超声波处理高浓度有机废水技术分析

高浓度有机废水主要分布在化工、冶金、炼焦、轻工、食品等行业，对环境造成了严重的污染。按其性质和来源大体可分为三大类：

(1)易于生物降解的高浓度有机废水，一般来自以农牧业产品为原料的工业废水，如食品工业废水;

(2)高浓度有机废水中的有机物是可以生物降解的，但废水中含有其他有害物质，废水主要来自制药工业和部分化工行业;

(3)难于生物降解和含有有害物质的高浓度有机废水，主要来自合成化学行业，如染料工业、农药工业等。对于后两类废水生物方法通常无法达到处理要求，而采用物理化学方法处理高浓度有机废水，成本很高，每吨水处理费用达到数十元，高昂的处理费用使得大量高浓度难降解有机废水得不到有效处理而排放，所以研究高浓度有机废水的治理，完善其治理技术，是十分迫切的任务。

很多研究表明，生物降解过程中存在真一些具有共同特性的关键步骤，一般是跨越膜的传质过程和围绕关键酶的反应过程，因此生物降解活性可能是其亲脂性与电子效应的加和，以及其他次要因素(如立体效应等)的综合反应。难以降解物质之所以在生化过程中分解速率缓慢，是因为某些功能团难以为微生物打开，从而成为生化反应的限制步骤。如果能在预处理中破坏这些功能团，打开其化合键，或者在芳香环中引入羟基而改变其结构，就可以打破这些官能团对生物降解的限制作用，极大地提高生化反应的速率，超声波处理可以快速有效地做到这一点。

利用超声波降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物，是近年来发展的一项新型水处理技术。它集高级氧化技术、焚烧、超临界水氧化等多种水处理技术的特点与一身，具有反应条件温和、速度快、适用范围广等特点，可以单独使用或与其他技术联合使用，具有很大的发展潜力。超声波能在水中引起空化效应，产生约4000K和100Mpa的瞬间局部高温高压环境(热点)，同时以约110m/s的速度产生具有强烈冲击力的微射流的冲击波。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，其中，羟基自由基是目前所发现的最强的氧化剂。有机物在热点发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解、超临界水氧化、自由基氧化等反应，这些效应加上声场中的质点振动、次级衍生波等为有机物降解提供了其他方法难以达到的多种途径。

1、超声降解有机物的动力学研究

有机物的超声降解过程遵循表现一级反应动力学规律。瞬间空化泡崩溃时释放出的巨大能量是引起声化学反应的主动力，伴随空化泡崩溃所产生的机械效应与化学效应反应在三个不同的空间内，即空化泡内部，此时空化泡本身犹如一个高温高压反应器;紧靠空化泡壁的气(汽)液交界面;离交界面更远一些的区域及主体溶液相，有机物将受到冲击波及随冲击波扩散而来的活性自由基作用。

2、超声降解高浓度有机废水的影响因素

(1)、超声波功率

在超声波作用下，有机物的降解通常遵守一级动力学反应。超声降解反应速率一般随声强的增大而增加，但强度过高会适得其反。因为声能太大，空化泡会在声波的负压相长得很大而形成屏障，使系统可利用的声能反而降低，降解速率因此下降。

(2)、超声波频率

研究表明，高频超声波有助于提高超声降解速率，这是由于羟基自由基的产率随着声频率的增加而增加。事实上，在超声降解过程中，超声强度和频率之间有一个最佳匹配，而且频率的选择与被降解有机物的结构、性质以及降解历程有关，并不是所有情况下高频超声波有利于降解。

(3)、废水中的溶解气体

溶解气体对超声降解速率和降解程度的影响主要有两方面的原因：一是溶解气体对空化泡的性质和空化强度有重要的影响;另外溶解气体如N2、O2产生的自由基也参与降解反应过程，因此，影响反应机理和降解反应的热力学和动力学行为。超声空化产生的最高温度和压力总是随着绝热指数r增大而升高。对单原子气体，r=1.666，而多原子气体(如泡腔内的空气、水蒸气或有机物蒸气)的绝热指数总是小于单原子气体，例如，从饱和的水溶液r=1.33.可见，在超声降解过程中，使用单原子稀有气体总能提高降解的速率和程度。

(4)、废水的性质

液体的性质如溶液黏度、表面张力、PH以及盐效应都会影响溶液的超声空化效果。溶液黏性对空化效应的影响主要表现在两个方面：一方面它能影响空化阀值，另一方面它能吸收声能。当然溶液黏度增加时，声能在溶液中的黏滞损耗和声能衰减加剧，辐射溶液中的有效声能减少，致使空化阀值显著提高，溶液发生空化现象变得困难，空化强度减弱，因此，黏度不太高有利于超声降解。随着表面张力的增加，空化核生成困难，但是空化气泡崩溃时产生的极限温度和压力升高，有利于超声降解。当溶液中有少量的表面活性剂时，溶液的表面张力迅速下降，在超声波作用下有大量泡沫产生，但空化泡崩溃时产生的威力很小，因此不利于超声降解。

(5)、反应温度

温度对超声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过程的变化。温度升高会导致气体溶解度减小，表面张力降低，饱和蒸气压增大，这些变化对超声空化是不利的。一般生化学效率随温度的升高呈指数下降，因此，声化学过程在低温(20℃)进行较为有利，超声降解一般都在室温下进行。