胡文容 (山東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)研究中心)
王士芬 高廷耀(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院)
錢夢(同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所)

1 實(shí)驗(yàn)方法與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
　實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)所用臭氧化氣體為O₂瓶中O₂經(jīng)O₃發(fā)生器生產(chǎn)制造所得。超聲波頻率為20kHz，實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)器體積200 mL。在實(shí)驗(yàn)過程中，控制O₃、超聲、超聲協(xié)同O₃處理在同一溫度下進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)行超聲處理時，超聲探頭插入水面下20～40mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)水樣
　　實(shí)驗(yàn)水樣有兩種：①人工配水，在實(shí)驗(yàn)室取一定體積的菌液配制而成；②實(shí)際水樣，同濟(jì)大學(xué)生活污水。
1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
　　① 取水樣150mL于200mL的反應(yīng)器中，分別采用不同的超聲電功率和不同O₃濃度的臭氧化空氣(流量恒定600mL/min，下同)處理20min后，測定細(xì)菌數(shù)，計(jì)算殺菌效率；
　　② 分別在一定的超聲電功率和O₃濃度條件下，取同樣的水樣，處理不同時間后，測定細(xì)菌數(shù)，計(jì)算殺菌效率；
　　③ 根據(jù)①和②實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取同樣的水樣，采用超聲聯(lián)合O₃處理一定時間后，測定細(xì)菌數(shù)，計(jì)算殺菌效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 超聲電功率與殺菌效果
　　圖2表示原水細(xì)菌數(shù)為1.5×10⁵個/mL時，不同超聲電功率處理20min后，其超聲電功率與殺菌效率的關(guān)系。結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，隨超聲電功率加大，殺菌效率提高。

　　研究發(fā)現(xiàn)^［1］，超聲空化效應(yīng)隨超聲電功率增加而加強(qiáng)。不同聲強(qiáng)下，OH自由基產(chǎn)量與輻照時間的關(guān)系(見表1)表明：當(dāng)輻照時間相同時，聲強(qiáng)為2.10W/cm²的OH自由基產(chǎn)量幾乎是I＝0.64W/cm²的兩倍。高功率的超聲波將促使更多的H₂O分解產(chǎn)生具有很強(qiáng)殺菌作用的H、OH自由基，所以殺菌效率隨之提高。由于實(shí)際生活污水含有污染物，H₂O在超聲作用下分解產(chǎn)生的部分H、OH自由基將與污染物反應(yīng)而被消耗^［2］，因此，在同一功率條件下，實(shí)際生活污水的殺菌率低；圖2結(jié)果還表明，當(dāng)超聲電功率<80 W時，隨超聲電功率加大，殺菌效率呈直線上升；當(dāng)超聲電功率為80～160W時，隨超聲電功率加大，殺菌效率提高幅度減緩，而當(dāng)超聲電功率＞160W時，殺菌效率隨超聲電功率加大幾乎沒有提高。研究發(fā)現(xiàn)^［3］,當(dāng)采用聲強(qiáng)＞0.7W/cm²超聲波處理水溶液時，便能產(chǎn)生空化效應(yīng)，所以，當(dāng)實(shí)驗(yàn)超聲電功率為50W(對應(yīng)聲強(qiáng)為10.2W/cm²)時便有殺菌作用；隨超聲電功率加大，空化效應(yīng)增強(qiáng)，同時散射效應(yīng)也增強(qiáng)，一部分功率轉(zhuǎn)化成熱而消耗掉。所以當(dāng)超聲電功率＞80 W時，進(jìn)一步增加超聲電功率以提高殺菌效果就不明顯。由此可以算得，當(dāng)處理水樣體積為150mL時，理想的超聲電功率是80～160W，即0.5～1.0W/mL。

表1 不同聲強(qiáng)下OH產(chǎn)量與輻射時間的關(guān)系 T（min） I=0.6W/cm² I=2.10W/cm² (N±e)(10¹⁷個/L） （M±e）（10^-7 mol/L) (N±e)(10¹⁷個/L） （M±e）（10^-7 mol/L) 1 0.53±0.11 0.88±0.18 1.06±0.22 1.76±0.36 3 1.90±0.31 3.15±0.51 3.32±0.55 5.52±0.91 10 5.08±0.81 8.43±1.35 10.42±1.36 17.3±2.25 注 1 N-OH產(chǎn)量；M-OH摩爾濃度；e--標(biāo)準(zhǔn)差
2 超聲頻率82。kHz，熒光光譜標(biāo)定法

2.2 處理時間與殺菌效果
　　當(dāng)超聲電功率分別為80、168、200W時，超聲處理時間與殺菌效率關(guān)系如圖3所示。圖3結(jié)果表明，采用電功率≥80W超聲波處理實(shí)驗(yàn)室配水5min，殺菌率可達(dá)85％以上。隨著處理時間延長，殺菌率迅速提高；當(dāng)處理時間T＝20min時，三種電功率對應(yīng)的殺菌率已高達(dá)97％、98％、99％，水中絕大部分細(xì)菌已被殺滅，進(jìn)一步延長超聲輻照時間以提高殺菌效率就不明顯；另一方面，圖4的OH自由基產(chǎn)量與超聲輻照時間關(guān)系曲線也表明：隨輻照時間延長，OH自由基產(chǎn)量增加的幅度趨于平緩。因此，在實(shí)驗(yàn)條件下，控制20min處理時間是理想的。

2.3 超聲強(qiáng)化O₃殺菌效果
　　當(dāng)臭氧化空氣流量Q＝600mg/L、超聲電功率為80W時，O₃、超聲協(xié)同O₃處理150mL水樣20min，不同O₃濃度所對應(yīng)的殺菌率如圖5所示，而當(dāng)O₃的濃度恒定為0.02mg/L時，殺菌率與處理時間的關(guān)系如圖6所示。圖5、圖6的結(jié)果表明，超聲協(xié)同O₃處理的殺菌效果明顯好于O₃，如在同一殺菌處理時間條件下，采用超聲協(xié)同O₃處理實(shí)驗(yàn)室配水20min(見圖5)，殺菌率達(dá)到99％所對應(yīng)的O₃濃度為0.03mg/L，而單獨(dú)O₃處理的殺菌率達(dá)到99％所對應(yīng)的O₃濃度為0.04mg/L。當(dāng)O₃濃度高于0.05mg/L時，這種強(qiáng)化作用不明顯，主要原因是O₃濃度高，其本身已具有快速、高效殺菌作用，在短時間內(nèi)，水中細(xì)菌已基本被殺滅，所以外加超聲作用的效果就不明顯。圖6的結(jié)果則表明，當(dāng)O₃的濃度下降至0.02mg/L時，超聲協(xié)同O₃處理實(shí)驗(yàn)室配水23min，殺菌率可達(dá)99％，而單獨(dú)O₃處理則需要30 min。由此可見，超聲具有強(qiáng)化O₃殺菌的效果，在殺菌率同樣達(dá)到99％的情況下，外加80 W超聲，可以節(jié)省33％的O₃投加量；在O₃投加量相同的條件下，可以減少7 min的處理時間。當(dāng)處理水樣為實(shí)際生活污水時，超聲協(xié)同O₃和O₃的殺菌效果不如實(shí)驗(yàn)室配水明顯。其主要原因是實(shí)際生活污水存在其他污染物，這些污染物在處理過程中對細(xì)菌起了庇護(hù)作用。另一方面，生活污水中的細(xì)菌種類比較復(fù)雜，除了對O₃敏感的菌群外，可能也存在一些耐氧化的菌群。

　　　　　　

3 結(jié)論

　　① 超聲殺菌效率明顯依賴于超聲電功率，隨著超聲電功率的增大，殺菌率提高，但運(yùn)行費(fèi)用隨之增加。所以當(dāng)采用超聲殺菌時，合理的超聲電功率為0.5～1.0W/mL。
　　② 超聲對O₃的殺菌效果具有明顯的強(qiáng)化作用。在同樣99％殺菌率前提下，若處理時間相同，超聲(80W、20kHz)協(xié)同O₃處理可節(jié)省33％的O₃投加量；當(dāng)O₃投加量相同時，則可縮短處理時間。

　　③ 水中存在的污染物對超聲強(qiáng)化O₃殺菌效果有明顯的影響，表現(xiàn)在兩個方面：一是某些污染物對超聲作用下O₃、H₂O產(chǎn)生的自由基有捕獲作用；二是這些污染物對細(xì)菌有庇護(hù)作用，結(jié)果降低了超聲強(qiáng)化O₃殺菌效果。

參考文獻(xiàn)

　　1 馮若，李化茂.聲化學(xué)及其應(yīng)用.安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1992.6
　　2 Masschelein W J. Ozonization Manual for Water and Wastewater Treatment. John wiley and Sons Let, 1982
　　3 劉巖.水體有機(jī)污染物的超聲空化降解研究近況.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1995；3(4)：77～78

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　　作者通訊處：250061 山東省濟(jì)南市經(jīng)十路73號 山東工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程教研室
　　(收稿日期 1998-09-27)