超聲波的空化效應為降解水中有害有機物提供可能,從而使超聲波污水處理目的的實現。在污水處理過程中,超聲波的空化作用對有機物有很強的降解能力,且降解速度很快,超聲波空化泡的崩潰所產生的高能量足以斷裂化學鍵,空化泡崩潰產生氫氧基(OH)和氫基(H),同有機物發生氧化反應,能將水體中有害有機物轉變成CO2 、H2O、無機離子或比原有機物毒性小易降解的有機物。所以在傳統污水處理中生物降解難以處理的有機污染物,可以通過超聲波的空化作用實現降解。

超聲波在污水處理中應用的理論基礎

目前,對超聲波降解水中污染物原理的認識主要是空化理論和自由基氧化原理。由于超聲波空化作用所引起的反應條件的變化,導致了化學反應的熱力學變化,使化學反應的速度和產率得以提高。另外在超聲波空化產生的局部高溫、高壓環境下,水被分解產生H和OH自由基,另外溶解在溶液中的空氣(N2和O2)也可以發生自由基裂解反應產生N和O自由基。

影響污水處理中超聲波降解的主要因素

影響污水處理中超聲波降解的主要因素包括溶解氣體、pH值、反應溫度、超聲波功率強度和超聲波頻率:

1)溶解氣體的存在可提供空化核、穩定空化效果、降低空化閾,對超聲波降解速率和降解的影響主要有兩方面的原因:A、溶解氣體對空化氣泡的性質和空化強度有重要的影響;B、溶解氣體如N2O2產生的自由基也參與降解反應過程,因此,影響反應原理和降解反應的熱力學和動力學行為。

2)對于有機酸堿性物質的超聲波降解,溶液的pH值具有較大影響。當溶液pH值較小時,有機物質可以蒸發進入空化泡內,在空化泡內直接熱解;同時又可以在空化泡的氣液界面上和污水中空化產生的自由基發生氧化反應,降解效率高。當溶液pH值較大時,有機物質不能蒸發進入空化泡內,只能在空化泡的氣液界面上同自由基發生氧化反應,降解效率比較低。因此,溶液的pH值調節應盡量有利于有機物以中性分子的形態存在并易于揮發進入氣泡核內部。

3)溫度對超聲波空化的強度和動力學過程具有非常重要的影響,從而造成超聲降解的速率和程度的變化。溫度提高有利于加快反應速度,但超聲波誘導降解主要是由于空化效應而引起的反應,溫度過高時,在聲波負壓半周期內會使水沸騰而減小空化產生的高壓,同時空化泡會立即充滿水汽而降低空化產生的高溫,因而降低降解效率。一般聲化學效率隨溫度的升高呈指數下降。因此,低溫(小于20℃)較為有利于超聲波降解實驗,一般都在室溫下進行。

4)研究表明,并非頻率越高降解效果越好。超聲波頻率與有機污染物的降解原理有關,以自由基為主的降解反應存在一個最佳頻率;以熱解為主的降解反應,當超聲聲強大于空化閾值時,隨著頻率的增大,聲解效率增大。

5)超聲波功率強度是指單位超聲發射端面積在單位時間內輻射至反應系統中的總聲能,一般以單位輻照面積上的功率來衡量。一般來說,超聲波功率強度越大越有利于降解反應,但過大時又會使空化氣泡產生屏蔽,可利用超聲波功率強度能量減少,降解速度下降。

現階段超聲波在污水處理中的一般應用

超聲波降解污水中有機污染物技術既可單獨使用,也可利用超聲波空化效應,將超聲波降解技術同其他處理技術聯用進行有機污染物的降解去除。聯用技術有如下類型:

1)超聲波與臭氧聯用進行污水處理,以超聲降解、殺菌與臭氧消毒共同作用于污水。

2)超聲波與過氧化氫聯用進行污水處理,以達成對污染水體降解、殺菌、消毒之目的

3)超聲波與紫外線聯用進行污水處理,組成光聲化學技術利用超聲波技術和紫外光技術各自降解能力疊加協同和互補作用,對污水中常見的有機污染物苯酚、四氫化碳、三氫甲烷和三氯乙酸進行降解,使四種物質的降解產物為水、二氧化碳、C1-或易于生物降解的短鏈脂肪酸。

4)超聲波與磁化處理技術聯用進行污水處理,磁化對污水既可以實現固液分離,又可以對COD、BOD等有機物降解,還可以對染色水進行脫色處理。

5)超聲波還可以作為傳統化學殺菌處理的輔助技術,在用傳統化學方法進行大規模污水處理時,增加超聲波輻射,可以大大降低化學藥劑的用量。

未來超聲波在污水處理需解決的問題

雖然超聲波在污水處理領域的應用雖然已經得到了人們廣泛地認識,但是有許多問題仍然有待解決:

1)超聲波反應的條件控制比較困難。不同的底物由于其不同物理化學性質,其最佳的分解條件是不同的,尤其是考慮其經濟性時。分解不同的底物時,為使其達到最佳的分解效果,必須對超聲波的強度、分解時間、催化劑等條件進行試驗。

2)到目前為止,超聲波技術還沒有大規模運用到實踐中,許多的應用都是在實驗室里完成。這些試驗都是針對某一類底物,模擬該物質的溶液進行處理。超聲波有待進一步在實踐中的考驗。

3)超聲波大規模應用的問題主要在處理設備上,研制出能夠連續進行污水處理、低能耗、大容量的超聲波反應器是關鍵所在。