布艺之家讯：利用超声波净化工业废水是一种新型废水处理技术。当一定数值强度的超声波作 用于某一液体系时，就会与其传声媒质发生相互作用并产生包括机械效应、空化效应、热效应等特殊效应，使得废水中的污染物在高温高压下或羟基自由基作用下降 解[3]。
蜡染工艺中，为了增大染料在水中的溶解度、提高染料的上染率和固着能力，通常在印花阶段加入尿素，大量尿素的加入导致出水中氨氮浓度严重超标。目前国内比 较常用的印染废水氨氮处理工艺有生物活性污泥池处理法、物理化学处理法和膜处理法等。但是由于近年来化学纤维织物的发展、仿真丝的兴起，大量生物难降解的 有机物助剂滞留在印染废水中，对微生物产生抑制作用[1-2]，大大降低了生化处理效率。
目前研究最多的是超声波对有机物的降解，对超声及其联合技术对氨氮的去除尤其机理方面的研究较少。本实验在传统吹脱氨氮方法的基础上，引入超声 波辐射技术，将二者联合来去除印染废水中的氨氮，考察初始pH值、超声功率、温度对氨氮去除率的影响，比较单独吹脱和超声吹脱联合的脱氮效果，并初步探索超声吹脱去除氨氮的机理。
1·实验部分
实验用废水来自某印染厂印花工艺出水，废水水质如下：pH值：13，氨氮：280mg/L；COD：8320mg/L；BOD5：789mg/L；BOD5/COD=0.095废水可生化性差。
1.1主要试剂和仪器设备
主要试剂：盐酸（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）、硼酸（分析纯）、硫酸（分析纯）、碳酸钠（分析纯）、重铬酸钾（分析纯）、硫酸亚铁铵（分析 纯）、叔丁醇（分析纯）。实验所用其它试剂均为分析纯，实验用水均为无氨水。主要仪器设备：超声波发生器（KQ-500DE型，昆山市超声仪器有限公 司）、pH计（PHS-2F型数字pH计，上海精密科学仪器有限公司）、气泵（SP-780型高级气泵，中山市日胜电器制品有限公司）、氨气检测仪 （CPR-B3型，北京斯耐格科技有限公司）
1.2试验方法
试验方法为：取印染废水1000mL于烧杯中，用NaOH或HCl调pH值到一定值，将烧杯置于超声波发生器中，将气泵放入烧杯，调节超声功率、温度到一定值，间隔一定时间取样，测定氨氮浓度。
1.3分析方法
pH值：pH计；氨氮：蒸馏-酸碱滴定法；COD：重铬酸钾法；氨气：氨气检测仪；BOD5：稀释接种法。
2·结果与讨论
2.1超声功率对氨氮去除率的影响
废水pH值为13，温度为30℃，调节超声功率为不同值，超声吹脱150min后进行水质分析，实验结果如图1所示。由图可知，当超声功率小于 100W时，废水中氨氮的去除率随着超声功率的增加呈上升趋势；当超声功率为100W时，氨氮去除率达到90.78%；当超声功率超过100W以后，氨氮 的去除率随着超声功率的增加呈下降趋势。超声功率是影响超声辐射空化效应的重要因素。一般地，当超声频率一定时，超声功率强度的增加会增强空化效应。这是 因为当超声功率增加到一定强度，达到或超过空化阈声压时较易产生空化气泡。但是当超声功率较大时，所产生的空化泡没有足够的时间崩溃，导致空化效应减弱 [4]。综上可知，并不是超声功率越大越有利于促进氨氮的去除。
2.2 pH值对氨氮去除率的影响
设定超声波功率为100W，温度为30℃，调节水样pH值到一定值，吹脱150min后，分别取样分析，实验结果如图2所示。由图可知，随着pH 值的增加氨氮的去除率呈上升趋势。氨氮废水中存在以下平衡关系：NH3+H2O→NH4++OH-，该平衡关系受废水pH值的影响。当pH值增大的时候， 平衡向左移动，体系中游离氨氮增加，随着吹脱进行，NH4+不断转化成氨气，一部分氨气直接从体系中散失，一部分进入空化泡内进行高温热解。因此，pH值 增大有利于氨氮的去除。
2.3温度对氨氮去除率的影响
设定超声波功率为100W，不改变原水的pH值，调节温度为一定值，吹脱150min后，取样分析，实验结果如图3所示。由图可知，随着温度的升 高氨氮的去除率呈上升趋势，20℃时氨氮去除率最高达到76.02%，30℃时氨氮去除率最高达到90.78%，随着温度的再次提升，氨氮去除率提高的幅 度很小。由于气体在废水中的溶解度随温度的升高而降低，因此，升高温度对吹脱废水中的氨氮是有利的。但是，温度升高会导致气体溶解度减小、表面张力降低、 饱和蒸汽压增大，蒸汽更易于进入空化泡，降低空化强度，而减缓反应速度和降低反应产率。由于两者的共同作用，必将存在一个超声吹脱实验的最佳吹脱温度。由 实验结果可以看出，虽然温度为40℃时氨氮的去除率比30℃时氨氮的去除率有一定的提高，但提高的幅度很小，并且随着温度的升高必定会受到各种实际条件的 限制。综合考虑可以得出，采用超声吹脱法处理氨氮废水比较适宜的温度范围应该在30℃左右。
2.4超声吹脱与单独吹脱氨氮去除率的比较
对1L印染废水分别进行超声吹脱、单独吹脱实验，超声波功率为100W，温度为30℃，实验结果如图4所示。由图可见，超声吹脱对氨氮的去除率明 显高于单独吹脱，90min时氨氮去除率达到了83.02%。这是因为，超声降解的主要机制是空化机制，吹脱可使溶液中的气泡核浓度增大，更多的气泡核在 超声辐射下激活。溶液中气泡核的增多不但使超声能量有效利用率提高，而且使体系中空化效应发生点密度增大，更多的氨气进入气泡核被高温热解。同时，超声波 将气泡粉碎成更多微小气核，其直径可达0.2~0.3μm，而一般从曝气头释放出的气泡直径为0.5~1.0mm，微小气核总表面积比一般气泡的总表面积 高10~104倍[5]，增大了气液接触面积。另外，空化产生的高温高压足以使空化气泡表层的水分子超过临界状态而成为超临界水。在超临界状态下，水分子 间的氢键作用减弱，溶质分子即氨气的扩散系数增大，传质速度大大加快，氨气更易于从体系散失。
2.5超声与氨氮作用产物的确定
研究表明，超声辐射对易挥发物质的降解途径主要是空化气泡的热分解[6]，而游离氨属于易挥发性物质，因此，超声辐射对氨氮的降解途径可能是废水 中的游离氨进入空化泡，在高温高压条件下热解成氮气和氢气。本实验中用具塞广口瓶作为反应容器，把U型玻璃管一端插入容器液面以上，另一端连接氨气检测 仪。在超声波功率为100W，温度为30℃条件下，不改变废水pH值，对1L废水分别进行单独超声、单独吹脱、超声联合吹脱30min后测定反应系统中氨 气的浓度。结果表明，单独超声时检测到氨气浓度为0mg/L；单独吹脱时检测到氨气浓度为30mg/L；超声联合吹脱时检测到氨气浓度为12mg/L，小 于单独吹脱时产生氨气的浓度。由此推断，单独超声时去除的氨氮并不是以氨气的形式从体系中散失，而是游离氨在超声波作用下产生的空化泡内高温热解成氮气和 氢气从体系中散失；单独吹脱时去除的氨氮是以氨气的形式从体系中散失；超声联合吹脱去除氨氮兼有两种途径。
2.6叔丁醇对超声去除氨氮的影响
超声辐射降解废水中的污染物的途径主要是在空化效应作用下，污染物通过高温热解或者自由基反应两种历程进行。在超声空化产生的局部高温、高压环境 下，水被分解产生羟基自由基，自由基进一步引发分子的断裂和氧化降解。同时，在空化泡崩溃的极短时间内，会在其周围的极小空间范围内产生出 1900-5200K的高温和超过50MPa的高压，温度变化率高达109K/s[7]，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流。这些条件足 以打开结合力强的化学键，并促进高温热解。为了探索超声去除氨氮的机理是高温热解还是自由基反应，本实验考察了不同浓度的叔丁醇对超声去除氨氮的影响。叔 丁醇是一种很强的羟基自由基捕获剂，因此，对于遵循羟基自由基反应机理的氧化系统，叔丁醇的存在会抑制对污染物的降解[8]。
在1L印染废水中分别投加0.0mmol、1.0mmol、2.0mmol叔丁醇，在超声波功率为100W，温度为30℃时超声吹脱150min 后氨氮去除率分别为：83.02%、82.98%、83.07%。对于超声吹脱去除氨氮，如其遵循自由基反应机理，那么当有叔丁醇存在时，将对氨氮的去除 率产生负作用。试验结果表明，投加1.0mmol叔丁醇并没有抑制超声对氨氮的去除。增加叔丁醇投加量到2.0mmol，氨氮去除率仍没有明显变化，证实 了羟基自由基反应并非超声吹脱去除氨氮的主导反应机理。超声吹脱去除氨氮的机理是游离氨的高温热解。
3·结论
（1）超声吹脱对该印染厂印染废水中的氨氮有较好的去除效果。在初始pH值为13，超声波功率为100W，温度为30℃条件下反 应150min后，氨氮去除率可以达到90.78%，与传统的吹脱技术相比提高了30%~40%，废水中氨氮浓度小于25mg/L，可达国家二级排放标 准。
（2）印染废水的初始pH值、超声功率、温度对超声吹脱去除氨氮的效果有很大程度的影响，在一定范围内，废水中氨氮的去除率随这三种因素的增大而呈上升趋势；
（3）超声吹脱去除氨氮的机理主要是废水中的游离氨在超声辐射产生的空化效应下高温热解成氮气和氢气，同时氨气在空化效应产生的超临界状态下传质 速度大大加快，在吹脱条件下更易于从废水中散失。另外，吹脱能使溶液中产生更多气泡核，促进超声辐射产生的空化效应。超声与吹脱协同作用大大提高了废水中 氨氮的去除率和反应速率。
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