超聲波技術(shù)在飲用水處理中應(yīng)用的現(xiàn)狀
1、藻類及藻毒素的去除
我國(guó)飲用水水源約有25%是湖泊水或水庫(kù)水，20世紀(jì)90年代后，淡水水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，水華發(fā)生的頻率與嚴(yán)重程度都呈現(xiàn)迅猛的增長(zhǎng)趨勢(shì)。淡水中引起水華的藻類主要是藍(lán)藻門的微囊藻屬、魚腥藻屬、束絲藻屬和顫藻屬。它們都能產(chǎn)生藻毒素，其中分布廣、危害大的是微囊藻毒素(Microcystins-LR，以下簡(jiǎn)稱MC-LR)，MC-LR是一組環(huán)狀七肽物質(zhì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能抵抗極端pH和300℃高溫，具有明顯的肝毒性。此毒素是蛋白磷酸酶1和2 A的強(qiáng)烈抑制劑，是迄今已發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的肝腫瘤促進(jìn)劑。藍(lán)藻毒素具有致染色體斷裂、致基因誘變以及較高的急性毒性，飲用水源中藍(lán)藻大量繁殖，將危害人類的健康。
藻類及其分泌物質(zhì)產(chǎn)生的主要問(wèn)題有:藻類在代謝過(guò)程中易產(chǎn)生三鹵甲烷的前驅(qū)物質(zhì)，三鹵甲烷是對(duì)人體具有潛在危害的致癌性物質(zhì)，同時(shí)水中藻細(xì)胞數(shù)量的增大也增加了氯的使用量;部分藻類在代謝過(guò)程或死亡后釋放藻毒素，在中國(guó)，流行病學(xué)調(diào)查顯示，飲水中的MC-LR與肝癌的發(fā)病率高度相關(guān);藻類所分泌的臭味物質(zhì)導(dǎo)致飲用水出現(xiàn)異味，當(dāng)水處理中氧化劑使用量較低時(shí)，不僅無(wú)法消除臭味的影響，有時(shí)還會(huì)和一些臭味有機(jī)物反應(yīng)生成新的致臭物質(zhì)。由于存在這些問(wèn)題，飲用水處理中不能忽視藻類的影響。
Song等采用640 kHz的超聲波發(fā)生器，對(duì)MC-LR的去除進(jìn)行研究，試驗(yàn)中初始濃度為2.7μmol/L純的MC-LR在反應(yīng)器中3 min后濃度降為原來(lái)的一半， 6 min后僅剩0.4μmol/L。Zhang等人就不同頻率(20 kHz， 80 kHz和1 320 kHz)超聲波處理藻類進(jìn)行研究，結(jié)果表明，超聲波對(duì)藻類均按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行，且有較好的去除效果，高頻率能夠加快藻類去除的反應(yīng)速度。
有研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)藻類產(chǎn)生的異臭物質(zhì)土霉素(Geosmin)和二甲基異冰片(2-methy1isbomeol)，單獨(dú)采用超聲波處理也有不錯(cuò)的效果。
2、腐殖質(zhì)的去除
腐殖質(zhì)是天然水體中常見(jiàn)的一類有機(jī)物，在天然水體中含量為幾至幾十mg/L，20世紀(jì)70年代中期發(fā)現(xiàn)，天然水進(jìn)行氯化處理時(shí)，腐殖質(zhì)在Cl2作用下生成鹵代烴類化合物(THMs)。THMs被認(rèn)為是致癌物質(zhì)，該物質(zhì)的去除既能減少消毒劑的用量又降低了飲用水風(fēng)險(xiǎn)，所以一直是飲用水研究的關(guān)鍵內(nèi)容。超聲波技術(shù)被廣泛應(yīng)用到腐殖質(zhì)的去除上，采用超聲技術(shù)作為氯化前對(duì)腐殖質(zhì)的預(yù)處理取得較好的效果。
Chema等人針對(duì)阿爾及尼亞湖水中的天然腐殖質(zhì)和人工合成的腐殖質(zhì)，就超聲波對(duì)腐殖質(zhì)的去除情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明單獨(dú)采用H2O2處理腐殖質(zhì)，1 h后只能使其降解25%;同樣條件下加入低頻(20 kHz)的超聲波聯(lián)合作用，1 h后腐殖質(zhì)可以全部去除，TOC的去除率也可以達(dá)到40%的水平。Naffrechoux研究超聲波和UV對(duì)腐殖質(zhì)的去除可使消毒劑氯氣的用量為原來(lái)的1/2，消毒副產(chǎn)物為原來(lái)的1/3。
3、生物預(yù)處理的強(qiáng)化
低頻超聲波能很好地提高生物的活性，主要表現(xiàn)在低強(qiáng)度、短周期的超聲波處理可促進(jìn)胞外酶的產(chǎn)率，這是生物預(yù)處理的關(guān)鍵。超聲波空化作用可以加速生物反應(yīng)器中的物質(zhì)傳遞，這一過(guò)程對(duì)反應(yīng)底物進(jìn)入酶催化的活性部位及產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中的傳質(zhì)非常有利。國(guó)外Schlafer等實(shí)驗(yàn)室研究頻率25 kHz的1.5 W/L，最佳功率密度的超聲波輻射，最高可以提高生物降解速率達(dá)100%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)只有在非常窄的超聲強(qiáng)度范圍內(nèi)生物活性可以得到顯著提高，太低的超聲功率對(duì)生物降解速率的提高起不到作用，而施用強(qiáng)度太高的超聲波會(huì)導(dǎo)致生物活性顯著降低，甚至遠(yuǎn)低于沒(méi)有超聲波作用。對(duì)采用生物預(yù)處理微污染水源水而言，適宜的超聲波能強(qiáng)化生物預(yù)處理的效果。國(guó)內(nèi)劉紅等通過(guò)不同功率(5 W，10 W，15 W)的超聲波在反應(yīng)器中對(duì)地表微污染水源水進(jìn)行生物預(yù)處理作用表明，功率為10 W的超聲波促進(jìn)生物作用的效果最為明顯，經(jīng)超聲波處理后效果能保持24 h，對(duì)微生物活性和降解負(fù)荷均有提高。
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