超声波水处理资料文档格式.docx
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18kHz）的声波作为对象的声化学方法，利用超声波来加速化学反应,提高化学反应产率。
声化学反应是通过声空化过程实现的。
声空化把声场能量集中起来,然后伴随空化泡崩溃而在极小的空间将其释放出来,使之在正常温度与压力的液体环境中产生异乎寻常的高温（高于5000K）和高压（高于5×
107Pa）,形成“热点”（Hotspot）,从而开辟化学反应通道,增大化学反应速率。
自1883年Galton首次研究出人造超声波换能器以来,超声波技术被广泛地应用到检测、钻孔、清洗、乳化、化学处理等方面。
其应用分为高频低强度和低频高强度两类:
前者声功率围很宽,一般为数微瓦,主要应用于超声波测试;
后者能量集中,声功率可以达到上千瓦,可使介质产生剧烈振动从而引起介质变形或发生化学变化。
当一定强度的超声波通过媒体时，会产生一系列的物理、化学效应。
早在1929年就有超声波化学效应的报道，而将其应用于水处理领域只是近10年的事情，它主要用来加速降解水中难降解的有毒有机污染物，是一种高级催化氧化水处理技术。
英国Coventry大学的T.J.Mason和法国PualSabater大学的Luche先后于20世纪90年代开展了应用超声声化学降解水体中难降解有毒有机物的研究，并取得良好的效果。
从而引起很多学者的兴趣。
美国、日本、加拿大、德国、法国等国的一些大学实验室和研究所纷纷致力于超声降解有机物的研究。
我国二十世纪九十年代后期，对超声降解有机物的研究。
迄今为止，超声降解已进行了包括脂肪烃类、芳香烃类、酚类、酯类、醇类、酮类、胺、酸类、天然有机物究，取得了很好的效果。
利用超声技术降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物是近几年来发展起来的新型水处理技术,尤其是废水中难降解有机污染物的治理,目前已取得了不错的结果。
它具有去除效率高、反应时间短、设施简单、占地面积小等优点。
近年来,超声技术在处理微污染水、高浓度难降解的有机废水、污泥以与饮用水杀菌、消毒和工业废水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了较大的成果。
与紫外线、热、压力、化学等处理方法相比,超声波对污染物的处理更直接,对设备的要求更低。
超声波水处理作用机理
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一、功率超声机理
当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。
这些效应可归纳为以下三种基本作用：
1、机械作用。
超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。
超声波液体中传播时，其同质点位移振幅虽然很小，超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。
若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。
2、空化作用。
超声波在液体媒质中传播时，当声强达到一定期强度，液体中声场作用区域形成局部的暂时负压，使液体中的微气泡生长、膨胀至突然破裂，导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间产生5000K的瞬态高温和约50mpa的应。
，在空化泡周围极小空间产生5000K的瞬态高温和约50mpa的高压，且温度冷却率达10的9次方k/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流，就是超声空化效应。
3、热作用。
超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。
声能不间断的吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部加热等，这就是功率超声的热作用。
二、超声化学机理
1、超声催化。
超声催化反应是一个新兴的研究领域。
目前，有关反应模型、机理的研究尚很模糊，但众多的科研成果确认了催化反应的显著效果。
其主要作用：
一是高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二阶炭，形成更为活泼的物种。
二是冲击波和微射流对固体表面有吸解和清洗作用。
三是冲击波可破坏反应物结构，分散反应物系。
四是超声空化导致金属品格的变形和部应变区的形成，从而提高金属化学反应活性。
超声条件下的反应速率比没有超声时增加了100000倍，且反应时间大且反应时间大大缩短。
2、超声降解。
超声处理可以降解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。
超声降解源于超声的机械效应、空化效应和热效应。
三、超声水处理机理
功率超声的空化效应为降解水中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。
超声空化泡的中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。
超声空化泡的崩溃所产生的高能量足以断裂化学键。
在水溶液中，空化泡崩溃产生氢氧基（OH）和氢基（H），同有机物发生氧化反应。
空化独特的物理化学环境开辟了新的化学反应途径，骤增化学反应速度，对有机物有很强的降解能力，经过持续超声可以将有害有机物降解为无机离子、水、二氧化碳或有机酸等无毒或低毒的物质。
超声降解水中有机污染物技术既可单独使用，也可利用超声空化效应，将超声降解技术同其他处理技术联用进行有机污染物的降解去除。
超声波技术主要是指利用超声波来加速化学反应，提高化学反应产率。
目前，对超声波技术降解水中污染物机理的认识主要是空化理论和自由基氧化机理，超声波对有机物的降解不是直接的声波作用，因为在液体中波长0.015~10cm（相当于15kHz~10MHz）远远大于分子的尺寸，和液体中产生的空化气泡的崩灭有密切关系。
超声波通过液体介质向四周传播，当声能足够高时，在疏松的半周期，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。
空化核的寿命约为0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约4000K和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110m/s的具有强烈冲击力的微射流。
然后该热点随之冷却，冷却率达109K/s，并在液体中伴有强大的冲击波，水分子在热点达到超临界状态，并分解成羟基自由基、超氧基等。
这些条件足以使有机物在空化气泡发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应，为有机物的降解创造了一个极端的物理环境。
超声波水处理技术应用围
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1、用于处理微污染原水
对微污染原水进行深度处理从而进一步改善供水水质是许多水厂面临的难题之一,现行的深度处理方法如活性炭、膜法、臭氧—活性炭联用技术都存在着一定的问题。
近年来,超声技术用于处理微污染原水的研究已展开。
程爱华等用腐殖酸、Fe3+离子、SiO2、阴离子洗涤剂、苯酚等配成一定浓度的模拟微污染水,在不同的反应容器（烧杯、圆盘、圆桶）中用频率为20～24kHz,功率500W的超声波处理一段时间,结果说明,超声波对微污染水的色度、浊度、有机污染物均具有一定的去除作用,对降解色度、有机物来说,圆桶中实验效果最好,圆盘中实验效果次之,烧杯实验效果最差;
对去浊而言,烧杯实验效果最好,圆桶中实验效果次之,托盘实验效果最差。
红等将超声波用于强化微污染水的生物处理,结果说明,通过一定强度的超声波处理后,膜生物反应器的生物活性得到增强,反应器有机负荷增加,有机物净化效率提高。
超声处理促进了生物活性,且功率为10W的超声波促进生物活性的效果最为明显。
2、用于处理高浓度难降解有机废水
超声技术可用于处理各种难降解的有机废水,目前已用于含单环芳香族化合物、多环芳烃、酚类、氯化烃、氯代烃、有机酸、染料、醇类、酮类等废水处理的研究,并取得良好的效果。
在实际的工业废水中,超声技术已用于处理造纸废水、印染废水、制革废水、焦化废水、制药废水、垃圾渗滤液等,并取得较好的效果;
志建等采用超声与厌氧生化法相联合处理工艺处理碱法草浆黑液,COD去除率可达57%～69%,比单纯厌氧法提高约20%,且处理后污泥活性增加,综合毒性降低;
祁梦兰等用超声处理染料废水,发现废水的可生化性提高,BOD5/COD由0.22～0.28上升到0.44～0.51。
国英等用声强为1.47W/cm2、频率为24kHz的超声波强化混凝沉淀处理制革废水,实验结果说明:
先施加超声波60s,再投加混凝剂,COD去除率最高可达73.2%,比不用
超声波时提高10%以上,说明超声波对混凝沉淀法处理制革废水有明显的强化作用;
子间用超声波—SBR法处理焦化废水,在声强为9.21W/cm2,处理时间为2.5min时,废水的BOD5/COD由2.0提高到4.5;
胡学伟用频率18kHz、声强0.110W/cm2的超声波处理垃圾渗滤液,结果说明,在pH7、温度为55℃、处理时间为240min的条件下,渗滤液的COD由37050mg/L降低到14140mg/L,COD去除率达61.96%。
3、用于城市污泥的处理
超声波在污泥处理中主要用于污泥脱水和促进厌氧发酵两个方面。
超声波脱水常见工艺为城市污泥→重力沉降→超声波处理→机械脱水。
污泥菌胶团部包含水约占污泥总水量的27%,而菌胶团结构稳定,难以被机械作用（压滤、离心等）破坏,造成污泥脱水困难。
超声波能有效的破坏菌胶团结构,将其部包含水释放出来,成为可以比较容易去除的自由水。
A.Teihm等研究说明用31kHz、声能密度0.11W/cm3的超声波处理可以有效打破菌胶团,处理30s后污泥平均尺寸从165μm下降到135μm,处理96s后下降到85μm。
同时发现污泥菌胶团的解构效率随超声波频率的升高而降低,最正确分解频率为41kHz。
超声波破坏菌胶团结构后,大量被挟裹在菌胶团的有机物被释放到水中,从而易于为微生物所用。
Y.Chiu等发现,频率20kHz、声能密度0.12W/cm3的超声波处理4h将污泥中可溶性COD占总COD的比值（SCOD/TCOD）从36%提高到89%,可溶性N的比值从34%提高到42%,基本取代了污泥水解过程,从而极大的缩短污泥厌氧发酵时间并提高了污泥可生化性。
U.Neis等研究说明用频率41kHz、声能密度0.10W/cm3的超声波处理30～120min,可以使污泥厌氧发酵时间从22d降到8d,比容积消化速率从437g/（m3•d）上升到1166g/（m•3d）。
据新加坡媒体报道，废水经过初级和次级净化处理后，会有残余的污泥。
这些污泥含水量高，需要加以浓缩和脱水，减轻重量和体积后，才便于丢弃或做填土之用。
新加坡公用事业局在最近发布的年报中透露，公用事业局和南洋理工大学正在试验性使用超声波技术来处理废水污泥，使其产生有用的生物气体。
这一技术的过程是，电流通过转换器变成高强度的超声波，超声波传入废水污泥，产生数以百万计的微小气泡，气泡爆开时会撕破细菌的细胞壁，废水污泥接着进行厌氧消化，就可以更有效地处理掉里面的细菌。
实验显示，先将废水污泥经过超声波处理，进行厌氧消化时可以更有效地分解污泥和细菌，而且可以产生更多生物气体。
这些生物气体就是甲烷，可以收集起来发电。
处理过程不会产生其他副产品。
目前，新加坡乌鲁班丹污水处理厂正在测试这项技术。
初步结果显示，污泥的分解效率提高了，生物气体的产生也增加了30%以上。
因此，公用事业局将考虑在乌鲁班丹污水处理厂全面使用这项技术，未来的其他污水处理厂也可能会使用这项技术。
新加坡南洋理工大学土木与环境工程系邹光耀副教授说，用在环境工程的超声波技术还处于初步发展阶段。
尽管其他区域的国家在利用超声波处理污水方面有很多成绩，但是这些成绩并不适用于新加坡，因为新加坡的废水污泥成分与其他国家不一样。
他目前已确定了一些超声波处理废水污泥技术的控制常数，例如超声波降解的时间、密度和浓度等。
这些常数都是依据新加坡的废水污泥成分，经过无数次测试得到的数据。
实验显示，经过超声波处理的污泥在进行厌氧消化时的速度更快，消除有机物质的效率更高，能加强生物气体甲烷的产生，并改善甲烷的成分。
欧洲有很多污水处理厂已经在三四年前开始使用这项技术，分解污泥的效率和生物气体的产生至少提高了20%。
目前，德国已经全面使用超声波技术处理废水污泥，英国、瑞典、美国、澳大利亚等国家也在测试这项技术。
4、其他应用
超声技术还可以用于饮用水杀菌、消毒、阻垢、去除水垢等。
林卫红对超声灭菌进行了研究,指出当频率为200kHz、声强为2W/cm2时,效果最正确,并且超声灭菌效果与原水中的细菌浓度无关。
天庆利用超声—臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢,发现用频率为20kHz、振幅为20%的超声处理,可有效地控制生物垢的生长,该技术还可以移除90%以上已形成的生物垢。
超声波应用于在我国4t以下的小型锅炉数量很多（占总数的85左右）。
这些锅炉结水一般不经过处理，往往结垢很厚，不仅费煤，而且常常停炉清垢，有时还要酸洗，耗钱费力，甚至因为水垢危害锅炉而造成事故。
尤其是供暖锅炉，使用周期仅2-4个月。
水处理设备与管理存在一定的困难，由于供暖锅炉使用周期短，水处理设备与化验人员不能完全配齐，对于锅炉化学清洗，非技术人员也难以掌握，处理不当会造成锅炉腐蚀损坏，为了解决锅炉水垢处理问题，利用超声波水处理器，对蒸汽锅炉静态除垢进行了研究。
超声波技术在饮用水处理中应用的现状
08-3-1016:
08
在水源水预处理中的应用
1、藻类与藻毒素的去除
我国饮用水水源约有25%是湖泊水或水库水，20世纪90年代后，淡水水体富营养化严重，水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势。
淡水中引起水华的藻类主要是蓝藻门的微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属和颤藻属。
它们都能产生藻毒素，其中分布广、危害大的是微囊藻毒素（Microcystins-LR，以下简称MC-LR），MC-LR是一组环状七肽物质，结构稳定，能抵抗极端pH和300℃高温，具有明显的肝毒性。
此毒素是蛋白磷酸酶1和2A的强烈抑制剂，是迄今已发现的最强的肝肿瘤促进剂。
蓝藻毒素具有致染色体断裂、致基因诱变以与较高的急性毒性，饮用水源中蓝藻大量繁殖，将危害人类的健康。
藻类与其分泌物质产生的主要问题有:
藻类在代过程中易产生三卤甲烷的前驱物质，三卤甲烷是对人体具有潜在危害的致癌性物质，同时水中藻细胞数量的增大也增加了氯的使用量;
部分藻类在代过程或死亡后释放藻毒素，在中国，流行病学调查显示，饮水中的MC-LR与肝癌的发病率高度相关;
藻类所分泌的臭味物质导致饮用水出现异味，当水处理中氧化剂使用量较低时，不仅无法消除臭味的影响，有时还会和一些臭味有机物反应生成新的致臭物质。
由于存在这些问题，饮用水处理中不能忽视藻类的影响。
Song等采用640kHz的超声波发生器，对MC-LR的去除进行研究，试验中初始浓度为2.7μmol/L纯的MC-LR在反应器中3min后浓度降为原来的一半，6min后仅剩0.4μmol/L。
Zhang等人就不同频率（20kHz，80kHz和1320kHz）超声波处理藻类进行研究，结果说明，超声波对藻类均按一级反应动力学进行，且有较好的去除效果，高频率能够加快藻类去除的反应速度。
有研究发现针对藻类产生的异臭物质土霉素（Geosmin）和二甲基异冰片（2-methy1isbomeol），单独采用超声波处理也有不错的效果。
2、腐殖质的去除
腐殖质是天然水体中常见的一类有机物，在天然水体中含量为几至几十mg/L，20世纪70年代中期发现，天然水进行氯化处理时，腐殖质在Cl2作用下生成卤代烃类化合物（THMs）。
THMs被认为是致癌物质，该物质的去除既能减少消毒剂的用量又降低了饮用水风险，所以一直是饮用水研究的关键容。
超声波技术被广泛应用到腐殖质的去除上，采用超声技术作为氯化前对腐殖质的预处理取得较好的效果。
Chema等人针对阿尔与尼亚湖水中的天然腐殖质和人工合成的腐殖质，就超声波对腐殖质的去除情况进行了研究，结果说明单独采用H2O2处理腐殖质，1h后只能使其降解25%;
同样条件下加入低频（20kHz）的超声波联合作用，1h后腐殖质可以全部去除，TOC的去除率也可以达到40%的水平。
Naffrechoux研究超声波和UV对腐殖质的去除可使消毒剂氯气的用量为原来的1/2，消毒副产物为原来的1/3。
3、生物预处理的强化
低频超声波能很好地提高生物的活性，主要表现在低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率，这是生物预处理的关键。
超声波空化作用可以加速生物反应器中的物质传递，这一过程对反应底物进入酶催化的活性部位与产物进入介质中的传质非常有利。
国外Schlafer等实验室研究频率25kHz的1.5W/L，最正确功率密度的超声波辐射，最高可以提高生物降解速率达100%，同时发现只有在非常窄的超声强度围生物活性可以得到显著提高，太低的超声功率对生物降解速率的提高起不到作用，而施用强度太高的超声波会导致生物活性显著降低，甚至远低于没有超声波作用。
对采用生物预处理微污染水源水而言，适宜的超声波能强化生物预处理的效果。
国红等通过不同功率（5W，10W，15W）的超声波在反应器中对地表微污染水源水进行生物预处理作用说明，功率为10W的超声波促进生物作用的效果最为明显，经超声波处理后效果能保持24h，对微生物活性和降解负荷均有提高。
超声波在消毒和去除消毒副产物中的应用
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1.饮用水消毒
超声波技术比光、热、化学等方法消毒更直接，很早就被广泛应用到医学消毒上。
超声波和消毒剂（Cl2，O3，H2O2）联合作为自来水的消毒由来已久，可以大大减少消毒剂的用量。
Masaki等通过加入TiO2使超声波对水中的大肠杆菌的去除效果大大提高。
大龄摇蚊幼虫对常规的消毒剂氯气、臭氧、双氧水有很强的抵抗力，南方一些自来水厂研究发现超声波可以有效去除自来水厂里的摇蚊幼虫。
2.对消毒副产物的去除
氯气是当前饮用水处理中最常用的一种消毒剂，由它所产生的一系列消毒副产物，如三卤甲烷（THMs）、卤乙酸等已被证实是致癌物质，超声波技术对这些物质的去除也是有效的。
Hilla和Nava证实了在20kHz超声波和250mg/L的H2O2条件下能降解消毒副产物，同时五种常见卤代甲烷的降解关系为CHBr3<
CHI3<
CHBr2Cl<
CHBrCl2<
CHCl3。
国，Guo等也就超声波处理四种不同的卤代甲烷研究说明，1h以后的去除率满足CHCl3<
CHBr2Cl<
CHBrCl2<
CCl4的关系。
反应按一级反应动力学进行，降解效率取决于分子的极性。
臭氧作为自来水另一种常见的消毒剂，投加过量也会生成可疑致癌物溴酸盐副产物。
超声波的加入可以大大改变臭氧的传质效率，加快多余臭氧的释放。
超声波对分泌干扰物的去除
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1.对常见农药去除
在环境中残留着大量曾经使用过、现已淘汰的农药，它们中的大多数都出现在水源水中，大多是分泌干扰物。
对的黄浦江原水进行了检测，发现其中阿特拉津的最高含量为0.16μg/L。
任晋等在地区官厅水库水中检测出痕量阿特拉津残留，浓度为0.67~3.9μg/L。
在国外阿特拉津这种被广泛使用的农药，也大量污染地下水和地表水源，饮用水的常规处理工艺（曝气、加氯、混凝、砂滤）无法减少阿特拉浓度。
Petrier在超声波频率为20kHz和500kHz条件下对水溶液中阿特拉津进行处理都有很好的效果，阿特拉津通过脱烷基的形式被去除。
在高频的条件下更加有效，对阿特拉津去除而言后者是前者的7.8倍。
另一种常见的除草剂2，4-二氯苯氧基乙酸，经过超声波的作用分析中间产物变成2，4-二氯酚，随后给水排水。
脱氯进一步降解。
永生采用24kHz的超声波对含磷农药进行研究，2h以后97.5%的农药被降解。
对于不同结构的农药，其降解的中间产物有时具有比初始农药更大的毒性，因此，必须控制条件，掌握超声波降解农药的中间产物的情况。
2.对氯酚类物质去除
氯酚类化合物主要作为木材防腐剂用于电容器，油墨等工业中，是工业用品中常见的分泌干扰物，也大量存在于各种水源水中。
Dai等就单独超声波技术、超声波与铁粉协同技术、超声波与二价铁协同技术去除水中常见的五氯苯酚进行研究。
研究说明协同作用在PCP的降解和•OH自由基生成两方面都有加强作用。
空化作用增加了铁粉颗粒的表面积，同时提高了其表面的吸附能力。
Zhang等进一步就超声波和纳米二价金属Ni-Fe颗粒共同作用下对PCP的脱氯进行研究，结果说明，单独在纳米二价金属Ni-Fe颗粒存在的条件下30min对PCP的脱氯率仅为46%。
同样条件，加入75W超声波的作用，其脱氯率达到96%。
Wang等就双频率超声波降解PCP进行研究，20kHz的超声波分别和不同频率的超声发生器协同效果均好于单一发生器，按脱氯效果依次是530kHz>
800kHz>
40kHz>
1040kHz。
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