胡文容 (山東工業大學環境科學與工程技術研究中心)
王士芬 高廷耀(同濟大學環境工程學院)
錢夢(同濟大學聲學研究所)

1 實驗方法與材料

1.1 實驗裝置
　實驗裝置見圖1。實驗所用臭氧化氣體為O₂瓶中O₂經O₃發生器生產制造所得。超聲波頻率為20kHz，實驗所用反應器體積200 mL。在實驗過程中，控制O₃、超聲、超聲協同O₃處理在同一溫度下進行，當進行超聲處理時，超聲探頭插入水面下20～40mm。

1.2 實驗水樣
　　實驗水樣有兩種：①人工配水，在實驗室取一定體積的菌液配制而成；②實際水樣，同濟大學生活污水。
1.3 實驗步驟
　　① 取水樣150mL于200mL的反應器中，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，測定細菌數，計算殺菌效率；
　　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，測定細菌數，計算殺菌效率；
　　③ 根據①和②實驗結果，取同樣的水樣，采用超聲聯合O₃處理一定時間后，測定細菌數，計算殺菌效率。

2 實驗結果

2.1 超聲電功率與殺菌效果
　　圖2表示原水細菌數為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系。結果表明，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。

　　研究發現^［1］，超聲空化效應隨超聲電功率增加而加強。不同聲強下，OH自由基產量與輻照時間的關系(見表1)表明：當輻照時間相同時，聲強為2.10W/cm²的OH自由基產量幾乎是I＝0.64W/cm²的兩倍。高功率的超聲波將促使更多的H₂O分解產生具有很強殺菌作用的H、OH自由基，所以殺菌效率隨之提高。由于實際生活污水含有污染物，H₂O在超聲作用下分解產生的部分H、OH自由基將與污染物反應而被消耗^［2］，因此，在同一功率條件下，實際生活污水的殺菌率低；圖2結果還表明，當超聲電功率<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。研究發現^［3］,當采用聲強＞0.7W/cm²超聲波處理水溶液時，便能產生空化效應，所以，當實驗超聲電功率為50W(對應聲強為10.2W/cm²)時便有殺菌作用；隨超聲電功率加大，空化效應增強，同時散射效應也增強，一部分功率轉化成熱而消耗掉。所以當超聲電功率＞80 W時，進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 不同聲強下OH產量與輻射時間的關系 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產量；M-OH摩爾濃度；e--標準差
2 超聲頻率82。kHz，熒光光譜標定法

2.2 處理時間與殺菌效果
　　當超聲電功率分別為80、168、200W時，超聲處理時間與殺菌效率關系如圖3所示。圖3結果表明，采用電功率≥80W超聲波處理實驗室配水5min，殺菌率可達85％以上。隨著處理時間延長，殺菌率迅速提高；當處理時間T＝20min時，三種電功率對應的殺菌率已高達97％、98％、99％，水中絕大部分細菌已被殺滅，進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自由基產量與超聲輻照時間關系曲線也表明：隨輻照時間延長，OH自由基產量增加的幅度趨于平緩。因此，在實驗條件下，控制20min處理時間是理想的。

2.3 超聲強化O₃殺菌效果
　　當臭氧化空氣流量Q＝600mg/L、超聲電功率為80W時，O₃、超聲協同O₃處理150mL水樣20min，不同O₃濃度所對應的殺菌率如圖5所示，而當O₃的濃度恒定為0.02mg/L時，殺菌率與處理時間的關系如圖6所示。圖5、圖6的結果表明，超聲協同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，采用超聲協同O₃處理實驗室配水20min(見圖5)，殺菌率達到99％所對應的O₃濃度為0.03mg/L，而單獨O₃處理的殺菌率達到99％所對應的O₃濃度為0.04mg/L。當O₃濃度高于0.05mg/L時，這種強化作用不明顯，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，水中細菌已基本被殺滅，所以外加超聲作用的效果就不明顯。圖6的結果則表明，當O₃的濃度下降至0.02mg/L時，超聲協同O₃處理實驗室配水23min，殺菌率可達99％，而單獨O₃處理則需要30 min。由此可見，超聲具有強化O₃殺菌的效果，在殺菌率同樣達到99％的情況下，外加80 W超聲，可以節省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。當處理水樣為實際生活污水時，超聲協同O₃和O₃的殺菌效果不如實驗室配水明顯。其主要原因是實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菌起了庇護作用。另一方面，生活污水中的細菌種類比較復雜，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，但運行費用隨之增加。所以當采用超聲殺菌時，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)協同O₃處理可節省33％的O₃投加量；當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化O₃殺菌效果有明顯的影響，表現在兩個方面：一是某些污染物對超聲作用下O₃、H₂O產生的自由基有捕獲作用；二是這些污染物對細菌有庇護作用，結果降低了超聲強化O₃殺菌效果。

參考文獻

　　1 馮若，李化茂.聲化學及其應用.安徽科學技術出版社，1992.6
　　2 Masschelein W J. Ozonization Manual for Water and Wastewater Treatment. John wiley and Sons Let, 1982
　　3 劉巖.水體有機污染物的超聲空化降解研究近況.環境科學進展，1995；3(4)：77～78

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　　作者通訊處：250061 山東省濟南市經十路73號 山東工業大學環境工程教研室
　　(收稿日期 1998-09-27)