空化技术及其联用技术处理微生物（藻类）发展现状及展望

冯效毅　刘春阳

摘 要：随着空化技术的发展，空化技术逐步应用到水处理中。该文主要介绍了空化技术的发展历程，空化现象产生的机理及超声空化、水力空化处理微生物的机理，超声空化与臭氧、二氧化钛联用处理微生物技术，水力空化与电解、臭氧联用处理微生物技术等试验条件下的处理效果、优化参数及不足。最后，对水体微生物处理技术的发展方向做了分析。

关键词：超声空化；水力空化；联用技术；除藻

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）06-18-04

随着我国工农业的迅速发展和城市化进程的加快，大量生产和生活废水排入天然水体，导致水体富营养化程度不断加剧、范围不断扩大，国内大中型湖泊每年都有水华现象发生。2000年的梅梁湾水华事件，使无锡供水出现严重短缺，直接影响到人们的生产、生活，造成严重经济损失[1]。水华现象的产生会破坏水体生态平衡，危害饮用水水质，严重制约社会和国民经济的可持续发展。有效的清除水体中蓝藻是控制湖泊水华暴发和富营养化的重要途径，但现行各种除藻方法因存在不同缺点而无法大规模应用到大中型湖泊。臭氧除藻是现行方法中处理效果较好的方法，但也存在利用率低、存在安全隐患等问题，极大增加了处理成本。空化技术是最近十几年才开始的新型物化水处理技术，空化技术产生的高温、高压、高射流的条件能为其他方法处理微生物提供有利条件，空化技术及其联用技术处理微生物是未来水处理的发展方向。

1 空化技术的发展

早在1753年欧拉曾指出：“当水管中某处的压强降到负值时，水即自管壁分离，该处会形成一个真空区，这种现象应予避免”。1849年英国海军发现在螺旋桨转动时会产生大量气泡，这些气泡又立刻在水压力的作用下收缩内爆，导致螺旋桨产生剧烈振动，这是历史上第一次对空化现象物理本质的描述[2]。

近年来，随着对空化技术的深入研究，人们逐渐认识到空化时产生并释放的巨大能量可以为一般物理、化学反应提供有利的条件，并逐步开始利用空化技术。根据空化产生的方法，空化一般可以分为4种类型：声空化、水力空化、光空化和粒子空化[3]。目前，国内外研究较为普遍的是超声空化和水力空化。超声空化产生的空化效果强烈，能量集中，对水体中各种有机物有较好的氧化效果，经深入研究已产生了大量成果[4]。但超声空化产生的能量利用率较低，难以实现对污水的大规模处理。因此，人们将注意力逐渐转向对水力空化的研究。

2 超声空化及联用技术

2.1 超声空化机理 超声波由一系列疏密相间的横波和纵波构成，其产生的辐射压可通过液体向周围传播。在超声波压力的作用下，液相分子间的距离随分子不断振动而发生变化，当液体处于超声波交变声压的负压半周期内时，在压力强度足够大的负压作用下，会打破液相分子间的引力，当分子间距超过物质处于液态临界分子间距时，液体会发生断裂而产生空穴，形成空化核。此后，处于声场的空化核不断吸收能量，产生振动、膨胀、收缩等反应，最终爆裂崩溃，形成超声空化效应[5]。

2.2 超声空化处理微生物技术 超声空化产生的高温、高压、高射流条件，能够使水分解为具有强氧化杀菌作用的OH-、H2O2。高强度超声波作用于水体微中生物时，强烈的高频超声振荡使生物细胞内含物胶体发生絮凝沉淀，凝胶发生液化或乳化，使细胞失活，从而达到杀死微生物的目的。冯中营[6]对超声杀灭大肠杆菌进行了实验研究，结果表明，在温度为20℃，频率为20.1kHz，声功率为15W的超声作用下，20min时间杀菌率为68.2%；频率为29.5kHz，声功率为29W的超声作用下，40min时间杀菌率可达87.5%。随着电功率的增加，杀菌效率随之上升；但当功率增加到一定数值后再继续增加，杀菌效率不再上升，反而下降。可能是因为当声强超过空化阈值后提高声强会使空化加强，但在声强超过一定的界限后，空化泡在声波的膨胀相内可能增长过大导致它在声波的压缩相内来不及发生崩溃，从而减弱瞬态空化。超声空化具有很高的杀菌效率，但处理量较小。王波[7]通过试验得出，超声空化产生的高温、高压、冲击波等能使藻类细胞表面产生坑穴和孔洞型的损伤，将丝状藻类的藻丝打断，破碎藻细胞的气囊结构，从而限制藻类的生长。单参数对比实验表明：提高超声的声强，抑藻效果随之增强，但会逐渐趋于饱和，其原因在于声压和空化强度的饱和；超声频率对抑制效果有很大影响，200kHz比20kHz和1.7MHz效果更佳；延长超声辐照时间会增强藻类的抑制效果，但也存在逐渐饱和的趋势，因此，低剂量、高频率的模式更利于长期抑制藻类生长。迟巍、万成炎等[8]也通过实验证明，在利用超声波控制藻类生长的过程中，超声波的频率、强度和持续时间会直接影响到其控制效果。

2.3 超声空化与其他处理方法联用技术

2.3.1 超声空化与臭氧联用技术 超声能显著提高臭氧在溶液中的传质效率。Lall等[9]的研究表明在超声功率密度为120W/L的超声场中，质量浓度为5.4mg/L时，臭氧的传质效率提高了90%。其原因为：一是超声促进了O3的分解速率，加快了羟基自由基的产生；二是超声空化效应加强了液体的扰动，降低了液膜厚度，提高了O3在溶液中的传质效率[10]。

当菌液中通入臭氧时，超声空化变得更加剧烈，从而达到更好的辐射效果。胡文容曾做的超声强化O3杀菌能力实验，超声（800W、20kHz）协同O3处理可节省33%的臭氧投加量，当臭氧投加量相同时，则可减少处理时间。超声联合O3的杀菌作用具有明显的强化效果。在超声作用时间分别为20、30、40、50min时，测得大肠杆菌的灭菌率分别是46.59%、62.49%、61.06%、66.26%。灭菌效率大大提高的原因可能是有臭氧存在的情况下会发生下列反应：

使溶液中的氢氧根离子和强氧化性的双氧水增多，加快了细胞的死亡。由于菌种和实验条件的限制，目前并没有研究出最佳灭菌条件及其它菌种的灭菌效果，设计更大体积的反应器和大功率超声换能器等问题还待解决。

2.3.2 超声空化与二氧化钛联用技术 二氧化钛常用做光催化剂，动力学过程研究表明TiO2能够显著改善杀菌效果，经30min的处理后，在浓度0.2g/mL的TiO2光催化剂的作用下，有活力的细胞浓度降低到原来的6%，而没有TiO2光催化剂作用时，仅降低到18%；增加TiO2的使用量，杀菌能力也能够有一定程度上的增强，经过30min的处理，在浓度1g/mL的TiO2光催化剂的作用下，细胞浓度降到了原来的3%[11]。

沈其动[12]设计了超声和二氧化钛联合作用灭活大肠杆菌实验，在频率分别为20kHz和25kHz，功率为30W，TiO2浓度为0.4g/mL，对一升大肠杆菌菌液进行超声辐照实验，得出如表1的结论：

由表1可以看出，超声与二氧化钛联合作用的灭菌效果比超声单独作用时好。

3 水力空化及联用技术

3.1 水力空化机理 水力空化与超声空化具有类似的机理，一般液体中都含有肉眼看不到的微小气泡，当液体流经低压区时，这些气泡快速膨胀，在该处形成可见的微小空泡。在空泡随流体流动过程中，遇到周围压力突然增大时，体积急剧减小或溃灭，溃灭过程发生于瞬间，并伴随极其复杂的物理、化学效应。于冬梅[13]自行设立了一套以多孔板为空化发生器的水力空化试验台，并应用摄影技术对水力空化过程进行实时图像采集，采用Matlab软件进行图像处理，进行水力学实验。结果表明，利用孔板后的平均灰度值可以较好的反应管路中的空化效应，平均灰度值越大，管路对应的水力空化效果越明显；多孔孔板的孔排布会对水力空化产生一定影响，但与开孔率相比，开孔率为主导因素；单个多孔板的自力系数随流量的增加有增长的趋势，随开孔率增加，管路的阻力系数减小，这种现象在开孔率较小时尤为明显。

3.2 水力空化处理微生物技术 目前，水力空化处理微生物的机理主要有以下几种观点：（1）“水相燃烧”，即空化产生的极端高温、高压条件，不利于微生物的生长，从而起到抑制微生物繁殖的作用；（2）自由基机理，空泡溃灭产生的瞬时高温、高压，使水分子及其他分子发生分裂及链式反应，产生具有高化学活性和强氧化性的·OH和H2O2，这2种物质都可以灭菌；（3）“机械作用理论”，在空化泡溃灭的瞬间，空化效应产生的100～1 000MPa高强压力脉冲，同时伴有强烈的冲击波和微射流，空化对细胞的破坏作用来自空泡溃灭产生的冲击波和脉动空泡引起的湍流空化流[14-15]。利用水力空化技术对含大肠杆菌污水处理实验表明，水力空化对水体中的大肠杆菌有很好的杀灭作用；随着空化作用时间的延长，灭菌率提高，60min时灭菌率接近或达到最大值，并在其后基本稳定；适当延长空化作用时间、一定范围内升高水体温度、pH偏碱性、增大电导率均可提高水力空化的灭菌效果。王伟民[16]研究了水力空化对富营养水体藻类的灭杀效果，结果表明对同一空化发生器来说，在降解氯仿和杀灭铜绿微囊藻试验中，用负压水力空化流程比正压空化流程空化效果好；在一定范围内，空化发生器孔面积与管道截面面积之比越大，总孔周长与总过流面积比值越小，空化效果越好；存在一个最佳空化时间等。为空化发生器的设计提供了参考依据，对后续水力空化装置的制定具有一定的指导作用。

3.3 水力空化与其他处理方法联用技术

3.3.1 水力空化与电解联用技术 叶德宁、贾金平、许云峰等[17]尝试将水力空化与电解2种抑藻技术进行耦合联用，并取得了令人满意的效果，对于小型浅层水体，可通过灭杀藻类生物来实现改善水体景观并取得持续效果。

试验采用最易形成水华的铜绿微囊藻和水华鱼腥藻（购自中科院武汉水生所），试验过程均使用处于稳定增长期的藻液。结果表明，单独空化及电解对铜绿微囊藻均有一定的去除效果，不同的空化管喉管管径对抑藻效果具有一定影响，2种方法联合抑藻的效率具有协同作用，但其具体机理还需进一步探究；藻种所处生长期对处理结果有一定的影响，可能与其细胞壁强度不同有关，且不同种属藻类抑藻效果差异较大。试验装置应用于抑制富营养化水体中藻类的生长，具有一定的开创性，通过进一步研究处理机理及优化装置参数，有广阔的小型水体抑藻的应用前景。

3.3.2 水力空化与臭氧联用技术 水力空化除藻是物理过程，臭氧除藻是化学过程，水力空化与臭氧联用形成了物化联用除藻技术。水力空化在空泡溃灭时会有强烈的湍流现象，流场中含有大量的小漩涡，并伴随极高的压力脉冲、微射流和冲击波等。产生的这些机械效应作用于微生物时，会破坏藻细胞壁，杀灭藻类；而臭氧依靠其强氧化性来杀死藻类，其自身在水中会分解，少量臭氧还可起到杀菌的作用。水力空化与臭氧联用处理效果好，且无二次污染。

沈海风[18]分别通过单独水力空化、单独臭氧和水力空化联合臭氧除藻试验证明，当2个处理效果不是很好的2种方法合用时，产生的效果比任何一个单独处理的效果要好，而且是好很多。

试验条件下，确定水力空化联合臭氧除藻的最优条件为：最佳孔板为孔径12mm的孔板，最佳臭氧发生量为1.9mg/min，最佳处理时间为6min，最佳处理温度为20℃；并得出相同处理时间为10min时，单独水力空化时藻的去除率为15%左右，单独臭氧时藻的去除率为35%左右，而水力空化联合臭氧时藻的去除率可达99%，效果显著；臭氧利用率也比单独臭氧处理提高32%左右。由于装置需要臭氧发生器，需要消耗电能以及仪器的维护，目前只适用于小型水域等。采用管道联用，增加水处理量，进一步提高工作效率，降低成本是今后的发展方向。

4 结论及展望

空化技术应用于水体微生物（藻类）的处理，是空化能量利用的新技术，具有无二次污染、处理效率高、设备简单、适合工业化应用等特点，与常规处理技术联用能够达到更好的处理效果，具有广阔的应用前景。克服现行微生物（藻类）处理技术的不足，探求高效、清洁、经济的新型处理技术以及探索联用工艺是今后发展方向。目前，研究还集中在对空化技术机理上，探寻影响空化效果的因素及参数优化，随着空化理论及其技术的不断成熟，空化技术及联用技术在处理微生物（藻类）等方面将发挥重要的作用。

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