超声强化O3杀菌能力的实验研究

胡文容 (山东工业大学环境科学与工程技术研究中心)
王士芬 高廷耀(同济大学环境工程学院)
钱梦(同济大学声学研究所)

1 实验方法与材料

1.1 实验装置
　实验装置见图1。实验所用臭氧化气体为O₂瓶中O₂经O₃发生器生产制造所得。超声波频率为20kHz，实验所用反应器体积200 mL。在实验过程中，控制O₃、超声、超声协同O₃处理在同一温度下进行，当进行超声处理时，超声探头插入水面下20～40mm。

1.2 实验水样
　　实验水样有两种：①人工配水，在实验室取一定体积的菌液配制而成；②实际水样，同济大学生活污水。
1.3 实验步骤
　　① 取水样150mL于200mL的反应器中，分别采用不同的超声电功率和不同O₃浓度的臭氧化空气(流量恒定600mL/min，下同)处理20min后，测定细菌数，计算杀菌效率；
　　② 分别在一定的超声电功率和O₃浓度条件下，取同样的水样，处理不同时间后，测定细菌数，计算杀菌效率；
　　③ 根据①和②实验结果，取同样的水样，采用超声联合O₃处理一定时间后，测定细菌数，计算杀菌效率。

2 实验结果

2.1 超声电功率与杀菌效果
　　图2表示原水细菌数为1.5×10⁵个/mL时，不同超声电功率处理20min后，其超声电功率与杀菌效率的关系。结果表明，在其他条件不变的情况下，随超声电功率加大，杀菌效率提高。

　　研究发现^［1］，超声空化效应随超声电功率增加而加强。不同声强下，OH自由基产量与辐照时间的关系(见表1)表明：当辐照时间相同时，声强为2.10W/cm²的OH自由基产量几乎是I＝0.64W/cm²的两倍。高功率的超声波将促使更多的H₂O分解产生具有很强杀菌作用的H、OH自由基，所以杀菌效率随之提高。由于实际生活污水含有污染物，H₂O在超声作用下分解产生的部分H、OH自由基将与污染物反应而被消耗^［2］，因此，在同一功率条件下，实际生活污水的杀菌率低；图2结果还表明，当超声电功率<80 W时，随超声电功率加大，杀菌效率呈直线上升；当超声电功率为80～160W时，随超声电功率加大，杀菌效率提高幅度减缓，而当超声电功率＞160W时，杀菌效率随超声电功率加大几乎没有提高。研究发现^［3］,当采用声强＞0.7W/cm²超声波处理水溶液时，便能产生空化效应，所以，当实验超声电功率为50W(对应声强为10.2W/cm²)时便有杀菌作用；随超声电功率加大，空化效应增强，同时散射效应也增强，一部分功率转化成热而消耗掉。所以当超声电功率＞80 W时，进一步增加超声电功率以提高杀菌效果就不明显。由此可以算得，当处理水样体积为150mL时，理想的超声电功率是80～160W，即0.5～1.0W/mL。

表1 不同声强下OH产量与辐射时间的关系 T（min） I=0.6W/cm² I=2.10W/cm² (N±e)(10¹⁷个/L） （M±e）（10^-7 mol/L) (N±e)(10¹⁷个/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产量；M-OH摩尔浓度；e--标准差
2 超声频率82。kHz，荧光光谱标定法

2.2 处理时间与杀菌效果
　　当超声电功率分别为80、168、200W时，超声处理时间与杀菌效率关系如图3所示。图3结果表明，采用电功率≥80W超声波处理实验室配水5min，杀菌率可达85％以上。随着处理时间延长，杀菌率迅速提高；当处理时间T＝20min时，三种电功率对应的杀菌率已高达97％、98％、99％，水中绝大部分细菌已被杀灭，进一步延长超声辐照时间以提高杀菌效率就不明显；另一方面，图4的OH自由基产量与超声辐照时间关系曲线也表明：随辐照时间延长，OH自由基产量增加的幅度趋于平缓。因此，在实验条件下，控制20min处理时间是理想的。

2.3 超声强化O₃杀菌效果
　　当臭氧化空气流量Q＝600mg/L、超声电功率为80W时，O₃、超声协同O₃处理150mL水样20min，不同O₃浓度所对应的杀菌率如图5所示，而当O₃的浓度恒定为0.02mg/L时，杀菌率与处理时间的关系如图6所示。图5、图6的结果表明，超声协同O₃处理的杀菌效果明显好于O₃，如在同一杀菌处理时间条件下，采用超声协同O₃处理实验室配水20min(见图5)，杀菌率达到99％所对应的O₃浓度为0.03mg/L，而单独O₃处理的杀菌率达到99％所对应的O₃浓度为0.04mg/L。当O₃浓度高于0.05mg/L时，这种强化作用不明显，主要原因是O₃浓度高，其本身已具有快速、高效杀菌作用，在短时间内，水中细菌已基本被杀灭，所以外加超声作用的效果就不明显。图6的结果则表明，当O₃的浓度下降至0.02mg/L时，超声协同O₃处理实验室配水23min，杀菌率可达99％，而单独O₃处理则需要30 min。由此可见，超声具有强化O₃杀菌的效果，在杀菌率同样达到99％的情况下，外加80 W超声，可以节省33％的O₃投加量；在O₃投加量相同的条件下，可以减少7 min的处理时间。当处理水样为实际生活污水时，超声协同O₃和O₃的杀菌效果不如实验室配水明显。其主要原因是实际生活污水存在其他污染物，这些污染物在处理过程中对细菌起了庇护作用。另一方面，生活污水中的细菌种类比较复杂，除了对O₃敏感的菌群外，可能也存在一些耐氧化的菌群。

　　　　　　

3 结论

　　① 超声杀菌效率明显依赖于超声电功率，随着超声电功率的增大，杀菌率提高，但运行费用随之增加。所以当采用超声杀菌时，合理的超声电功率为0.5～1.0W/mL。
　　② 超声对O₃的杀菌效果具有明显的强化作用。在同样99％杀菌率前提下，若处理时间相同，超声(80W、20kHz)协同O₃处理可节省33％的O₃投加量；当O₃投加量相同时，则可缩短处理时间。

　　③ 水中存在的污染物对超声强化O₃杀菌效果有明显的影响，表现在两个方面：一是某些污染物对超声作用下O₃、H₂O产生的自由基有捕获作用；二是这些污染物对细菌有庇护作用，结果降低了超声强化O₃杀菌效果。

参考文献

　　1 冯若，李化茂.声化学及其应用.安徽科学技术出版社，1992.6
　　2 Masschelein W J. Ozonization Manual for Water and Wastewater Treatment. John wiley and Sons Let, 1982
　　3 刘岩.水体有机污染物的超声空化降解研究近况.环境科学进展，1995；3(4)：77～78

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　　作者通讯处：250061 山东省济南市经十路73号 山东工业大学环境工程教研室
　　(收稿日期 1998-09-27)