水动力空化技术在污水处理的应用研究进展

水动力空化技术在污水处理的应用研究
进展
摘要：
由于大量的生活污水和工业废水的排放，水污染已成为一个严重的问题，寻求先进的水处理方法，提高工作效率和经济效益是至关重要的。

水动力空化技术作为一种绿色高效的污水处理手段，受到广泛关注研究。

本文综述了水动力空化用于污水处理的作用机制及其对微生物污水、染料废水等不同类型污水的处理效果。

最后，对水动力空化技术在水处理中的未来发展提出了建议。

关键词:水动力空化，绿色高效，污水处理
1.概述
由于大量的生活污水和工业废水的排放，水污染已成为一个严重的问题。

来自纺织、制药、农药和石油化工等行业的废水中含有大量的有机化合物，如纺织染料、芳香族化合物、氯代烃和酚类化合物。

这些化合物是难降解的或有毒的，如果废水处理不当，会对人体和水环境造成很大的污染。

因此，寻求先进的水处理方法，提高工作效率和经济效益是至关重要的。

19世纪以来，蒸汽机械得到了广泛的应用。

当螺旋桨的速度增加到一定程度时，船的速度并没有相应增加。

一些蒸汽机船的螺旋桨转速也降低了。

对于这种现象，巴纳比和帕森斯首先提出了“空化”[1]，其中提到了水动力空化。

水动力空化是指当流体的局部压力低于饱和蒸汽压时，在液体中形成空化泡、增长、坍塌的过程。

气泡破裂过程会产生温度和压力的急剧上升，这对水利机械产生影响[2]，如叶轮的损坏，机械的振动加剧和性能下降。

而利用空泡破裂产生的高温高压液体环境，可以强化各种化学和物理过程。

而且与超声空化、光致空化其他两种空化方式相比，水动力空化具有更高的空化效率和更低的能耗。

而且在实际应
用中更容易实现，具有绝对的经济优势。

因此，水动力空化技术更适合水处理行业。

随着现代工业的快速发展，水动力空化成为一种经济高效、无消毒副产物的
水处理方法，受到了广泛研究。

此外，也证明了它是可行的。

本文综述了水动力
空化的方法及其对不同类型污水(微生物废水、染料废水和其他工业废水)的处理
效果。

阐述了空化、气泡破裂的影响及水处理机理。

最后，对水动力空化技术在
水处理中的未来发展提出了建议。

2.水动力空化用于污水处理的作用机制
当空化气泡破裂时，释放出大量能量，以热效应、机械效应和化学效应的形
式影响周围的液体环境。

水动力空化所产生的液体环境可以有效地用于污水处理。

2.1 热效应
当一个腔体坍塌时，大量的热量会释放到局部区域。

当形成数千开尔文的极
高温环境时，就会出现热点效应。

所有空化气泡的热点效应的集合形成了水动力
空化的热效应[3]。

水动力空化的热效应包括温度梯度和温升率。

热效应对水处理
效率有多重影响。

首先，有利于破坏污水中致病菌和微生物细胞壁/膜的结构。

其次，高温是辅助空化或其他水处理方法产生其他效果的有利因素。

此外，高温
有助于打开分子间的化学键，产生强氧化性自由基降解有机物[4]。

2.2 机械效果
水动力空化的力学效应包括空化塌陷时产生的强激波、高速微射流和高剪切
应力。

强烈的机械效应在物理平面上扭曲和打破微生物的外壁，使微生物失活，
从而达到水处理的目的。

Dijkink & Ohl[5]等人测量了刚性边界附近空化泡的壁
面剪切应力。

研究发现，射流冲击后空化表面径向扩散过程中产生了剪切应力。

Liu [6]等人通过数值模拟研究了加热壁面附近单个空腔的生长和坍塌及其对换热
的影响，得到了空腔坍塌产生的微射流速度。

2.3 化学效应
当气泡破裂时，极端的条件会破坏水分子的化学键，形成强氧化性的羟基自
由基-OH和过氧化氢自由基-OH2。

强氧化自由基能有效降解污水中的有机污染物[7]。

同时，流体动力空化的化学效应受环境的影响较大。

可有效增强水动力空化
的化学效应，改善水处理质量[8]。

3.水动力空化在污水处理的应用
3.1. 微生物污水
日常生活中的厨余垃圾污水、厕所污水或未经高温消毒的饮用水中含有大量
的细菌、藻类和其他微生物。

水动力空化释放大量能量，可以通过破坏普通有
机物、细菌和藻类的细胞壁来降解它们。

此外，细菌在高温下难以生存，利用水
动力空化释放的高达几千开尔文的热点温度即可实现杀菌。

因此，水动力空化对
杀灭细菌等活性微生物有很好的效果
Jain[9]等人使用水动力空化反应器的空化对含有细菌的饮用水进行消毒。

他
们还利用新型涡流二极管研究了不同压力(0.5、1、2、5、10 bar)对革兰氏阳性
菌(以大肠杆菌为模板)和革兰氏阴性菌(以金黄色葡萄球菌为模板)的消毒效果，
发现低压(0.5bar)下涡流二极管对大肠杆菌的去除率可达99%，高压(10 bar)下
对金黄色葡萄球菌的去除率可达98%。

这意味着涡流二极管的消毒效果要比孔板
的消毒效果大得多。

涡流二极管水动力空化反应器易于广泛应用，具有较高的商
业价值。

Wei[10]等人使用转子水动力空化反应器研究了大肠杆菌的杀菌效果。

通
过改变温度(30、40、50、55、60、65℃)和入口压力(0.02、0.04、0.05 MPa)调
节水动力空化强度，并通过显微镜和平板计数法评价杀菌效果。

研究发现，水动
力空化反应器的空化强度随着入口压力的增加而增加，当温度在50~60℃之间时，温度越高，对大肠杆菌的杀菌效果越好。

3.2.染料废水
染料废水的处理一直是世界水处理领域的一个重要课题。

染料被广泛应用于
化妆品、织物和塑料。

由于染料废水成分复杂，难以降解，其中含有大量大分子
物质。

有些染料具有高毒性和强致癌性。

不合理的排放会对环境和人体造成危害。

Gore等[11]将水动力空化与不同物质结合，如H2O2、臭氧等氧化剂降解活性橙4
染料(RO4)，发现该方法比单独水动力空化的效果好很多(14.67%)，其中水动力
空化与臭氧结合的效果最好(76.25%)。

Abbass-shiroodi [12]等通过CFD结合实验研究孔板(孔数1、13、25、33)和文丘里管(进口角20.7、22.7、24.7)不同结构
参数对刚果红脱色的影响，最终确定孔板(26.2%)和文丘里管(38.8%)对刚果红脱
色的最佳降解条件和脱色效果。

3.3. 其他工业废水
工业废水是指工业生产过程中产生的污水和废液。

有很多工业废水的种类和
成分复杂。

例如，石油废水精炼工业中含有酚类物质。

农药生产废水中含有各种
农药。

工业废水的成分复杂，往往含有大量有害物质，因此在排放前必须达到排
放标准。

在水动力空化处理工业废水的研究中，由于工业废水中含有大量的有机
物和大分子物质，单独使用水动力空化处理的效果不是很好。

因此，水动力空化
与其他方法相结合已成为工业废水处理的主要研究趋势。

Thanekar & Gogate [13]结合了水动力空化和氧化过程，基于过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)和过硫酸盐(KPS)。

为了降低COD，学者们比较了水动力空化单独或联合
其他氧化工艺处理工业废水的效果。

水动力空化具有较高的能量效率，且处理成
本明显低于超声空化。

Doltade 等[14]采用孔板和文丘里管对炼油废水进行处理，总结了降解率和能耗比，评价了水动力空化处理炼油废水的处理性能，并对空化
反应器结构进行了优化。

5.总结和展望
随着空化研究的发展，水动力空化技术在各个领域得到了广泛的应用。

特别
是在水处理领域，已被证明具有很大的发展潜力。

本文综述了水动力空化技术在
水处理中的发展概况。

水动力空化通过热效应、机械效应和化学效应使细菌、微
藻和有机物失活。

水动力空化消毒不能完全灭活染料和药物等有机物质，因此可
以结合化学或物理方法来实现加工效果更高。

综上所述，水动力空化技术是一种
高效的水处理技术，有效推进该技术的产业化还有待进一步努力。

水动力空化已被广泛证明是一种有效的清洁水处理技术。

然而，在水动力空
化技术在水处理中的研究仍面临许多挑战。

基于现有的不足研究中，提出以下预
期
(1)水动力空化很难完全降解有机物。

因此，可以采用水动力空化与其他水
处理方法相结合的方法来研究水动力空化与其他水处理方法的耦合程度。

近年来，纳米纤维材料法、材料吸附法等新的水处理方法也有很好的处理效果。

因此，水
动力空化与新的水处理方法相结合是值得研究的。

(2)水动力空化在羟基自由基生成方面的化学效应已被大量研究，但缺乏在
化学反应动力学基础上对降解过程的直接模拟。

也就是说，现有的研究还不足以
对自由基与污染物的反应进行直接和定量的描述。

此外，不同自由基的寿命和反
应主要发生的位置都需要进一步研究。

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基金项目：陕西省创新能力支撑计划资助（2021PT-053）
作者简介：冯思敏（1991-），女，陕西蒲城人，硕士，工程师，从事环境监测及土地整治工程研究。

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