空化技術及其聯用技術處理微生物（藻類）發展現狀及展望

馮效毅　劉春陽

摘 要：隨著空化技術的發展，空化技術逐步應用到水處理中。該文主要介紹了空化技術的發展歷程，空化現象產生的機理及超聲空化、水力空化處理微生物的機理，超聲空化與臭氧、二氧化鈦聯用處理微生物技術，水力空化與電解、臭氧聯用處理微生物技術等試驗條件下的處理效果、優化參數及不足。最后，對水體微生物處理技術的發展方向做了分析。

關鍵詞：超聲空化；水力空化；聯用技術；除藻

中圖分類號 X703 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）06-18-04

隨著我國工農業的迅速發展和城市化進程的加快，大量生產和生活廢水排入天然水體，導致水體富營養化程度不斷加劇、范圍不斷擴大，國內大中型湖泊每年都有水華現象發生。2000年的梅梁灣水華事件，使無錫供水出現嚴重短缺，直接影響到人們的生產、生活，造成嚴重經濟損失[1]。水華現象的產生會破壞水體生態平衡，危害飲用水水質，嚴重制約社會和國民經濟的可持續發展。有效的清除水體中藍藻是控制湖泊水華暴發和富營養化的重要途徑，但現行各種除藻方法因存在不同缺點而無法大規模應用到大中型湖泊。臭氧除藻是現行方法中處理效果較好的方法，但也存在利用率低、存在安全隱患等問題，極大增加了處理成本?？栈夹g是最近十幾年才開始的新型物化水處理技術，空化技術產生的高溫、高壓、高射流的條件能為其他方法處理微生物提供有利條件，空化技術及其聯用技術處理微生物是未來水處理的發展方向。

1 空化技術的發展

早在1753年歐拉曾指出：“當水管中某處的壓強降到負值時，水即自管壁分離，該處會形成一個真空區，這種現象應予避免”。1849年英國海軍發現在螺旋槳轉動時會產生大量氣泡，這些氣泡又立刻在水壓力的作用下收縮內爆，導致螺旋槳產生劇烈振動，這是歷史上第一次對空化現象物理本質的描述[2]。

近年來，隨著對空化技術的深入研究，人們逐漸認識到空化時產生并釋放的巨大能量可以為一般物理、化學反應提供有利的條件，并逐步開始利用空化技術。根據空化產生的方法，空化一般可以分為4種類型：聲空化、水力空化、光空化和粒子空化[3]。目前，國內外研究較為普遍的是超聲空化和水力空化。超聲空化產生的空化效果強烈，能量集中，對水體中各種有機物有較好的氧化效果，經深入研究已產生了大量成果[4]。但超聲空化產生的能量利用率較低，難以實現對污水的大規模處理。因此，人們將注意力逐漸轉向對水力空化的研究。

2 超聲空化及聯用技術

2.1 超聲空化機理 超聲波由一系列疏密相間的橫波和縱波構成，其產生的輻射壓可通過液體向周圍傳播。在超聲波壓力的作用下，液相分子間的距離隨分子不斷振動而發生變化，當液體處于超聲波交變聲壓的負壓半周期內時，在壓力強度足夠大的負壓作用下，會打破液相分子間的引力，當分子間距超過物質處于液態臨界分子間距時，液體會發生斷裂而產生空穴，形成空化核。此后，處于聲場的空化核不斷吸收能量，產生振動、膨脹、收縮等反應，最終爆裂崩潰，形成超聲空化效應[5]。

2.2 超聲空化處理微生物技術 超聲空化產生的高溫、高壓、高射流條件，能夠使水分解為具有強氧化殺菌作用的OH-、H2O2。高強度超聲波作用于水體微中生物時，強烈的高頻超聲振蕩使生物細胞內含物膠體發生絮凝沉淀，凝膠發生液化或乳化，使細胞失活，從而達到殺死微生物的目的。馮中營[6]對超聲殺滅大腸桿菌進行了實驗研究，結果表明，在溫度為20℃，頻率為20.1kHz，聲功率為15W的超聲作用下，20min時間殺菌率為68.2%；頻率為29.5kHz，聲功率為29W的超聲作用下，40min時間殺菌率可達87.5%。隨著電功率的增加，殺菌效率隨之上升；但當功率增加到一定數值后再繼續增加，殺菌效率不再上升，反而下降?？赡苁且驗楫斅晱姵^空化閾值后提高聲強會使空化加強，但在聲強超過一定的界限后，空化泡在聲波的膨脹相內可能增長過大導致它在聲波的壓縮相內來不及發生崩潰，從而減弱瞬態空化。超聲空化具有很高的殺菌效率，但處理量較小。王波[7]通過試驗得出，超聲空化產生的高溫、高壓、沖擊波等能使藻類細胞表面產生坑穴和孔洞型的損傷，將絲狀藻類的藻絲打斷，破碎藻細胞的氣囊結構，從而限制藻類的生長。單參數對比實驗表明：提高超聲的聲強，抑藻效果隨之增強，但會逐漸趨于飽和，其原因在于聲壓和空化強度的飽和；超聲頻率對抑制效果有很大影響，200kHz比20kHz和1.7MHz效果更佳；延長超聲輻照時間會增強藻類的抑制效果，但也存在逐漸飽和的趨勢，因此，低劑量、高頻率的模式更利于長期抑制藻類生長。遲巍、萬成炎等[8]也通過實驗證明，在利用超聲波控制藻類生長的過程中，超聲波的頻率、強度和持續時間會直接影響到其控制效果。

2.3 超聲空化與其他處理方法聯用技術

2.3.1 超聲空化與臭氧聯用技術 超聲能顯著提高臭氧在溶液中的傳質效率。Lall等[9]的研究表明在超聲功率密度為120W/L的超聲場中，質量濃度為5.4mg/L時，臭氧的傳質效率提高了90%。其原因為：一是超聲促進了O3的分解速率，加快了羥基自由基的產生；二是超聲空化效應加強了液體的擾動，降低了液膜厚度，提高了O3在溶液中的傳質效率[10]。

當菌液中通入臭氧時，超聲空化變得更加劇烈，從而達到更好的輻射效果。胡文容曾做的超聲強化O3殺菌能力實驗，超聲（800W、20kHz）協同O3處理可節省33%的臭氧投加量，當臭氧投加量相同時，則可減少處理時間。超聲聯合O3的殺菌作用具有明顯的強化效果。在超聲作用時間分別為20、30、40、50min時，測得大腸桿菌的滅菌率分別是46.59%、62.49%、61.06%、66.26%。滅菌效率大大提高的原因可能是有臭氧存在的情況下會發生下列反應：

使溶液中的氫氧根離子和強氧化性的雙氧水增多，加快了細胞的死亡。由于菌種和實驗條件的限制，目前并沒有研究出最佳滅菌條件及其它菌種的滅菌效果，設計更大體積的反應器和大功率超聲換能器等問題還待解決。

2.3.2 超聲空化與二氧化鈦聯用技術 二氧化鈦常用做光催化劑，動力學過程研究表明TiO2能夠顯著改善殺菌效果，經30min的處理后，在濃度0.2g/mL的TiO2光催化劑的作用下，有活力的細胞濃度降低到原來的6%，而沒有TiO2光催化劑作用時，僅降低到18%；增加TiO2的使用量，殺菌能力也能夠有一定程度上的增強，經過30min的處理，在濃度1g/mL的TiO2光催化劑的作用下，細胞濃度降到了原來的3%[11]。

沈其動[12]設計了超聲和二氧化鈦聯合作用滅活大腸桿菌實驗，在頻率分別為20kHz和25kHz，功率為30W，TiO2濃度為0.4g/mL，對一升大腸桿菌菌液進行超聲輻照實驗，得出如表1的結論：

由表1可以看出，超聲與二氧化鈦聯合作用的滅菌效果比超聲單獨作用時好。

3 水力空化及聯用技術

3.1 水力空化機理 水力空化與超聲空化具有類似的機理，一般液體中都含有肉眼看不到的微小氣泡，當液體流經低壓區時，這些氣泡快速膨脹，在該處形成可見的微小空泡。在空泡隨流體流動過程中，遇到周圍壓力突然增大時，體積急劇減小或潰滅，潰滅過程發生于瞬間，并伴隨極其復雜的物理、化學效應。于冬梅[13]自行設立了一套以多孔板為空化發生器的水力空化試驗臺，并應用攝影技術對水力空化過程進行實時圖像采集，采用Matlab軟件進行圖像處理，進行水力學實驗。結果表明，利用孔板后的平均灰度值可以較好的反應管路中的空化效應，平均灰度值越大，管路對應的水力空化效果越明顯；多孔孔板的孔排布會對水力空化產生一定影響，但與開孔率相比，開孔率為主導因素；單個多孔板的自力系數隨流量的增加有增長的趨勢，隨開孔率增加，管路的阻力系數減小，這種現象在開孔率較小時尤為明顯。

3.2 水力空化處理微生物技術 目前，水力空化處理微生物的機理主要有以下幾種觀點：（1）“水相燃燒”，即空化產生的極端高溫、高壓條件，不利于微生物的生長，從而起到抑制微生物繁殖的作用；（2）自由基機理，空泡潰滅產生的瞬時高溫、高壓，使水分子及其他分子發生分裂及鏈式反應，產生具有高化學活性和強氧化性的·OH和H2O2，這2種物質都可以滅菌；（3）“機械作用理論”，在空化泡潰滅的瞬間，空化效應產生的100～1 000MPa高強壓力脈沖，同時伴有強烈的沖擊波和微射流，空化對細胞的破壞作用來自空泡潰滅產生的沖擊波和脈動空泡引起的湍流空化流[14-15]。利用水力空化技術對含大腸桿菌污水處理實驗表明，水力空化對水體中的大腸桿菌有很好的殺滅作用；隨著空化作用時間的延長，滅菌率提高，60min時滅菌率接近或達到最大值，并在其后基本穩定；適當延長空化作用時間、一定范圍內升高水體溫度、pH偏堿性、增大電導率均可提高水力空化的滅菌效果。王偉民[16]研究了水力空化對富營養水體藻類的滅殺效果，結果表明對同一空化發生器來說，在降解氯仿和殺滅銅綠微囊藻試驗中，用負壓水力空化流程比正壓空化流程空化效果好；在一定范圍內，空化發生器孔面積與管道截面面積之比越大，總孔周長與總過流面積比值越小，空化效果越好；存在一個最佳空化時間等。為空化發生器的設計提供了參考依據，對后續水力空化裝置的制定具有一定的指導作用。

3.3 水力空化與其他處理方法聯用技術

3.3.1 水力空化與電解聯用技術 葉德寧、賈金平、許云峰等[17]嘗試將水力空化與電解2種抑藻技術進行耦合聯用，并取得了令人滿意的效果，對于小型淺層水體，可通過滅殺藻類生物來實現改善水體景觀并取得持續效果。

試驗采用最易形成水華的銅綠微囊藻和水華魚腥藻（購自中科院武漢水生所），試驗過程均使用處于穩定增長期的藻液。結果表明，單獨空化及電解對銅綠微囊藻均有一定的去除效果，不同的空化管喉管管徑對抑藻效果具有一定影響，2種方法聯合抑藻的效率具有協同作用，但其具體機理還需進一步探究；藻種所處生長期對處理結果有一定的影響，可能與其細胞壁強度不同有關，且不同種屬藻類抑藻效果差異較大。試驗裝置應用于抑制富營養化水體中藻類的生長，具有一定的開創性，通過進一步研究處理機理及優化裝置參數，有廣闊的小型水體抑藻的應用前景。

3.3.2 水力空化與臭氧聯用技術 水力空化除藻是物理過程，臭氧除藻是化學過程，水力空化與臭氧聯用形成了物化聯用除藻技術。水力空化在空泡潰滅時會有強烈的湍流現象，流場中含有大量的小漩渦，并伴隨極高的壓力脈沖、微射流和沖擊波等。產生的這些機械效應作用于微生物時，會破壞藻細胞壁，殺滅藻類；而臭氧依靠其強氧化性來殺死藻類，其自身在水中會分解，少量臭氧還可起到殺菌的作用。水力空化與臭氧聯用處理效果好，且無二次污染。

沈海風[18]分別通過單獨水力空化、單獨臭氧和水力空化聯合臭氧除藻試驗證明，當2個處理效果不是很好的2種方法合用時，產生的效果比任何一個單獨處理的效果要好，而且是好很多。

試驗條件下，確定水力空化聯合臭氧除藻的最優條件為：最佳孔板為孔徑12mm的孔板，最佳臭氧發生量為1.9mg/min，最佳處理時間為6min，最佳處理溫度為20℃；并得出相同處理時間為10min時，單獨水力空化時藻的去除率為15%左右，單獨臭氧時藻的去除率為35%左右，而水力空化聯合臭氧時藻的去除率可達99%，效果顯著；臭氧利用率也比單獨臭氧處理提高32%左右。由于裝置需要臭氧發生器，需要消耗電能以及儀器的維護，目前只適用于小型水域等。采用管道聯用，增加水處理量，進一步提高工作效率，降低成本是今后的發展方向。

4 結論及展望

空化技術應用于水體微生物（藻類）的處理，是空化能量利用的新技術，具有無二次污染、處理效率高、設備簡單、適合工業化應用等特點，與常規處理技術聯用能夠達到更好的處理效果，具有廣闊的應用前景?？朔F行微生物（藻類）處理技術的不足，探求高效、清潔、經濟的新型處理技術以及探索聯用工藝是今后發展方向。目前，研究還集中在對空化技術機理上，探尋影響空化效果的因素及參數優化，隨著空化理論及其技術的不斷成熟，空化技術及聯用技術在處理微生物（藻類）等方面將發揮重要的作用。

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