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超声波技术在饮用水处理中应用的现状

在水源水预处理中的应用

1、藻类及藻毒素的去除

             我国饮用水水源约有25%是湖泊水或水库水，20世纪90年代后，淡水水体富营养化严重，水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势。淡水中引起水华的藻类主要是蓝藻门的微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属和颤藻属。它们都能产生藻毒素，其中分布广、危害大的是微囊藻毒素(Microcystins-LR，以下简称MC-LR)，MC-LR是一组环状七肽物质，结构稳定，能抵抗极端pH和300℃高温，具有明显的肝毒性。此毒素是蛋白磷酸酶1和2 A的强烈抑制剂，是迄今已发现的最强的肝肿瘤促进剂。蓝藻毒素具有致染色体断裂、致基因诱变以及较高的急性毒性，饮用水源中蓝藻大量繁殖，将危害人类的健康。

               藻类及其分泌物质产生的主要问题有:藻类在代谢过程中易产生三卤甲烷的前驱物质，三卤甲烷是对人体具有潜在危害的致癌性物质，同时水中藻细胞数量的增大也增加了氯的使用量;部分藻类在代谢过程或死亡后释放藻毒素，在中国，流行病学调查显示，饮水中的MC-LR与肝癌的发病率高度相关;藻类所分泌的臭味物质导致饮用水出现异味，当水处理中氧化剂使用量较低时，不仅无法消除臭味的影响，有时还会和一些臭味有机物反应生成新的致臭物质。由于存在这些问题，饮用水处理中不能忽视藻类的影响。

               Song等采用640 kHz的超声波发生器，对MC-LR的去除进行研究，试验中初始浓度为2.7μmol/L纯的MC-LR在反应器中3 min后浓度降为原来的一半， 6 min后仅剩0.4μmol/L。Zhang等人就不同频率(20 kHz， 80 kHz和1 320 kHz)超声波处理藻类进行研究，结果表明，超声波对藻类均按一级反应动力学进行，且有较好的去除效果，高频率能够加快藻类去除的反应速度。

               有研究发现针对藻类产生的异臭物质土霉素(Geosmin)和二甲基异冰片(2-methy1isbomeol)，单独采用超声波处理也有不错的效果。

2、腐殖质的去除

               腐殖质是天然水体中常见的一类有机物，在天然水体中含量为几至几十mg/L，20世纪70年代中期发现，天然水进行氯化处理时，腐殖质在Cl₂作用下生成卤代烃类化合物(THMs)。THMs被认为是致癌物质，该物质的去除既能减少消毒剂的用量又降低了饮用水风险，所以一直是饮用水研究的关键内容。超声波技术被广泛应用到腐殖质的去除上，采用超声技术作为氯化前对腐殖质的预处理取得较好的效果。

               Chema等人针对阿尔及尼亚湖水中的天然腐殖质和人工合成的腐殖质，就超声波对腐殖质的去除情况进行了研究，结果表明单独采用H₂O₂处理腐殖质，1 h后只能使其降解25%;同样条件下加入低频(20 kHz)的超声波联合作用，1 h后腐殖质可以全部去除，TOC的去除率也可以达到40%的水平。Naffrechoux研究超声波和UV对腐殖质的去除可使消毒剂氯气的用量为原来的1/2，消毒副产物为原来的1/3。
  
3、生物预处理的强化

               低频超声波能很好地提高生物的活性，主要表现在低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率，这是生物预处理的关键。超声波空化作用可以加速生物反应器中的物质传递，这一过程对反应底物进入酶催化的活性部位及产物进入介质中的传质非常有利。国外Schlafer等实验室研究频率25 kHz的1.5 W/L，最佳功率密度的超声波辐射，最高可以提高生物降解速率达100%，同时发现只有在非常窄的超声强度范围内生物活性可以得到显著提高，太低的超声功率对生物降解速率的提高起不到作用，而施用强度太高的超声波会导致生物活性显著降低，甚至远低于没有超声波作用。对采用生物预处理微污染水源水而言，适宜的超声波能强化生物预处理的效果。国内刘红等通过不同功率(5 W，10 W，15 W)的超声波在反应器中对地表微污染水源水进行生物预处理作用表明，功率为10 W的超声波促进生物作用的效果最为明显，经超声波处理后效果能保持24 h，对微生物活性和降解负荷均有提高。
  

超声波在膜污染控制中的应用

当前，膜技术(反渗透，纳滤，超滤)在饮用水处理中应用的普遍的问题就是不同程度受到膜污染的限制，从而使膜通量下降，压力增大，导致费用增加。

             现在多采用错流、回流冲洗和化学清洗的方法来减轻膜污染，但这些方法都会产生二次污染并导致工艺间歇运行。超声波技术在清洗上的应用由来已久，利用超声波提供的高压和低压振荡区域产生的空化泡，能够防止固体颗粒停留在膜表面或使膜表面的污染层脱落，从而达到对膜污染的抑制和消除。

               Chen等就超声波控制膜污染进行了研究，发现不论是对聚合还是陶瓷膜都有很好的效果。当膜位于超声的空化区域以内，膜的通量有很大的提高，但同时也发现陶瓷膜中因为超声波的作用而有铝离子脱落，还没有具体超声波对膜材质损伤方面的资料。

               随着膜技术的成熟和在饮用水中应用的深入，超声波在膜污染控制上的应用大有希望。

               超声波产生的空化作用，能够产生大量的活性自由基，从而在局部高温高压的极端环境下，将水中有机物分解。超声波与紫外线、臭氧、双氧水等饮用水处理常用的高级氧化技术联合起来产生很好的协同效应，可以广泛应用于饮用水的深度处理中。另外，超声波的生物强化效应可以应用在微污染水源水的预处理中。超声波易形成设备化的优势使得其和膜
处理及其他设备的结合在饮用水处理中具有广阔的应用前景。但超声波技术在饮用水的处理中还是一项新的技术，目前主要在实验室范围内研究，只有少数实际应用，真正实现水处理工业化还需要做大量的工作。