关于超声波杀菌在水质净化中的运用探讨

关于超声波杀菌在水质净化中的运用探讨

韦敏

韦敏

上海新金桥建设发展有限公司

摘要：本文对超声波杀菌在水质净化中的运用进行了分析，明确了水质净化的常用方法与超声波杀菌的特点，并提出了超声波杀菌在水质净化中的运用机理与具体应用，希望为关注此话题的人提供有效的参考。

关键词：超声波杀菌；水质净化；污水处理

引言

超声波杀菌主要利用超声波对水中的李斯特单胞菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、微生物等进行处理，现阶段主要用于污水处理、市政供水消毒、液体视频灭菌等，本文主要就超声波杀菌在河道养护、水环境治理方面的机理运行、技术应用等进行了介绍，通过对超声波杀菌的合理利用，对水环境进行有效的治理，保障水环境的清洁。

1水质净化的常用方法

1.1化学方法

化学方法进行水质净化主要在水中投入适量的化合剂，化合剂与水中的杂质发生化学反应后呈现沉淀现象，对沉淀物进行清除后达到水质净化的作用，其优势在于可以有针对性的解决水中的杂质，但化学方法净化处理容易形成二次污染。

1.2生物方法

利用生物方法净化水质是指将微生物放入水中，微生物会对水中的微生物进行“吸收消化”，起到净化水质的作用。例如，利用碳素纤维草对封闭水体水质的净化处理，碳素纤维草放入水中后会迅速散开成膜，约10天后膜的表面会出现附着较多的生长微生物，其中包括硅藻、累枝虫、钟虫、轮虫、线虫等，40天后，经检验DO质量浓度先迅速下降后又上升，30天后趋于质量浓度相对较低的稳定状态。CODMn质量浓度在40天内经历了下降上升、下降上升的过程，但其水质改善的等级为Ⅲ类。另外，碳素纤维草对水质处理的作用下，TN、TP的净化消耗并不明显，但利用碳素纤维草可在总体层面上维持水质环境的Ⅵ类标准。由此，生物方法在应用上具有成本低、效果好的优势。

1.3过滤法

过滤法是对利用过滤手段进行水质净化处理的总称，包含堤式过滤法、活性炭过滤法等，堤式过滤法是指在水质污染超标的江、河周围10—20m处挖掘一条新的集水河道、堤内的水分静置、过滤后可用于生活用水。活性炭过滤法是指活性炭能够吸附、消除水中的过量元素，根据过量元素种类的不同，可选用不同种类的活性炭对水中的杂质进行吸附、净化处理。

2超声波杀菌的优势

2.1反应条件温和

超声波杀菌利用超声波在水中产生空化反应、力学效应、热学效应等，反应过程中会产生一定的局部高温与高压环境，但消散的较快，对水资源的影响较小，发生的条件也较为温和，不会对整体的水质情况造成不良影响。

2.2处理效率高

超声波杀菌主要利用声波传播，使微生物的细胞受到强烈的震荡，微生物受到破坏后无法继续生存，以此达到消除水中微生物的作用，超声波杀菌的时间一般在10min内，在该时间段内，杀菌的时间越长，介质的温度越大，杀菌处理的效率越高。

2.3无二次污染

超声波杀菌后产生的物质经过过滤、沉淀、降解等都可以有效的消除，不会产生其他影响水体的物质，对水体产生二次污染，且超声波杀菌的效率较高，可重复应用到水质净化处理中，充分利用无二次污染的超声波杀菌，可定期对水体进行清理，保障水体长期保持净化状态[1]。

3超声波杀菌在水质净化中的运用机理

3.1超声波杀菌原理

超声波杀菌在水质净化中的运用是指利用频率在20kHz以上的声波对水体进行处理，其应用的特征在于方向性好、易于能量集中并且具有良好的穿透性。其方向性是指超声波主要由声源传播，控制声源的方向可控制超声波传播的方向。在实际的超声波杀菌应用中，还需调节生源的高低、角度与方位，尽可能扩大超声波传输的范围，对水体进行全面的杀菌处理。易于能量集中是指超声波在水体中的作用会产生空化效应，超声波杀菌主要利用空化效应对水质进行净化，空化的范围在超声波控制的范围内，可根据超声波范围的控制有效集中能量。超声波具有高频率、短波长的特点，该特点决定了超声波在水中的穿透力较强，促使超声波杀菌的范围较大，能够实现大面积的水质净化，非常适用于江、河等水体面积较大的区域进行杀菌、净化处理。

3.2空化效应

超声波的空化效应是指超声波在水中传播过程中，疏密相间的纵波波形通过水体向四周传播，当声能达到一定数值时，超声波传播的半周期内的液相分子的吸引力消失，形成空化核。空化核的存在时间为0.1μs，空化核爆炸过程中会产生4000K的局部高温与100MPa的高压环境，并产生110m/s的强烈射流。

超声波在水质净化中应用的空化过程为震荡、生长、收缩与爆炸的过程，声波震动下水体中的小气泡不断增多，且小气泡会随着声波纵波的震动与传播产生原理，产生膨胀或压缩现象，最终膨胀与压缩的气泡产生爆炸，瞬间促使温度与压力上升。

空化反应的表达式为H2O→·OH+·H、·OH+·OH→H2O2、·H+H2O→H2O2等，该反应过程中产生的H2O2具有一定的弱酸性，氧化性与还原性，其中的·OH自由基具有较强的氧化性，水中气泡中的氧气也会裂解成氧自由基。氧化性较强的物质会加快有机物的分解速度，有机物会被氧化成低分子的物质，最终生成无毒的物质对水资源不再产生不良影响。另外，空化反应发生过程中，高温高压下的细菌、微生物的细胞会受到破坏，细胞离析后病毒的蛋白质也会发生性质的转变，细菌与微生物由此被消灭[2]。

3.3超声波杀菌的影响因素

3.3.1超声波强度

超声波杀菌在水质净化中的声波强度是产生空化效应的主要动力，声音强度的控制直接决定着空化效应产生的快慢，要求超声波杀菌在对水的净化处理中强度最低不能小于1W/cm，随着超声波强度的增大，水中的空化效应也逐渐增强，但超声波强度增大的同时，也会引导非线性的附加声衰减，其杀菌的效果也会随之降低，必须有效的控制超声波的强度范围，最佳的取值范围为1—61W/cm，将超声波强度控制在该范围内，在对水进行净化处理时，既不会消耗过多的能量，产生不良效果，也不会降低空化效应的作用，为超声波水质净化提供质量保障。

3.3.2超声波频率

一般情况下，超声波杀菌过程中，认为超声波的频率越高，超声波产生的声压与声强越大，经验证，超声波频率增加时，空化效应中气体的震荡、收缩以及产生爆炸的动力更加强烈，对水中细菌、微生物细胞的破坏力也越强，水质的净化处理效果更好。但当超声波的频率增加到一定程度时，负压中的气泡膨胀很大，正压中的气泡还未压缩到破裂状态便受到负压爆炸的影响，此时空化效应的能量是受到削弱的，由此，超声波频率在超过一定数值后，空化效应达不到理想的效果，且消耗较大的能量，可将超声波杀菌的频率控制在20—50kHz，选择经济效益、水质净化效率与成果最大化的超声波频率进行超声波杀菌操作。

3.3.3杀菌时间

水质净化过程中超声波杀菌的时间与杀菌的效果在一定范围内成正比，但经过研究发现，超声波杀菌时间进一步增加时，杀菌的效果并没有明显的增加，而是趋于一个饱和状态，在对河道进行清理过程中，河道的水流范围较大，超声波杀菌时间的增加会产生大量能源消耗，且河道的水域范围较大，超声波杀菌在长时间的作用下也很难达到更加高效的效果[3]。

3.3.4超声波波形

超声波杀菌的应用存在连续波与脉冲波两种波形，连续波即在超声波杀菌过程中持续释放超声波对水质进行作用，以达到杀菌的目的。而脉冲波则是阶段性控制超声波的传播，两种超声波的传播形式所产生的效果也多用不同，经检验，脉冲波的发出在水质净化中能够通过超声波强度的控制，避免水体中产生显著的热效应。合理的控制脉冲波的发出频率，使得脉冲波保持在平衡、稳定的匀速范围内，一般脉冲波的发出间隔为10s，可在水体中建立稳定的水体混响场，使得杀菌的效率更好，经检验，合理控制下的脉冲波杀菌与连续波杀菌的效果大致相等。

3.3.5超声波介质

水质净化中超声波杀菌的应用，水质超声波传播的介质，经验证，介质的pH值对杀菌的效果本身的影响较小，由此，超声波杀菌可在不同的水体环境下应用，在河道清理中，可利用超声波杀菌辅助灭菌，抑制河道中细菌、微生物的滋生，促使水质治理的效率不断提升。

4超声波杀菌在水质净化中的具体应用

4.1超声波紫外线杀菌

需要被处理的水通过超声波紫外线杀菌设备进水口后，会受到强紫外线均匀地照射，从而进行“广谱杀菌”；与此同时，超声波会对这部分水进行混合、空化、氧化、裂解、杀菌、推流、除垢、清洗以及灭藻等。在此过程中，超声波的“空化”能够有效降解有机物，并且进行辅助杀菌；此外，其引起的局部激波还可以使被处理的水出现一定程度的“紊乱”，从而使紫外线和水能够最大限度地接触，并且使接触更加均匀，进而充分提升杀菌效率。另外，超声波还能够对石英套管以及腔体等进行及时的防垢、除垢以及清洗，从而确保紫外线灯不会受到污染而结垢，最终长期地维持较高的杀菌效率。

紫外线属于一种人类肉眼不可见的光，按照紫外线不同的波长可以详细划分成UVC（200-280nm）、UVB（280-315nm）以及UVA（315-400nm）。其中，紫外线UVC是最容易被核糖核酸（DNA）所吸收的紫外线，常见的各种紫外线杀菌装置中都会使用此类型的紫外线，这是因为被处理水内各种生物、细菌、藻类以及病毒等一旦被此类型紫外线照射，其RNA以及DNA等无法再生结构，进而使其失去复制功能，最终对水进行杀菌、净化。此类型紫外线多被应用到各种景观水、海水、泳池水、污水、地表水、中水、纯水、给水以及净水等水质净化工作中，杀菌率可超过99％。然而此类型紫外线在应用时常常受到水质硬度较高、细菌数量过大等因素干扰，使石英管套结垢，从而降低杀菌效率。因此，将超声波与之结合应用，便可以全面利用超声波“超声空化”的功能，有效除垢、增加透光率，进而最大限度地提升杀菌效率。

4.2超声波控藻

当前世界范围内水库、湖泊所面对的重点生态问题便是水体富营养化，其表征主要是“蓝藻水华”。水体中的蓝藻一旦过多增殖便会将水面覆盖，进而使水质浑浊、恶化，进而形成臭水体，不仅会毒害水中的鱼类等生物，还会影响周边民众的身心健康。各国有关部门经过多年研究和实践，研究出了超声波辐射控藻技术、化学杀藻法、黏土凝聚法以及化学絮凝法等。在上述方法中，超声波辐射控藻技术被广泛认为属于对环境影响最小的技术，其主要优势包括不会产生二次污染、具备自动化技术、除藻速度快、没有化学药物以及反应不猛烈等。

此项技术的主要原理为：超声波会通过微射流剪切、空化泡共振、自由基氧化以及高温裂解等化学、物理效应影响藻类的细胞内部结构及其生理活性，主要体现在：

（1）超声波的辐射能够提升活性氧浓度，一旦藻类体内细胞抗氧化的防御系统不能够有效处理进入细胞的活性氧，细胞便会逐渐受到损伤，直至死亡。

（2）超声波会通过空化引发自由基氧化以及高温裂解等重要效应，对藻类体内的光合色素展开全面破坏，从而使藻类光合作用功能下降，直至藻类体内的细胞最终死亡。

（3）在通常情况下，超声波通过空化引发的效应除了自由基氧化以及高温裂解，还会引发机械剪切这一重要效应，从而对藻类细胞细胞膜结构或者细胞壁等进行一定程度的破坏，进而致使藻类体内细胞发生“破裂”现象。

（4）超声波还可以导致藻类细胞中的伪空胞发生共振现象，从而逐渐使伪空胞崩溃，进而使藻类的浮力调节等功能衰减，甚至最终无法吸收光照以及营养盐，致使其生长受到有效抑制。

4.3超声波联合光催化技术

超声波杀菌技术的应用可与其他净化技术进行有效的结合，使得水质净化的效率更高。超声波杀菌技术与光催化技术的结合，主要利用光催化灭菌中的半导体材料在光催化下产生的光生载流子，与水体中的颗粒物质发生反应，产生一定的自由基，对水中细菌、有机物的分解更加高效[4]。超声波杀菌技术与光催化的联合使用，二者皆可产生自由基对水中的细菌、微生物、有机物进行分解，大大提高了水质净化的效率，且超声波利用其波动作用可对光催化技术的催化剂进行清洗，帮助光催化剂长期保持活性。经研究验证，超声波杀菌与光催化联合作用下的灭菌效率更高，只有超声波处理30min后的灭菌率为94%，而添加纳米催化剂后，进行超声波处理30min后的灭菌率为97%。

结束语

总而言之，水质净化的常用方法有化学方法、生物方法、过滤法等，近年来超声波技术研究水平的不断提升，可利用超声波进行河道区域的水体净化，且超声波杀菌具备反应条件温和、处理效率高、无二次污染等优势，适用于大面积的河道、水域净化处理，通过对超声波杀菌原理、空化效应、超声波杀菌的影响因素的分析，提出了超声波紫外线杀菌、超声波控藻、超声波联合光催化技术的具体应用，推动超声波杀菌在水质净化中应用的有效性不断提升。

参考文献：

[1]张弛，刘轩.超声波杀菌在水质净化中的研究[J].科技与创新，2019（05）：98-99.

[2]谭啸，顾惠卉，段志鹏，李聂贵，纪艳灵.超声波控藻对氮磷释放及水质变化的影响[J].中国环境科学，2018，38（04）：1371-1376.

[3]孙华，巫丽俊，李洁.水质安全的动态超声波强化混凝除藻水处理试验研究[J].资源节约与环保，2016（09）：80.

[4]朱宸，丁凯耘，丛海兵，等.水质安全的动态超声波强化混凝除藻水处理试验研究[J].环境科学学报，2015，35（08）：2429-2434.

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挥发性有机化合物的生物处理，应避免微生物营养供应不足，人工添加有机填料或使用具有良好抗饥饿性的菌种。例如，可以实现V0Cs处理中的能量回收和回收，可以使用在用于预热未燃烧气体的抽吸和下垂燃烧技术中的VOCs燃烧期间产生的热量。针对以上分析，提出加下几点建议：

（1）为了定义VOCs的定义和范围，VOCs是一大类材料，VOCs的定义并不完全相同。因此，我们必须首先确定VOCs的定义，根据脆弱程度对类别进行分类，并制定适合不同层次的法律和标准，如欧洲一些国家采用的等级控制。

（2）均匀的VOC检测方法和技术标准。获得的数据具有代表性、应与标准化技术方法相当，并且数据可用于制定与当前技术状态和当前环境条件相对应的排放标准裂缝值。

（3）开发用于中央记录和处理闭合VOCs的技术方法。加强对无组织排放的VOCs的监测和控制，在监测主要的V0C排放行业方面做得很好，并制定污染物排放清单。

（4）结合人类健康，烟雾和PM2.5以及中国其他主要环境问题，我们将设定一个全面的指数限制，以中国的地理代表性来控制VOCs排放。

六、VOCs废气治理工程案例

VOCs废气净化技术的治理原理是废气中的污染物溶解在水中，然后被水中微生物吸收，在新陈代谢和成长过程中逐渐循环转化为无害物质，不会损害空气和环境。该过程易于处理，但大规模的废气处理导致水资源的浪费。因此，它仅适用于区域范围内的VOCs的局部废气处理。

5.1工程概况

某工厂是生产家具的，其造成VOCs废气的环节是喷漆。涂料中含有一些含苯的挥发性有机化合物。如果不直接处理，将对环境有害。因此，该工厂开发了一种用于处理VOCs废气的特殊技术解决方案。

5.2VOCs废气治理方案设计

5.2.1工艺的选择

处理VOCs废气的技术方案在实行工艺选择时，要充分考虑了VOCs的性质、治理成本和处理效果等，最后选择喷射净化剂净化废气的方法来处理废气。该过程风险和成本低，简单无风险易操作。

5.2.2湿式洗涤方案

在湿式洗涤方案中，通过多级喷雾清洁+脱水过程处理废气以向废气中添加VOCs吸收剂。细节如下：通过环管用作填料塔，将鲍尔环插入填料段。当使用引风机时，VOCs从塔底升到净化塔，初级填料层中的喷水呈水膜状。当VOCs通往该层时，它们中的大部分被吸入水膜中。

结束语

通过检查VOCs的原因和处理方法，排除废气中的污染物，达到环保技术标准，避免污染事故。结合喷漆过程的实际情况，优化最佳处理措施，采取必要的技术措施进行回收利用，避免物料浪费。遵守VOCs管理，合理的防止严重污染事故，提高喷漆质量、改善漆料环境、已达到合理的环保排放要求的实行方法。

参考文献：

[1]VOCs的成因及治理措施[J].侯金虎.化工设计通讯.2018

[2]危险废物焚烧废气中重金属的研究[J].毛慧，姚军.现代农业科技.2016

[3]危险废物焚烧废气污染控制和监测情况研究[J].易丹，谭秀梅，席英伟，杨俊，丁明刚.环境科学与技术.2014