超声波及其联用技术在废水处理中的应用研究

超声波及其联用技术在废水处理中的应用研究
摘要超声波由于具有空化作用、机械作用和热作用的特点，已经被用在污水处理等过程中。

超声波技术和其它废水处理技术联合使用，可以大大提高污水处理效果，具有良好的发展前景。

关键词超声波；污水处理；联用技术
0 引言
近几年来，超声波技术广泛应用于生产、生活的各个领域。

例如，超声波测距、超声波探伤、超声波除垢等。

20世纪90年代以来，超声波污水处理技术获得迅速发展，取得了较大进展。

但是单独利用超声波处理污水的效果有时并不明显，因此，超声波与其它污水处理技术的联合使用成为研究热点。

借助超声波的空化作用、机械作用和热作用来加速有机污染物的分解反应。

本文将详细分析超声波工作机理和特点，介绍超声波联用污水处理技术的应用和研究情况以及国内外超声波污水设备的使用状况。

1 超声波及其联用技术相关工艺
1.1 超声波污水处理工作机理
超声波一般是指大于16kHz，能量集中、沿直线传播的高频机械波。

当一定强度的超声波在水或者其他介质传播时，会产生一系列化学、光学、电学等反应。

基于这些反应，超声波具有主要四大物理效应可以在污水处理过程中完成降解、氧化反应去除污水的有害物质。

超声波的四大物理效应也是超声波联用技术的理论基础。

下面简单介绍超声波的基本效应：1）机械效用。

超声波在水中传播过程中，虽然震幅较小，但超声引起的质点加速度却非常大。

超声波的机械震荡与超声波降解作用相关，超声波机械震荡能量愈大降解的能效越高，但是并不是超声波的频率越高降解效果越好。

不论是以自由基还是以热效应为主的降解作用都有一个超声波最佳频率，超过这个阀值频率之后可能反而会降低污水处理效果；2）热效用。

超声波在水中传播时，由于机械振动的原因会吸收能量加热周围的水，造成局部温度的提高。

这就是超声波的热效用。

实验表明，温度的提高有利于加快化学或物理反应速度。

CFC- 113等制冷剂水溶液的超声降解结果表明CFC- 113空化泡内的热分解是CFC降解的主要途径；3）空化效应。

超声波在水中传播达到一定能量时，会在水中形成局部负压，促使水中的气泡生长直至破裂，形成局部点的高温、高压并伴随有强烈的冲击波和射流，这就是空化效应。

超声波空化效应是超声催化的主要理论基础。

空化形成的高温、高压有利于反应物裂解形成更活跃的化学成分，如自由基等。

另外，空化效应的冲击波和射流有助于水中物质表面的分解和清洗作用并破坏物质内部的结构从而有助于提高化学反应活性；4）自由基效应。

超声波产生的高温高压会令水或空气分解，形成多种自由基，例如·OH、·O、·H自由基等。

这些自由基会氧化、还原、转移水中的有机分子，从而降解水中的物质，一般会形成无机物、水或无毒的小分子有机物。

1.2 超声波及其联用技术相关应用
超声波降解要走向工业化，仍存在能耗大、费用高、降解不彻底等问题。

因此，研究超声波和其它污水处理方法的联用技术是目前超声波实用化的重要手段。

超声波联用有很多种类，下面简单介绍几种常用联用技术。

1）超声/臭氧联用技术
超声/臭氧联用技术是超声波污水处理技术中研究最多、最早的技术之一。

臭氧作为一种强氧化剂可以单独使用于水处理。

超声波加入之后可以使臭氧能够很好地溶解与分散在水中，提高臭氧氧化能力，节约电能，减少臭氧的投加量。

目前，已有众多研究成果表面，超声波可以减少50%的臭氧投放量，其工作的机理在于超声波可以分解臭氧产生大量的·OH自由基，提高臭氧的氧化还原能力，达到去污功效。

2）超声/H2O2联用技术
超声/H2O2联用过程中，超声既可以起到反应物，也可以起到催化剂的双重作用。

超声可使有机分子降解，可以作为一种反应物；超声使H2O2分解生成有效的氧化自由基，从而导致有机物发生一系列的氧化降解反应，因此，有时一种催化剂。

需要注意的是H2O2的量必须保持一定值。

因为H2O2在反应中是起到自由基的清除剂作用，如果含量过大，反而会使水中的自由基数量减少。

3）超声/Fenton联用技术
实验表明，在超声/Fenton体系中加入H2O2催化剂，其超声降解效果更佳，COD去除率更高。

使用超声/Fenton体系，加入H2O2催化剂后降解甲基丁基醚试验中，当H2O2浓度为0时，Fenton没有对甲基丁基醚起到分解作用；当H2O2浓度达到一定时，分解作用增大；当超过一定阀值时，降解作用减低。

因此，使用超声/Fenton联用技术的作为催化剂的H2O2的浓度应为最优值。

4）超声/磁化学联用技术
利用磁的化学效应，可以有效地提高HO的浓度，大大强化了超声处理效果。

国内已经有学者申请了此方法的废水处理的发明专利。

目前，还有许多超声波联用技术，例如超声/脱附联用技术、超声/生物联用技术、超声/湿法氧化联用技术、超声/微电场联用技术、超声/光化学联用技术等等，本文限于篇幅就不在一一介绍，具体可详见文献[1]。

在实际生产过程中，国内外也开始推出超声波联用技术产品。

例如如图1所示，就是国内生产的一种超声波联用技术污水处理设备的流程图。

国外，日本东京三菱化工机械公司与Proudo公司联合开发成功基于超声/电/磁场联用技术的污水处理设备并开始应用。

2 结论
由于超声波技术具有简便、高效、无污染或少污染的特点，是一种新型水处理技术。

超声波联用技术的使用避免了工业化过程中能耗大、费用高、降解不彻底等问题。

本文详细介绍了超声波联用技术的基础、应用情况以及今后的发展方向，随着科学技术的不断进步，相信新型超声波污水处理产品和技术将深入人们的生产和生活中。

参考文献
[1]李春喜，宋红艳.超声波在废水处理中的应用研究[J].化工学报2012（23）.
[2]白晓慧.超声波技术与污水处理[J].环境污染与治理，2011，5.。