水力空化现象的原理及其污水处理中的应用

1、 空化现象

空化现象是一种当液体中压力受到外力作用而被压缩到足够低的临界压力时会在内部形成空腔，这些空腔内部充满了蒸汽以及液体中的溶解气体。在猛烈的压缩下，这些充满蒸汽和气体的空腔会内爆，从而产生巨大的内爆力，引发局部热点并释放大量能量。温度可高达500-15000K，压力范围是100-5000个大气压。

超声波空化示意图

在空化过程中，除了会产生高温高压之外，还会引起大量的物理化学变化。在极端空化条件下，水分子可以分解成多种具有高氧化电位的物种，包括羟基自由基（·OH）、·OOH、H2O2等，与污水中含有的有机化合物发生反应。同时，空化泡溃灭所产生的巨大内爆力和剪切力可以破坏有机污染物的分子键或使其热分解，破坏微生物的细胞壁，从而达到降解大分子有机物，破坏污水中微生物的目的。此外空化泡溃灭产生的微射流，局部湍流和微循环，增强了反应物的气液传质，降低了系统传质阻力。

因此空化被认为是一种有效且有前途的技术，广泛应用于消毒、细胞破碎、污泥处理，有机物降解等领域。在污水处理方面于其他技术结合可达到减少药剂、提高效率和降低成本的目的。

2、 水力空化

根据空化现象产生方式的不同，将其分为四种类型，分别是：光空化、离子空化、声空化和水力空化。与其他空化技术相比，水力空化具有运行规模大、节能效果好、设备简单等特点，是目前十分具有潜力的污水处理技术。

通常水力空化是通过液体的流量和压力的变化所产生，利用节流阀使流体通道的横截面变小，通过压力降低从而获取流速和动能的增加，与此同时会发生边界层分离和湍流的发生，由于局部流体湍流，大量能量以永久压降的形式损失，液体压力随着动能的增加而减小，当局部压力降至空化阈值压力时便开始产生空腔。

而当压力恢复或上升到空化阈值以上时，空腔坍缩使微射流在液体收缩的下游产生湍流。这种变化可通过具有特定结构的装置引发，不同装置的结构与类型不同，但均主要起到节流阀作用。通常将水力空化装置分为五种类型，分别是文丘里管、孔板型、旋转式、基于涡轮类型和其他类型。

3、 水力空化与臭氧催化技术

与单独使用水力空化相比，基于水力空化的协同技术具有更好的降解效率。将水力空化与其他高级氧化技术联合使用，不仅可以促进污染物分子的降解，还可以减少处理时间和氧化剂的用量。其中，臭氧催化氧化凭借其非选择性以及环境友好性等优势在全球环境治理领域受到了广泛的关注。

臭氧，氧化电位为2.07eV，它以空气或氧气为气体来源，通过臭氧发生器产生，在碱性溶液中具有很强的氧化性能。然而，单独的臭氧反应仅对芳香环和不饱和烃等具有特定官能团的有机化合物有效，对饱和烃、醇、醛、酮和羧酸等物质不起作用。此外，臭氧在溶解到溶液中之前很容易分解为氧气，并起到有效氧化的作用。

水力空化与臭氧的组合过程表现出良好的协同效应，在水力空化条件下，臭氧即可分解为氧化电位较高的·OH（2.8eV），氧化效果仅次于氟（3.0eV）。一方面，该组合系统可以在臭氧较少的情况下显著提高污染物的去除效率。另一方面，这一运行过程不会产生副产物并造成二次污染。节省能源的同时降低运营成本。

结合水力空化技术的臭氧高级氧化装置应用案例

科力迩科技研发的CDOF(Cyclonic Dissolved Ozone Flotation unit)创造性地将臭氧高级氧化技术、空化超临界催化、旋流技术和溶气气浮技术有机结合，实现各种难处理废水高效综合去除，在多个污水处理工程案例中取得了良好的应用效果。