水力空化在污废水中的应用

shenchen777

水力空化在污废水中的应用

摘要：在水力空化技术的概念、特点和降解机理的基础上，综述了近年来国内水力空化技术的研究与应用的各方面进展，具体描述了水力空化在市政工程中的应用，在水处理中起到的新型作用，对具体的难降解有机物的处理优势，并与传统水处理工艺进行了有效对比，突出水力空化在水处理中的前景，提出了水力空化技术的发展方向。

关键字：水力空化   污废水处理   降解有机物

随着城市化和工业化的发展进程，不仅污水量上升速度加快，同时污水中的污染物成分也增多并且越发的复杂。因此，无论在水处理的初期亦或是对水的深度处理及消毒过程，传统的污废水处理方法已经无法满足水处理的标准以及要求。而水利空化可以与传统的水处理工艺相结合，形成一种新的处理工艺，降解污废水中难降解的污染物，以此达到水处理的标准，同时装置简单，并且节约能源。

由于废水并非是纯液体，通常情况下存在各种微粒，杂质，以及多种微生物和微小的气泡，这种气泡可以被称作空化核或者是气核。这样就可以成为水力空化的前提并提供空化依据。当水流流过空化装置时（一般是文丘里管或者是多孔板），会发生一定程度的压降，溶解在流体中的的气体就会析出。当压力降到液体的饱和蒸汽压一下时，液体气化产生大量的气泡，气泡随流体构成两相流动。当压力恢复时，气泡会溃灭，并在瞬间产生高温高压，这就是水力空化现象。通常情况，在水处理过程中，通过用化学反应，生化反应，对含氮含磷以及含有难降解有机物的废水进行处理，对微生物及菌体本身进行一定的反应，达到水处理的目的。而水力空化过程中，空化泡会发生绝热压缩而溃灭，溃灭的瞬间在极其短的时间内产生很强的压力脉冲，同时，气泡周围极为狭小的空间内温度会升高，形成局部热点。因此，气泡溃灭的瞬间会产生极端的高温高压，从而引起湍流效应，微扰效应，界面效应，聚能效应。实验数据表明，可以产生1900-2500k的高温和极端高压。正是空化过程产生的极端条件为水处理过程提供了良好的反应条件，极端高温可以加速有害物质的分解速度，并消除二次污染的问题，可以直接将有害物质分解为H2O及CO2，或者是裂解出自由基后形成H2O2进入水溶液。

近年来，水力空化在水处理中的应用越来越广泛。首先，水力空化与臭氧结合联合降解罗丹明B（一种较为难降解的物质，有致癌性，大量存在于印染或化工污废水中，降解水中的该物质会减少癌症的发病率）应用的最为广泛并且发展的比较迅速，单纯的臭氧降解固然有较好的作用，但由于反应过程中会有大量的臭氧逸出，造成浪费，同时环境中过量的臭氧也会使人体发生中毒。因此，单独的臭氧处理效果并不佳。如果将水力空化与臭氧结合，通过实验会发现大量的罗丹明B被降解，并且减少臭氧的使用量，减少浪费。其次，水力空化对苯酚，二甲苯的降解也有较好的效果。水力空化通过均化作用（均衡稳定水质负荷从而改善废水的可处理性），机械作用（主要是气泡破灭以后产生的冲击波使反应特性变化），以及化学氧化作用（主要是自由基氧化，裂解出大量的自由基并重新结合）进行降解。通过实验数据表明，水力空化不仅能够有效的降解水中的苯酚，二甲苯等难降解物质，同时，可以通过对降解率的分析来确定适宜反应的反应物初始浓度，ph值，温度及水流循环时间等反应条件。随着水力空化在水处理领域的应用，水力空化在饮用水消毒中的应用，在处理油田污水中的应用以及空化数与雷诺数之间的关系等多个研究方面都有很大的进展。

随着空化技术的发展，在水处理过程中，与水力空化结合较多的是在有机废水中的应用。由于有机废水中存在的污染物种类繁多，并且存在大分子链以及多种化学键，因此，水力空化在处理有机废水中起到重要的作用。通常，通过封闭的水力循环处理系统（包括水箱，冷凝铜管，离心泵，多孔板等），使水流通过实验装置，调解不同阀门进行实验，控制温度等条件，提取样本，计算降解率。如上文中提到的对罗丹明B，苯酚，二甲苯的降解过程，通常有四个阶段，（1）初始空化阶段，在这个过程中，会有微小的气泡产生，但边界层并没有分离现象。（2）片状空化阶段，这个过程中空化数降低，连续出现气相，从外形上看气相呈现片状形态分布（3）云状空化阶段，这个过程中空化数进一步降低，有大量空化泡产生，其形态呈大团白雾状（4）超空化阶段，这是空化泡发展的最后阶段，压力降至极低后开始恢复，充分发展的空化泡随着压力的恢复而开始溃灭。在这个过程中产生较高的能量，催化生化反应。大量实验及文献证明，空化泡溃灭会产生冲击波和射流，使OH和H2O2进入整个溶液，通过这个过程产生的特有条件会为生化反应提供特殊的物化环境。在此过程中，水力空化相当于废水处理系统中的均化池，通过均化，乳化作用调节水质，提高废水的可处理性，达到处理的效果。不仅如此，近年来，大量实验及通过对降解率的分析，还可以分析出不同几何形状的多孔板，或是板中间是否存在孔（实验表明，中心孔对多孔板的阻力系数有影响，因此会影响水处理的效果）对水力空化及水处理过程的影响，以及入口处压力，污废水酸碱性，压强，流速，粘性等问题对水力空化结合水处理方法作用的影响。使得这一新型的水处理方式得到极大的发展。

但是，由于液体结构的不明确，空化产生的机理依然没有明确的理论说明。在空化过程中，管路最大流量与开孔率的关系只有近似的线性模拟，没有准确的关系定义。空化数与雷诺数的关系这一方向由于今年来才陆续展开，因此只有较为简单的函数关系，实验仅仅说明他们趋向于幂函数关系，但有可能会有更复杂的函数关系，也有可能会发生改变。而水力空化与臭氧消毒之间的作用关系，只有加强并没有协同的原因也有待研究。以及水力空化对水中微生物的灭火过程受微生物本身结构，空化数，时间等的影响都有待实验，得到更为准确的数据。对于印染机械等行业，由于废水水质主要以有机为主，但含量较为复杂，部分高分子有机物的处理与水力空化结合的空间很大，但由于具体实验条件及高分子本身性质的影响，并没有很好的与水力空化相结合，因此，这也是水力空化在水处理中存在的问题。

近年来，水力空化技术发展较快。王金刚等通过特殊结构的涡流仓研究涡流空化，流体在涡流仓中形成远低于大气压力的低压区域，从而产生空化效应。通过cfx计算软件对涡流形成情况进行了模拟计算，确定了适宜的结构参数。对罗丹明B进行了实际降解实验，考查了压力和温度对降解的影响，结果表明，压力提高对降解有利，而温度的影响较为复杂。

李志义等进行了酵母微生物细胞破壁以及油脂和纤维素水解试验。将水力空化用于酵母微生物细胞破壁的试验表明，当60 min内细胞破壁率达65％时，水力空化消耗能量为110 J，而超声空化能耗为1 390 J，机械破壁(高压均浆法)的能耗为1 500 J，前者分别仅为后二者的7．9％和7．3％。细胞破壁是生物工程一个重要的单元操作，通过它才能将胞内产物如酶蛋白、类脂、抗生素以及许多基因工程产品的有效成分释放。然而，这一操作能耗高，能量利用率仅为5％ 一10％。显然，它有可能成为水力空化的一个很有前途的应用领域。

乔慧琼等研究了循环时间、苯酚初始浓度、二甲苯初始浓度等因素对降解率的影响以及水温、pH值随循环时间的变化。结果表明：苯酚、二甲苯的适宜初始质量浓度，分别为28～38 m L、2．9～3．6 m L，水力空化技术适宜于处理微污水；苯酚、二甲苯的降解率随循环时间呈线性关系，具有一级反应动力学特征；随循环时间的延长，废水的pH值从6．7升高到7．3，水温增加18℃后趋于稳定，水温的升高会影响到苯酚、二甲苯的降解率。

1998年，kalumuck和chahine利用不同的空化装置在不同条件下降解p-硝酸苯酚的实验，研究表明，水力空化确实对p-硝酸苯酚有降解作用，并且该装置比超声波方法在能效方面呈二次方比例增加。

2000年，sivakumar利用水力空化装置对罗丹明B化合物的降解进行了实验研究，并且在能效方面与超声波空化进行了比较，研究表明，水力空化降解能量效率高于超声波空化约150%。

2001年,pandit使用一套孔板水力空化装置用于污废水处理，实验表明，空化强度和空化数可以用不同的孔板进行有效的控制。

水力空化技术具有反应装置简单，处理效果好，能耗低，操作方便，维护费用低等优点，预示着该技术早水处理领域有很好的应用前景。目前，该技术在水处理领域尚处于基础理论研究和实验阶段，而国外对低浓度，单组分模拟物系进行了研究，已有了较好的发展趋势。

今后的研究方向包括：

① 发展计算机数值模拟技术，通过改变水力空化装置的几何参数和操作条件，来模拟在相应条件下空化装置的动力特性，预测污染物的降解效果及其影响因素。

② 对空化器的放大设计的研究，在实验室和小规模工厂进行试验研究，利用模拟废水研究空化器的放大设计问题。

③ 根据流场、湍流特征和几何形状，设计和制造出不同型式的水力空化装置，并有效用于废水处理中。

④ 针对实际多组分难降解物系在降解机理、物质平衡、反应动力学、装置设计放大等方面进行深入研究。

⑤ 水力空化技术与其他水处理技术联用的研究

参考文献：

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3.       张健东 孙三祥，乔慧琼．水力空化技术的研究及其应用[J]．环境科学与管理，2007，32(5)：65—69．

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5.       张晓冬，李志义，武君，等．水力空化对化学反应的强化效应[J]．化工学报，2005，56(2)：262—265．

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7.       乔慧琼，孙三祥，张健东．水力空化技术降解含苯酚、二甲苯废水的实验研究[J]．能源环境保护，2007，2l(2)：l8—21．

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                                               土木工程学院

                                                 市政工程

                                                   沈忱

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