用時間短等缺點﹒

2)在污水處理應用方面，目前所存在的水力空化裝置中，空化泡的運動理論計算模型還存在不足，大多數(shù)學者只是引用前人的假設理論，未作出新的判斷或理論提出，仍需結合反應器進一步模擬和探索更加準確的計算模型及機理研究﹒

3)水力空化降解有機物時，外界環(huán)境、操作條件影響復雜且相互牽制，對其研究還沒有系統(tǒng)的解釋，仍需深入探索﹒

4)近年來，水力空化技術在水處理方面的應用研究大多集中于與其它高級氧化技術聯(lián)合，雖已獲得較大進步，但其所處理的廢水都是單一組分，針對多組分難降解有機物的去除效果、機理和條件優(yōu)化等研究還很匱乏﹒

5 結論與展望

本文對水力空化的成因、空化器類型、水處理應用進展及其降解機理進行了概括總結，作為水處理行業(yè)新型的高級氧化技術，其在效率、經濟和可行性上有很大潛力，國內外學者相繼進行了大量研究﹒然而，水力空化在水處理中的規(guī)?；瘧眠€存在諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)作以下展望：

1)水力空化反應器結構研究對其工業(yè)化應用的拓展至關重要，因此需要對反應器的種類、孔板孔型、孔徑、孔數(shù)和排列方式等進行更多系統(tǒng)測試，以獲得詳細精準的數(shù)據(jù)﹒

2)將不同孔板組合或與文丘里管等不同的空化發(fā)生裝置相結合，可實現(xiàn)不同強度的空化，而創(chuàng)新設計新型水力空化設備對其廣泛應用于水處理研究有重要意義﹒

3)無論是從經濟學角度，還是從降解的效果和速率考慮，將水力空化與高級氧化技術聯(lián)合應用于水處理，仍是今后研究(聯(lián)合機理、組合反應裝置設計和反應條件等)的重點﹒