图1 超声气爆洗膜

传统的水处理工艺已经无法有效地去除越来越复杂的有机物种类。各种新工艺随之不断被开发，以有效去除环境水体、原水、废水中的有机物。超声波作为一种高效、清洁的高级氧化技术，可以很好地应用于有机物的降解处理。

水处理技术已从最初的自然净化，发展到今日的多种高级氧化技术，但似乎还是跟不上水处理的脚步，人们不得不相继研究新技术，开发新产品来进行水处理。然而人们发现当前的单一高级氧化水处理技术，也难以治理现代所产生的工业废水，水处理未来必定是多种高级氧化技术的联合使用，与最优协同组合，才能整体发挥各种技术的最佳状态，于是就诞生了一个新技术——超声波水处理技术。

超声在液体中波长为10~0.015cm（相当于15kHz~10MHz），远远大于分子的尺寸，因此超声波对有机物的降解不是直接的声波作用，而是和液体中产生的空化气泡的崩灭有密切关系，其动力来源是声空化。足够强度的超声波通过液体时，当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，存在于液体中的微小气泡（空化核）就会迅速增大，在相继而来的声波正压相中气泡又绝热压缩而崩灭，在崩灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲，气泡周围微小空间形成局部热点，其温度高达5000K，压力达500atm，持续数微秒之后，该热点随之冷却，冷却率达109k/s，并伴有强大的冲击波（对均相液体媒质）和时速达400km的射流（对非均相媒质）。这就为有机物的降解创造了一个极端的物理环境（见图1）。

超声波清洗膜污染

谈及水处理技术不得不说到膜技术，作为材料科学和过程工程等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的膜技术，在全球范围内受到了前所未有的高度重视。膜产业被誉为发展潜力巨大的朝阳产业，在21世纪的环保、能源、化学工程与生物工程等产业中将扮演者战略性角色。从本世纪伊始，全球膜市场保持着强劲的增长势头。

膜法水处理技术与传统水处理技术相比的优势

膜工艺占地面积小，为用户节省土地成本，在土地资源紧张的情况下是个很重要的优点。

膜工艺与传统的污水处理方法比较，处理出来的水质非常稳定。传统方法，比如活性淤泥法的问题是，如果污水水质不一样，加药量就要有所改变，调整运行需要很好的经验，很难做得非常完美。所以用传统方法处理出来的水质会有变动，时好时坏。而膜是单纯的物理分离方式，不管水质怎样，得到的水永远是一样水质的，不会因为处理工艺、技术、操作或原水的水质而发生变化。

人工成本较低。有人说，膜法的人力成本仅仅是传统法的1/10。而且传统法必须需要一些有经验的运行操作工去管理，而膜的特点就是可以做成高度自动化，实现无人全自动处理，所以人力成本是非常节省的。

但是相对传统的水处理技术，膜由于技术流程的问题，在压力下不可避免的会被栓塞，会被污染，会断丝，必须定期舒塞，清洁，检查，后期运营成本相对较高，且容易造成二次污染。企业承受不住高昂的水处理成本，不得不回归传统水处理技术，处理费时费事，质量也难以得到保障，形成了一个恶性循环，最终导致水资源的浪费和污染。

目前膜的优点没有完全展示出来，有一个很大的原因，是膜的清洗问题没有彻底解决，现在膜的清洗方式是在线气水结合反冲洗、离线化学药剂清洗、压力反冲洗与药剂化学清洗，从清洗的角度上分析，这种清洗效率是极低的，造成膜的渗透力减弱，也就造成效率减低，膜的寿命碱短。

超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。

图2 超声波污泥减量工艺图

超声波清洗的基础

空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。

加速度：液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。

直进流作用：超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。

超声波清洗的原理

由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50~500μm的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时,气泡迅速增大，然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面，使油被乳化,固体粒子及脱离，从而达到清洗件净化的目的。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成几百度的高温和超过1000个气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面清洗净化的目的。

超声波清洗膜的方式

在线清洗：小型一体化的膜法水处理设备，可以结合膜的排列方式，结合超声波清洗，设计成一体化形式。

离线清洗：停机后的离线清洗，目前一般都是采用化学清洗方式，采用超声波清洗，可以大大节省人力，提高清洗效率与清洗效果。

超声波污泥减量技术

污泥正在成为我国污水处理界各种悲喜故事的主角，人们对污泥的看法也千差万别，涵盖了从“资源”到“负担”两种极端情况之间的所有可能。污泥问题实际上是浓缩了的污水问题，进水携带的COD有80%左右进入污泥，只有20%在污水处理过程中被降解或者随着出水排走。因此可以说，污泥问题解决不好，污水厂投资的环境效益就没有完全发挥出来。

污泥减量化是在20世纪90年代提出的对剩余污泥处置的新概念，是在对剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。污泥的减量与减容有着本质的区别。减容是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积，而污泥中生物固体量几乎得不到减少。减量则是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少，主要是依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解等，所以减量是从根本上、实质上减少污泥量。

所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的前提下，采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术。任何一种污泥减量技术都应在减少污泥产量的同时，不影响工艺的效率或效能。目前一些研究重点都是针对活性污泥的增生污泥的减量。而活性污泥工艺是发展得比较完善的工艺，其进一步的改进应满足如下要求：经济可行，便于操作管理，有远期效益。

超声波是指在较高的声强作用下，特别是低中频（低于1?MHz）范围内，超声波会在水相产生大量的寿命约为0.1μs空化穴，其在爆炸的瞬间产生短暂的强压力脉冲，并于气泡周围的微小空间内形成局部高温、高压点，这种高温高压可以引起一系列物理化学效应，数微秒后，该热点以109k/s的速率迅速冷却。在冷却过程中，产生强大的冲击波与高速射流，微小气泡的爆炸可以产生高强的水力剪切力，从而将微生物的细菌壁破解，所以超声波是一种破解污泥的有效方法，同时也可加速污泥水解速度缓慢的问题。其中超声波细胞处理器能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少了污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量，超声波污泥减量工艺见图2。

“超声波污泥减量化系统”是一种目前为止最先进的污泥可溶化回流减排技术，能让污泥中的微生物体外多糖类物质溶解，并将其细胞壁打破，使细胞内营养基质、碳源、生物酶、RNA、DNA、碳水化合物等释放出来，作为微生物的营养源被分解，另外也把难降解的、颗粒态COD转化为低分子的、易被生物降解的COD，然后将其回流至污水处理系统生物处理段的缺氧段中，有效补充生物处理过程中所需的碳源，不但达到强化生物脱氮除磷的目的，而且可实现减少污泥的排放量的目的。同时也可做为污泥减量厌氧消化工艺和污泥脱水的预处理而大幅度减少污泥消化时间和泥饼含水率。“超声波污泥减量化系统”是一种洁净的污泥处理技术，能够从源头上减少生物固体量，减少复杂的污泥后处理设备。可以和其他的污泥减量化工艺（如碱氧化、臭氧氧化工艺等）联合使用，不影响污水处理的整体工艺和效果。

未来展望

处理废料，德国与欧盟的共同方针是：首先尽量避免产生废料,其次废料的回收利用,最后作为垃圾处理。欧美发达国家的很多案例告诉我们：废水、污泥、固废、垃圾也是能源，对它们的处理处置也是一门科学。相信超声波高级氧化技术能够在膜清洗和污泥减量中发挥更大的作用。