超聲波及其聯合技術在水處理應用中的研究現狀

唐抒圓　裴雪　李欣　孫磊龍　海蛟

【摘 要】將超聲波技術應用于水處理領域是近些年來興起的研究，本文介紹了目前超聲波技術在處理染料廢水、含酚廢水、苯系物廢水、有機農藥廢水及剩余污泥中的研究進展，并對學者們研究的各類超聲波聯合應用技術進行總結。

【關鍵詞】超聲波；水處理；聯合技術

【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，在液體介質中，超聲波在一定條件下會產生空化現象，并形成熱點，并產生·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物加快降解進程，最終生成CO2、H2O和其他無機物等[2]。因此，很多學者進行了利用超聲波技術處理有機污水的相關研究，并取得了很好的處理效果。

1 超聲波技術在水處理中的研究

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方程。上海大學華彬等[4]對超聲技術降解酸性紅B廢水過程中，超聲時間、初始濃度、反應溫度等對染料降解效果的影響，結果表明，延長反應時間，加大初始濃度，提高反應溫度，都有助于提高降解效率。Rehorek等[5]的研究結果顯示，利用超聲波法降解酸性橙5、直接藍71和活性橙16等幾種偶氮染料，降解產物為完全礦化的無毒物質。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行了監測，發現采用探頭式超聲時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]研究發現，pH對苯酚的降解效率有顯著影響。pH為4時，降解效率最高；pH高于10時，基本不發生降解反應。Ku等[10]在研究超聲降解水中2-氯酚時發現，降解速度隨溶液pH 的增大而減小。Lin 等[11]的研究也證實，在利用超聲技術處理2-氯酚時，酸性條件的處理效果高于堿性條件。付榮英等[12]關于2-氯酚的實驗表明，初始濃度為5g/L 時的降解率是濃度為10g/L 時的1.36 倍。馬英石等[13]以超聲波/H2O2 工藝降解水中2-氯酚的研究也發現，當2-氯酚的初始濃度較低時，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動力學的特征[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，超聲降解反應均為一級反應。

1.4 處理有機農藥廢水

鐘愛國等[16]使用超聲波誘導降解水溶液中甲胺磷，實驗結果顯示甲胺磷的平均降解率可達到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，破壞污泥的絮體結構、細胞壁，溶出胞內物質，從而加速污泥穩定化過程[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。Neis等[20]對超聲處理后污泥的絮體尺寸分布、SCOD、進行了分析，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果的影響。曹秀芹等[21]對超聲作用下對污泥絮體結構的變化、和污泥溫度的變化做了實驗研究，得出聲能密度和作用時間對細胞分解起著重要作用的結論。在污泥的處理工業實際應用方面，德國己經研制成功并投入運行一種技術，利用超聲波將污泥體積和質量減少，同時增加沼氣產率[22]。

2 超聲波與其他技術的聯合應用

2.1 超聲波/臭氧技術

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

2.2 超聲波/雙氧水技術

孔黎明[26]通過研究證實，超聲波/雙氧水對苯酚的去除率為82.21%，而同等條件下，單獨超聲作用對苯酚的去除率為32.69%，單獨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，超聲波/雙氧水聯合技術比單獨使用超聲波技術處理效果更好，2-氯苯酚的去除效率為99%，高于單獨使用超聲波技術時的25%。

2.3 超聲波/芬頓試劑技術

趙德明等[28]認為超聲波/芬頓試劑技術具有更快的降解苯酚的速度，超聲波與芬頓試劑（Fenton）之間存在明顯的協同效應。張翼等[29]研究了超聲/Fenton法處理偶氮染料橙黃Ⅱ，證實超聲波對Fenton試劑處理該染料具有強化作用。刑鐵玲等[30]采用低濃度Fe（Ⅱ）在超聲作用下對亞甲基藍染料及甲基橙進行處理，發現少量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/零價金屬技術

零價鐵單獨降解硝基苯時，會產生有毒的中間體苯醌及最終產物苯胺，超聲波/零價鐵技術，可以將這些有毒化合物進行有效的分解。而且與單獨超聲波或相比，二者協同作用下，硝基苯降解反應的假一級動力學常數可提高1至2個數量級[31]。胡文勇[32]等用超聲波/零價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

E.Naffrechoux等[33]用超聲-紫外耦合的方法來處理苯酚溶液，二者耦合聯用降解苯酚的速率比它們各自單獨使用時明顯提高。趙德明等[34]研究了利用超聲波/紫外光技術降解對氯苯酚的過程，發現超聲波/紫外光技術比單獨一種技術的降解速率提高了1.5-1.7倍。

3 發展前景

超聲波降解水體中的化學污染物作是近年來興起的一個研究領域，為了使其能投入生產運營中，還應考慮到它的經濟性、實用性和放大性。超聲波技術對于難降解有機廢水的處理，以及對廢水的深度處理，是未來的重點研究方向。

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[責任編輯：楊玉潔]