水力空化在污水处理中的应用与发展

水力空化在污水处理中的应用与发展
摘要：水力空化作为一种非常复杂的物理现象，能够产生极高的温度与瞬时高压，从而带来众多的应用。

本文综述了水力空化的概念，产生的机理，水力空化降解水中有机污染物的机理以及其在污水处理中应用的研究进展，提出了水力空化作为一种新型的水处理技术具有潜在的应用前景，同时也提出一些仍需解决的问题。

关键词：水力空化；污水处理；有机物降解
0引言
“空化”现象是一种物理现象。

早在1753年欧拉就指出“：水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，该处将形成一个真空区，这种现象应予避免”。

1849年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生，这些气泡又随即在水的压力作用下收缩内爆，致使螺旋桨产生剧烈振动，这是历史上首次对空化现象物理本质的描述随后人们便把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃破的过程称为空化。

自发现空化现象以来，人们了解到空化会产生种种不利影响，例如对水力机械、船舶、液压元件以及众多水利工程的空蚀破坏，因此，一百多年来国内外学者一直致力于研究如何防止和避免空蚀的损害和破坏。

近年来，随着研究的深入，人们逐渐认识到，空化发生时释放的巨大能量可为一般条件下难以实现或者不可能实现的物理、化学反应提供一种非常特殊的环境，应该予以利用。

根据产生的方法，空化一般可以分为4种类型：（1）声空化；（2）水力空化；（3）光空化；（4）粒子空化。

其中，研究较为普遍的是超声空化和水力空化。

超声空化装置产生的能量集中、空化效应强烈，对各类有机物有良好的氧化效果，得到了众多学者广泛深入的研究，在理论和实验方面已取得了大量的成果。

但是超声空化的最大弊端是难以实现工业化，主要由于空化效应只在超声探头附近产生，能量利用率较低，难以对污水进行大规模处理。

因此，人们开始转向水力空化的研究。

1993年Pandit和Joshi首次利用水力空化进行脂肪油水解实验，结果表明利用水力空化作为能量输入，能够促进脂肪油水解，并且比超声空化节能。

1 水力空化产生的机理
水力空化现象发生在很多场合，例如在有管径急剧变化的管道中水力机械中等。

这是因为一般液体中含有微小的气泡，通常情况下肉眼并不能看见这些气泡，当液体流经低压区时，
这些微小气泡迅速膨胀，在该处形成可见的微小空泡。

在低压区空化的液体挟带着大量空泡形成了“两相流”运动。

空泡在随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，体积将急剧缩小或溃灭，溃灭过程发生于瞬间（微秒级），因而空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。

关于空泡溃灭产生的特殊的环境，相关研究表明：空泡溃灭时将产生瞬时的局部高温（约5000℃）、高压（50MPa以上），即形成所谓的“热点”，并能形成强烈的冲击波和速度大于400km/h的微射流。

在研究中，水力空化通常可以这样实现：流体流过一个收缩装置（如几何孔板、文丘里管等）时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，随后液体周围压力迅速恢复喷射扩张，空化泡瞬间破灭，从而产生空化。

2 水力空化讲解有机物的机理
近年来，水力空化在水处理方面的一个重要应用，就是降解难生物降解的有毒有害物质。

根据相关理论，其降解机理主要可以分为以下几个方面。

2．1“水相燃烧”反应机理
如前所述，空化泡溃灭瞬间，在气泡周围微小空间形成局部热点，产生极端的高温、高压。

因此，气泡内气体和液体交界面的介质直接被加热分解，即有机物的“水相燃烧”反应。

2．2自由基反应机理
空泡溃灭产生的瞬时高温、高压，除了能促进有机物的直接降解，同时也能使水蒸汽在高温高压下发生分裂及链式反应：
H2O→·OH+·H2·OH+·OH→H2O2 2·H→H2
其中，·OH和H2O2都具有高化学活性和强氧化性，能够与气相中的挥发性溶质反应或气泡界面区及本体溶液中可溶性的溶质直接发生氧化反应，可将水中大多数有机污染物氧化降解。

2．3机械作用
在含有有机聚合物的多相体系中，由于空化泡溃灭时在流体中可产生强大的水力剪切力，会使大分子主链上的碳键断裂，也可以破坏微生物细胞壁，从而达到降解高分子有机物和使微生物失活的作用。

3水力空化的杀菌机理
水力空化的杀菌作用主要是利用空泡溃灭时产生的机械效应和热效应。

当水流产生空化
后，使液体中的微气泡振荡生成、增大、收缩、崩溃，从而导致气泡附近的液体产生强烈的冲击波，形成局部点的极端高温高压。

这种极端高温、高压、高射流又是以每秒数万次连续作用产生的，从而引起了湍流效应、微扰效应、界面效应、聚能效应，并伴随着极高的压力脉冲、微射流和冲击波。

当产生的这些机械效应和热效应作用在微生物上时，破坏细胞壁，进而杀灭细菌。

Doulah等认为，当空化脉动漩涡尺度大于细胞尺度时，将引起细胞的动力运动；当脉动漩涡尺度与细胞尺度相当时，引起细胞振动，当振动能量超过细胞壁强度时，细胞壁破裂。

若空化脉动频率与细胞自振频率相近，则会形成“共振”效应，加速细胞崩溃。

Hughes认为，细胞破裂发生在空泡溃灭阶段，并且是由瞬间产生在细胞壁面的压力梯度引起的，而非空泡溃灭局部升温引起的。

在冲击压力作用下，细胞膜通透性屏障受损，细胞结构和功能成分遭破坏，导致细菌死亡。

4 水力空化在污水处理中的应用
水力空化在污水处理中最主要的应用是降解有机物。

随着工业的迅速发展，水中有害的人工合成化学物质和难降解的有机物逐年增多，传统的水处理方法已经不能满足新的环保要求。

而水力空化技术在有毒、难降解有机污染水体的处理领域的潜在应用前景促使许多研究人员致力于水力空化用于污水处理的研究。

4.1 对硝基苯酚的降解
1998年Kalumuck和Chahine在空化射流循环设备中降解了对硝基苯酚，研究了温度、pH、环境及射流压力和流速对降解效果的影响，并且发现与超声空化相比大大提高了能量利用率。

若丹明B（又称玫瑰精）为碱性染色剂，可以通过它来模拟印染废水的降解试验。

自2004年至今，有多位研究者采用不同的孔板水力空化装置对若丹明B进行降解实验，研究表明若丹明B降解效果显著，并得出了溶液pH、空化数、进口压力以及孔板参数等与罗丹明B降解效果的相关结论。

2007年乔慧琼等利用水力空化装置降解含苯酚、二甲苯废水，讨论了循环时间、苯酚初始浓度、二甲苯初始浓度等因素对降解率的影响。

对于微污染水，通过调节相应参数，苯酚、二甲苯的最高降解率可以达到51.7%和76.4%，并提出由于挥发性有机物能进入空泡内，因而其在高温作用下被降解是主要因素，自由基的氧化作用不明显。

4.2 对油田废水的降解
2008年中国石油大学学者在国内首次提出采用水力空化装置去除油田废水的COD的设想，并进行实验研究。

COD是评价有机废水的一个重要指标，也是影响油田采出水外排的主要因素，结果表明，水力空化技术对油田废水COD有一定的降解效果，但降解水平有限。

在
适当的入口压力和孔板结构参数等条件下，存在着最佳去除效率。

而水力空化联合臭氧处理油田污水实验研究表明，水力空化装置可以通过联合臭氧等氧化法提高去除率，最大达到2 7.4%。

4.3 联合使用处理工业废水
2009年Anand G Chakinala等进行了水力空化和高级芬顿法联用处理工业废水的实验，研究了入口压力、H2O2浓度以及工业废水初始浓度等对反应效率的影响，实验表明入口压力越高，适宜的H2O2浓度以及较低浓度的工业废水更有利于反应，实验中TOC去除率最高达5 1%，COD去除率最高达60%。

4.4 消毒
由于水力空化作用可以有效的杀死细菌，因此也被广泛的应用于饮用水消毒使用。

利用水力空化装置杀菌主要是基于空化产生的高温、高压及冲击波、水射流，能引起细胞溶解和其他损伤，如细胞壁的破裂，使细菌细胞壁通透性增加。

同时，水分子裂解为强氧化性的·OH和H2O2破坏了细胞的分子组成，使其失活。

Save等第一次观察到利用水力空化促使酵母细胞的分裂。

Pandit等利用水力空化装置对细胞破壁进行实验研究，发现能量消耗只相当于高压反应法的5%～10%，能量利用率大大提高。

5 结论与展望
在水力空化设备中只需安装缩口（如文丘管和多孔板）就能产生空化现象，并通过调节缩口的尺寸和形式就能控制空化强度。

目前采用的孔板水力空化具有设计操作简单、低能耗、少污染和处理量大，易于由实验放大到工业化等优点。

而且该技术可以单独使用或联合别的技术如UV辐射、H2O2等。

它具有强大的生命力和广阔的开发前景，是一项很有前途的水处理技术。

虽然水力空化技术的研究取得了一定的进展，但是许多问题没有得到解决。

如作为一种水处理技术，其单独去除污染物的效果并不理想，因此可以将水力空化技术作为一种预处理手段，先利用水力空化装置将难生物降解物质降低到一定程度，然后再利用传统生物氧化法进行最终处理。

或者研究水力空化与其他氧化工艺联合作用，实现多项单元技术的优化组合，使其从技术上和经济上更为可行。

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