水力空化現象的原理及其污水處理中的應用

1、 空化現象

空化現象是一種當液體中壓力受到外力作用而被壓縮到足夠低的臨界壓力時會在內部形成空腔，這些空腔內部充滿了蒸汽以及液體中的溶解氣體。在猛烈的壓縮下，這些充滿蒸汽和氣體的空腔會內爆，從而產生巨大的內爆力，引發局部熱點并釋放大量能量。溫度可高達500-15000K，壓力范圍是100-5000個大氣壓。

超聲波空化示意圖

在空化過程中，除了會產生高溫高壓之外，還會引起大量的物理化學變化。在極端空化條件下，水分子可以分解成多種具有高氧化電位的物種，包括羥基自由基（·OH）、·OOH、H2O2等，與污水中含有的有機化合物發生反應。同時，空化泡潰滅所產生的巨大內爆力和剪切力可以破壞有機污染物的分子鍵或使其熱分解，破壞微生物的細胞壁，從而達到降解大分子有機物，破壞污水中微生物的目的。此外空化泡潰滅產生的微射流，局部湍流和微循環，增強了反應物的氣液傳質，降低了系統傳質阻力。

因此空化被認為是一種有效且有前途的技術，廣泛應用于消毒、細胞破碎、污泥處理，有機物降解等領域。在污水處理方面于其他技術結合可達到減少藥劑、提高效率和降低成本的目的。

2、 水力空化

根據空化現象產生方式的不同，將其分為四種類型，分別是：光空化、離子空化、聲空化和水力空化。與其他空化技術相比，水力空化具有運行規模大、節能效果好、設備簡單等特點，是目前十分具有潛力的污水處理技術。

通常水力空化是通過液體的流量和壓力的變化所產生，利用節流閥使流體通道的橫截面變小，通過壓力降低從而獲取流速和動能的增加，與此同時會發生邊界層分離和湍流的發生，由于局部流體湍流，大量能量以永久壓降的形式損失，液體壓力隨著動能的增加而減小，當局部壓力降至空化閾值壓力時便開始產生空腔。

而當壓力恢復或上升到空化閾值以上時，空腔坍縮使微射流在液體收縮的下游產生湍流。這種變化可通過具有特定結構的裝置引發，不同裝置的結構與類型不同，但均主要起到節流閥作用。通常將水力空化裝置分為五種類型，分別是文丘里管、孔板型、旋轉式、基于渦輪類型和其他類型。

3、 水力空化與臭氧催化技術

與單獨使用水力空化相比，基于水力空化的協同技術具有更好的降解效率。將水力空化與其他高級氧化技術聯合使用，不僅可以促進污染物分子的降解，還可以減少處理時間和氧化劑的用量。其中，臭氧催化氧化憑借其非選擇性以及環境友好性等優勢在全球環境治理領域受到了廣泛的關注。

臭氧，氧化電位為2.07eV，它以空氣或氧氣為氣體來源，通過臭氧發生器產生，在堿性溶液中具有很強的氧化性能。然而，單獨的臭氧反應僅對芳香環和不飽和烴等具有特定官能團的有機化合物有效，對飽和烴、醇、醛、酮和羧酸等物質不起作用。此外，臭氧在溶解到溶液中之前很容易分解為氧氣，并起到有效氧化的作用。

水力空化與臭氧的組合過程表現出良好的協同效應，在水力空化條件下，臭氧即可分解為氧化電位較高的·OH（2.8eV），氧化效果僅次于氟（3.0eV）。一方面，該組合系統可以在臭氧較少的情況下顯著提高污染物的去除效率。另一方面，這一運行過程不會產生副產物并造成二次污染。節省能源的同時降低運營成本。

結合水力空化技術的臭氧高級氧化裝置應用案例

科力邇科技研發的CDOF(Cyclonic Dissolved Ozone Flotation unit)創造性地將臭氧高級氧化技術、空化超臨界催化、旋流技術和溶氣氣浮技術有機結合，實現各種難處理廢水高效綜合去除，在多個污水處理工程案例中取得了良好的應用效果。