超声活化过硫酸盐降解废水中有机物效果的影响因素

张楠，陈蕾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

1 超声活化过硫酸盐的机理

2 影响US-PS系统去除效率的因素

在有机污染物的降解过程，其降解速率很容易受到各种因素的影响，如超声波功率和频率、pH、温度、过硫酸盐浓度、共存无机阴离子等[18]，不同分子结构有机物的降解机理存在显著差异[19]。

2.1 过硫酸盐的初始浓度

过硫酸盐的初始浓度对US-PS系统中有机污染物的去除具有重要意义。Hori等在5，10 mmol/L的过硫酸盐浓度下进行了降解全氟醚羧酸的实验，结果表明10 mmol/L浓度过硫酸盐对全氟醚羧酸的去除率更高[20]；Vichare等利用不同浓度的过硫酸盐进行双酚A氧化实验，发现当PS浓度从1 mg/L增加到100 mg/L时，双酚A的氧化速度增加了3倍[21]。因此，随着过硫酸盐浓度的增加，有机污染物的去除率呈上升趋势。

以上这些结果表明，随着过硫酸盐浓度的增加，可能会产生更多的硫酸盐自由基，导致有机物的降解速度更快。但是，Gayathri等发现，当过硫酸盐浓度达到1.6 g/100 mL时，其处理污水的脱色效率将会降低[22]。因此，过硫酸盐浓度的提高对污染物的去除是有限度的[18]。

2.2 pH

2.3 温度

反应温度是水粘度和传质系数的关键变量。据经常报道，温度升高对污染物降解有积极影响[18]。当温度从25 ℃增加到65 ℃时，四环素的降解速率常数从0.017 5增加到0.157 3 min-1，且四环素在65，55，45 ℃下反应，分别经过60，90，120 min后得到完全降解[25]。这种现象可能是由于温度升高，使得氧化剂和中间产物的分子运动增强所导致的[18]。

总的来说，尽管在较高的反应温度下，活性氧的生成和有机物的超声分解受到抑制，但由于热和超声波的联合活化，温度升高会促进降解[18]。

2.4 共存无机阴离子

在这些无机阴离子中，Cl-可以与硫酸根和羟基自由基反应，生成Cl·、Cl2·之类的活性物质，而含Cl-的氧化物质的氧化还原电势远低于羟基和硫酸根自由基[30]。

2.5 共存有机物

除无机阴离子外，废水中共存的有机物对目标有机物的降解也具有抑制作用。通常情况下选择腐殖酸来分析有机基质对声活化过硫酸盐氧化的影响[18]。有研究发现，在腐殖酸浓度为17.5～35 mg/L 的情况下，由于其与双酚A的反应性自由基之间存在显著竞争，因此导致了污染物的降解作用降低[29]；同样，分别添加10，50 mg/L的腐殖酸到试样中，结果发现考马斯亮蓝的降解率由82%降低到了76%[34]。同时，由于人类对含有表面活性剂物质的使用量的增加，目前表面活性剂已成为废水和天然水中共存有机物的常见成分，研究发现，在十二烷基硫酸钠的作用下，考马斯亮蓝的降解受到了明显的抑制[34]。

Nasseri等利用去离子水，瓶装水，自来水和废水进行实验，研究了共存有机物对四环素去除的影响[25]。研究发现，与去离子水相比，瓶装水和自来水降解污染物的效果更好，可能是由于其中存在着极少量的天然有机物[25]。当有机物含量增加到一定范围时，其与底物中氧化性物质的竞争对降低降解速率起着至关重要的作用，因此去离子水与废水相比，四环素的降解率会更低[25]。

2.6 超声的功率和频率

对于这一现象，有人提出解释，由于空化而产生的其他气泡会将声波从溶液中散射到容器壁或返回换能器，因此当超声功率超过极限时会降低过程去除效率[18]。还有另一种解释，即由于功率强度的急剧增加而导致的大量微小气泡会聚结形成更大的气泡并减少空化现象[37]。因此，超过一定极限的超声功率会导致能量效率降低，并在US-PS系统中形成较少量的自由基。

2.7 其他因素

除了上述介绍几种因素之外，还需要考虑一些通过影响超声分解效率进而间接影响有机污染物的分解速率的因素，其中包括表面张力、蒸气压、以及液体类型等[18]。相较于其他溶液，有机溶剂的表面张力低且蒸气压较高，而其高蒸气压会防止空化气泡的瞬时破裂，不适用于声化学反应，因此，水通常是声分解法中使用最广泛的反应介质，而不是有机溶剂[9-10]。

3 结论与展望

超声活化过硫酸盐氧化法是一种很有前途的难降解有机废水处理技术，其降解有机污染物的效率受到超声波频率、超声波功率、pH值、过硫酸盐浓度、温度、共存无机阴离子等许多因素的影响，但目前针对该技术的研究仍需加强以下方面的研究：

(1)废水和天然水体中含有大量有机化合物，因此在US-PS体系中，需要分析更多的共存有机物对处理效果产生的影响。

(2)由于废水中微生物分布广泛，基质成分复杂，因此应分析考虑在水生微生物存在下，超声波活化过硫酸盐氧化体系对有机污染物的去除率。

(3)目前超声活化过硫酸盐的反应过程还存在许多未知，因此应加强对其机理的研究，进而将该技术尽早应用于实际工程当中。