超声波在污水处理中的应用

超声波的空化效应为降解水中有害有机物提供可能，从而使超声波污水处理目的的实现。在污水处理过程中，超声波的空化作用对有机物有很强的降解能力，且降解速度很快，超声波空化泡的崩溃所产生的高能量足以断裂化学键，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，能将水体中有害有机物转变成CO2 、H2O、无机离子或比原有机物毒性小易降解的有机物。所以在传统污水处理中生物降解难以处理的有机污染物，可以通过超声波的空化作用实现降解。

超声波在污水处理中应用的理论基础

目前，对超声波降解水中污染物原理的认识主要是空化理论和自由基氧化原理。由于超声波空化作用所引起的反应条件的变化，导致了化学反应的热力学变化，使化学反应的速度和产率得以提高。另外在超声波空化产生的局部高温、高压环境下，水被分解产生H和OH自由基，另外溶解在溶液中的空气(N2和O2)也可以发生自由基裂解反应产生N和O自由基。

影响污水处理中超声波降解的主要因素

影响污水处理中超声波降解的主要因素包括溶解气体、pH值、反应温度、超声波功率强度和超声波频率：

1）溶解气体的存在可提供空化核、稳定空化效果、降低空化阈，对超声波降解速率和降解的影响主要有两方面的原因：A、溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响；B、溶解气体如N2O2产生的自由基也参与降解反应过程，因此，影响反应原理和降解反应的热力学和动力学行为。

2）对于有机酸碱性物质的超声波降解，溶液的pH值具有较大影响。当溶液pH值较小时，有机物质可以蒸发进入空化泡内，在空化泡内直接热解；同时又可以在空化泡的气液界面上和污水中空化产生的自由基发生氧化反应，降解效率高。当溶液pH值较大时，有机物质不能蒸发进入空化泡内，只能在空化泡的气液界面上同自由基发生氧化反应，降解效率比较低。因此，溶液的pH值调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核内部。

3）温度对超声波空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响，从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度提高有利于加快反应速度，但超声波诱导降解主要是由于空化效应而引起的反应，温度过高时，在声波负压半周期内会使水沸腾而减小空化产生的高压，同时空化泡会立即充满水汽而降低空化产生的高温，因而降低降解效率。一般声化学效率随温度的升高呈指数下降。因此，低温(小于20℃)较为有利于超声波降解实验,一般都在室温下进行。

4）研究表明，并非频率越高降解效果越好。超声波频率与有机污染物的降解原理有关，以自由基为主的降解反应存在一个最佳频率；以热解为主的降解反应，当超声声强大于空化阈值时，随着频率的增大，声解效率增大。

5）超声波功率强度是指单位超声发射端面积在单位时间内辐射至反应系统中的总声能，一般以单位辐照面积上的功率来衡量。一般来说，超声波功率强度越大越有利于降解反应，但过大时又会使空化气泡产生屏蔽，可利用超声波功率强度能量减少，降解速度下降。

现阶段超声波在污水处理中的一般应用

超声波降解污水中有机污染物技术既可单独使用，也可利用超声波空化效应，将超声波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。联用技术有如下类型：

1）超声波与臭氧联用进行污水处理，以超声降解、杀菌与臭氧消毒共同作用于污水。

2）超声波与过氧化氢联用进行污水处理，以达成对污染水体降解、杀菌、消毒之目的

3）超声波与紫外线联用进行污水处理，组成光声化学技术利用超声波技术和紫外光技术各自降解能力叠加协同和互补作用，对污水中常见的有机污染物苯酚、四氢化碳、三氢甲烷和三氯乙酸进行降解，使四种物质的降解产物为水、二氧化碳、C1-或易于生物降解的短链脂肪酸。

4）超声波与磁化处理技术联用进行污水处理，磁化对污水既可以实现固液分离，又可以对COD、BOD等有机物降解，还可以对染色水进行脱色处理。

5）超声波还可以作为传统化学杀菌处理的辅助技术，在用传统化学方法进行大规模污水处理时，增加超声波辐射，可以大大降低化学药剂的用量。

未来超声波在污水处理需解决的问题

虽然超声波在污水处理领域的应用虽然已经得到了人们广泛地认识，但是有许多问题仍然有待解决:

1）超声波反应的条件控制比较困难。不同的底物由于其不同物理化学性质，其最佳的分解条件是不同的，尤其是考虑其经济性时。分解不同的底物时，为使其达到最佳的分解效果，必须对超声波的强度、分解时间、催化剂等条件进行试验。

2）到目前为止，超声波技术还没有大规模运用到实践中，许多的应用都是在实验室里完成。这些试验都是针对某一类底物，模拟该物质的溶液进行处理。超声波有待进一步在实践中的考验。

3）超声波大规模应用的问题主要在处理设备上，研制出能够连续进行污水处理、低能耗、大容量的超声波反应器是关键所在。