摘要：作为声学研究领域的重要组成部分，超声在现代分离技术中的研究也取得了一定进展。已日益显示出其在各分离领域的重要性。
超声技术是一种新兴的、多学科交叉的边缘科学，在化工、食品、生物、医药等学科的研究开拓了新领域，并从应用上对上述工业产生重大影响。作为声学研究领域的重要组成部分，超声在现代分离技术中的研究也取得了一定进展。已日益显示出其在各分离领域的重要性。
1. 超声波技术机理
超声波防垢器主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。超声波的防垢机理主要表现在：
(1) "空化"效应
超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。根据理论和实践测算，用20KHz、50W/cm2的超声波对1cm3液体辐射时，其发生空化事件的气泡数为5×104/s，局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。
(2) "活化"效应
超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而OH 与成垢物质离子可形成诸如CaOH 、MgOH 等的配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放。
(3) "剪切"效应
水分子裂解产生的活性H 自由基的寿命比较长，它进入管道后将产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。而且因超声波辐射在垢层和管壁上，加热管上的吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，从而导致垢层产生疲劳而松脱。
(4) "抑制"效应
通过超声波的作用，改变了污水的物理化学性质，缩短了污泥的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、比表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于换热面上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率。实验研究表明，当污水的过饱和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则污泥的成核诱导期越短。
2. 超声波对污泥絮体尺寸的影响
用超声波对活性污泥的物理、化学和生物特性分别进行了研究。采用的超声波频率是20 kHz，作用时间是20～120 min 不等,未处理以前污泥絮体的平均粒径是98.9μm。在0.11 w/mL 的声能密度下,絮体尺寸几乎没有发生任何变化; 在0.22 w/mL 的声能密度下絮体粒径明显减少; 在0.33w/mL的声能密度下作用20 min 后絮体粒径迅速减至22 μm, 经120 min 减至4 μm; 在声能密度为0.44 w/mL时,经20 min 后絮体直径减至不足3μm,再延长时间则变化很小。分别考察了声能密度为0.11 w/mL 和0.33 w/mL的2种情况下超声波对污泥絮体尺寸的影响。发现在0.11 w/mL 声能密度下,絮体尺寸经60 min由31μm 减至20μm,尺寸减小了35 %;在0.33 w/mL声能密度下,不到20 min,絮体尺寸减至14μm。
3. 超声波对不同细菌的影响
在0.33 w/mL 声能密度下, 经40 min超声波处理后,异养菌减少了82 %,而大肠杆菌减少了99 %以上,并且溶解性COD 经60 min作用后提高了12 倍;而在0.11 w/mL 声能密度下,作用时间较短时, 异养菌和大肠杆菌变化不大, 只有在60 min以上才有明显减少,而且不管作用时间长短,溶解性COD 几乎保持不变,这种现象揭示在较高声能密度作用下,超声波可以把细菌分解,并使相当一部分固态COD 转变为溶解态。同时, 在0.11 w/mL和0.33 w/mL 之间存在一个阈值,超过此阈值,细菌的分解才会发生。
目前,超声波应用于污泥处理及减量存在的主要问题是超声处理运行参数优化、超声效率有待提高以及超声反应器的合理设计等。而且在进一步研究中应注意与污水处理工艺的合理组合,这样才能发挥超声波的特点,并为其在实际工程的应用打下基础。
4. 超声波分解污泥引起温度上升的现象
在声能密度为0.44 w/mL 时,2 min 内污泥温度超过了55 ℃。为了考察温度对污泥分解的影响,他们把反应器的温度控制在15 ℃左右,实验结果显示声能密度为0.11 w/mL 时,没有出现固态COD 转变为溶解状态;如果不进行温度控制,大约有2% 固态COD 转变为溶解态。这种效应在声能密度为0.33 w/mL 时更为明显。为此他们考虑了究竟是超声波还是超声波引起的热效应对溶解性COD 释放的作用。结果表明单独在温度高的情况下,不足以破坏絮体结构,所以他们认为超声空化和由此引起的温度上升对于污泥分解是同样重要的。
5. 结语
综上所述,在不同声能密度、不同作用时间下,超声波对其作用后的污泥分解程度、污泥絮体尺寸变化，以及伴随污泥分解,溶解性COD 释放情况和相应的温度上升现象等研究,为掌握超声波分解污泥的机理提供了研究基础。超声波功率一定时，频率低、作用时间长，去污效果较好；超声波频率一定时，功率大、作用时间长，去污效果较好。同时，超声波去污效果还与流体的流量与压力、液体的粘度与温度、超声波电源发生器与超声波换能器的距离(即传输电缆长度)、原已生成积垢的程度等因素有很大的关系。尤其是经超声作用后的污泥,颗粒态COD 转变为溶解态COD, 可充分利用这一特点并将其结合到污泥处理工艺中,提高污泥厌氧消化的能力;或结合到不同污水处理工艺中,形成微生物的隐性生长以达到污泥减量的目的，其推广价值在环保节能、提高工效、降低成本等诸方面具有广泛的意义。