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user: 4. HC的影响因子 在HC的组合工艺中，影响有机物降解程度的因子有三大方面：耦合工艺条件、废水和装置设计参数。 4.1. 耦合工艺条件 4.1.1. H 2 O 2 的负载量 在HC + H 2 O 2 的组合工艺中，H 2 O 2 的负载量是影响去除率的主要因素。负载量过少会导致羟基自由基的量不足；过多会致使COD升高，并且对微生物有害 [ 44 ]。因此，将H 2 O 2 的负载量调节至最佳剂量是非常重要的。M. Suresh Kumar等 [ 28 ] 研究了三元染料与H 2 O 2 在不同比例下的去除效果，在1:40时脱色率达到100%；当H 2 O 2 的浓度超过40 mol时，三元染料的脱色率降低。较多的H 2 O 2 加入本身就能消耗生成的·OH。也有较多研究报道了HC与H 2 O 2 结合存在最佳负荷量，如降解敌敌畏 [ 45 ]、甲基对硫磷 [ 46 ] 和罗丹明B [ 47 ]。 为了使去除效果最好，H 2 O 2 浓度必须保持在最佳值。另外，H 2 O 2 的最佳值与所处理污染物的类型有关。 4.1.2. Fe 2+ 浓度的影响 HC和Fenton的工艺组合取决于Fe 2+ 的负载量，跟Fenton工艺相似的是·OH是通过Fe 2+ 催化过氧化氢分解而产生的。优化Fe 2+ 的负载量是非常有必要的，因为过量的铁会产生过多的Fe 2+ ，导致消耗大量的羟基自由基，从而降低降解效率。在Kassim O. Badmus等 [ 39 ] 人的研究中，在组合工艺中加入0.5 mg/L Fe 2+ ，脱色率可达到90.8%；同时Fe 2+ 量增加到1 mg/L和2 mg/L时，脱色率分别为94%和94.96%。将Fe 2+ 的量从0.5 mg/L增加到1 mg/L会导致显着更高的脱色，而Fe 2+ 浓度从1 mg/L增加到2 mg/L没有对脱色程度产生重大影响。 4.1.3. 温度的影响 温度是影响HC技术降解程度的重要指标。温度升高会导致气蚀率降低，这是由于过量产生气泡，从而降低了气泡坍塌的能量(衰减效应) [ 46 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]。Dhanke P. B.等 [ 51 ] 研究了温度为25℃、30℃、35℃、40℃的条件下，对染料废水脱色率的影响，结果表明，低温有利于增强染料废水的脱色。这可能是因为溶液温度的升高导致液体蒸汽压和空化气泡中的蒸汽含量升高，从而产生缓冲效果。基于单腔的气泡动力学研究 [ 52 ]，也揭示了随着温度的升高，液体表面张力和粘度逐渐降低，但是蒸气压会显著增加，对气泡破裂没有明显的促进作用。 但也有研究发现，污染物的降解程度随着温度的升高而升高。这可能有两个主要原因：首先，随着温度的升高，水的粘度和表面张力降低，这有利于气泡的形成，从而形成更多的·OH [ 53 ]；其次，随着温度的升高，水分子的能量被认为增加了从液体到气体的转化，从而促进了反应 [ 54 ]。因此，由于高温条件下空化泡中产生了更多的自由基，最终的去除效果有时是不可预测的。 总体而言，建议空化现象发生在低温条件下；而在污染物中的自由基对整体降解程度有显著影响的情况下，可能存在最佳温度。 4.1.4. 时间的影响 污染物的去除率随着空化作用时间的增加而升高，这是因为被处理的污染物经过空化区的次数增加 [ 55 ] [ 56 ]。董志勇等 [ 57 ] 研究了水力空化作用时间对大肠杆菌灭火率的影响，研究发现在第15 min去除率达到100%。在第20 min菌落总数灭活率达到83.14%，并有随空化作用时间的增加而继续增大的趋势。但在实际的工业应用中，通过延长作用时间来提高去除率是需要耗费巨大的能量成本，因此，可通过与其他方式结合在短时间内达到较高的去除效果，减少电力等各方面的成本。比如：M. Suresh Kumar等 [ 28 ] 在120 min内，单独使用水力空化对废水TOC的去除率为8.53%，HC + H 2 O 2 矿化度为16.95%，HC + Fenton为38.42%。这表明在相同时间内是可以通过结合其他方法来协同提升污染物的去除率。总体而言，可以适当的延长反应时间，从而减小化学试剂的使用，同时降低了处理成本。 4.2. 废水参数 4.2.1. pH的影响 已有的研究发现，HC对有机物的降解通常发生在酸性条件下。酸性条件通过强化H 2 O 2 的分解和水的自旋转分解能更有效地促进羟基自由基的生成 [ 58 ]。此外，·OH的氧化能力在酸性条件下更高，这可归因于羟基的重组反应速率较低，仅在酸性条件下才有可能发生 [ 59 ] [ 60 ]。Rajashree H. Jawale等 [ 36 ] 研究了pH在2~10范围内对硫氰酸钾的影响，研究结果发现，降解率随着pH的升高而降低。M. Suresh Kumar等 [ 28 ] 研究了pH在3~9范围内对三元染料废水的去除效果，结果表明，当pH = 3时去除效果最好。除此之外，还有大量研究证明了在酸性条件下更有利于水力空化技术对有机物的降解 [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]。 然而，水力空化技术对微生物氧化的条件与对有机物的降解条件不同。HC对微生物的氧化通常在碱性条件下进行(pH > 7) [ 7 ]。碱性条件通过削弱细胞膜来改善氧化剂向微生物内部的运输。此外，高pH值有利于羟基自由基和形成细胞膜的磷脂之间的反应，导致它们破坏和分解整个细胞 [ 33 ]。 总体来说，在酸性条件下对有机物的去除率偏高，并建议在实验室研究分析，比较强化程度与pH调整所需的化学成本。 4.2.2. 初始浓度的影响 污染物的初始浓度是决定降解过程效率的最重要参数之一 [ 58 ]。已有研究表明，污染物的去除效率随着初始浓度的升高而降低 [ 65 ] [ 66 ]。随着污染物初始浓度的升高，降解过程会消耗大量的·OH，从而导致降解率降低。因此，污染物的初始低浓度是HC的最佳选择。 对于实验室研究，低浓度废水不会对实验研究造成太大的阻碍，很容易能够将高浓度废水稀释为低浓度废水。但对于工业应用就会造成很大的困难，一般工业废水大概有几万方，从成本角度，将如此大量的废水进行稀释显然是不可能的。因此，为了HC更好的应用，必须将其他的影响因素进行优化。 4.3. 装置设计参数 水力空化现象的发生主要是通过孔板、文丘里管、新型的旋转水力空化等装置。一套完整的空化装置主要由水力空化工作段、离心泵、转子流量计、节流阀、压力表以及相应的管道组成，对废水的去除效果除了与废水自身的因素有关之外，还与发生装置的设计参数有关。 4.3.1. 孔板 在利用孔板作为空化发生装置时，孔口形状的设计主要分为三角形、圆形和方形三种，目前孔口形状的设计对于去除率的比较尚未有过研究证明。而主要的影响因素主要有孔口大小、孔口排列、孔口数量。柳文菁等 [ 67 ] 研究了三角孔多孔板水力空化杀灭原水中病原微生物，表明增大孔口数量、减小孔口大小以及改进孔口排列方式(如交错式)时，均可进一步提高原水中病原微生物杀灭率。菌群杀灭率在5 min时可达到稳定高效杀灭值，15 min时菌落总数杀灭率可达80%以上，总大肠菌群和大肠埃希氏菌杀灭率均可达90%以上，甚至完全杀灭。刘昶等 [ 68 ]、时小芳等 [ 56 ] 研究了圆孔多孔板水力空化对大肠杆菌的杀灭效果，增加孔口数量、减小孔口大小、改进孔口排布可以进一步提高大肠杆菌的杀灭率。并表明水力空化的空化空蚀作用能够杀灭水中的大肠杆菌，是一种饮用水消毒的新技术。也有少部分研究利用方形孔口对难降解废水的试验研究 [ 69 ]。 但可以得知，去除效率的增加与孔口的形状无关，但增加孔口数量、减小孔口大小、孔口排布越错综复杂，处理效果会更好；主要是因为增加了空泡溃灭产生的射流之间碰撞次数，从而提升了去除率。 4.3.2. 文丘里管 文丘里管的设计参数主要有喉管的长、宽、高、扩散角。杨杰等 [ 43 ] 以文丘里管的喉部长度和扩散角为影响因子研究了对大肠杆菌的杀灭效果，当扩散角为4.3˚喉部长度为150 mm的时杀灭效果最好，文丘里管形成一个较长的负压区，更有利于空泡的产生和发育，增强了空化效应，从而提高了杀灭率。也有研究报道提高文丘里管杀灭率可通过减小喉管的长度和直径之比来实现 [ 70 ]。 4.3.3. 新型的水力空化发生器 近年来，也有诸多研究者自主研发一些新型的水力空化发生装置。Jurij Gostiša等 [ 71 ] 研究了一种针盘式水力空化旋转发电机，分别监测了对模拟废水和实际的工业废水的处理效果，结果表明，该新型装置的中试效果可以与实验室规模的最佳状况下的孔板和文丘里管装置处理能力相媲美。Xun Sun等 [ 72 ] 对新型的旋转式水力空化反应器的性能进行了研究，并进行了中试测试，与先前研究的旋转水力空化发生器相比，处理效果提升了150倍，费用减少了50倍。表明目前的旋转水力空化发生器在工业规模的应用中具有巨大的潜力。 新型的水力空化器主要通过电动机进行驱动，因此，转速成为了主要的影响因素。除了转速之外，一般认为流速是影响旋转式水力空化发生器空化强度的辅助因素。Mandar Badve等 [ 27 ] [ 73 ] 的研究中当转速为2200 RPM时，COD去除率达到最高的49%，达到2700 RPM时去除率下降至42%。空化强度随着转速的增加而增加，有机物的降解率也随之升高。但是当转速过高时会产生大量空腔，这些空腔会影响相邻空腔释放能量，导致对有机物的降解率降低。 4.3.4. 入口压力的影响 水力空化的强度是通过空化数决定的，而空化数与入口压力有着密切的关系。由于液体流量和速度的增加，空化数随着入口压力的增加而减少，这导致了空化数密度的增加 [ 74 ]。Kassim O. Badmus等 [ 39 ] 研究了利用HC + Fenton，以入口压力为影响因素对纺织废水中TOC的去除效果进行研究。结果表明，在入口压力为0.4 MPa的条件下，对TOC的去除率最高可达到74%，该结果与徐世贵 [ 62 ] 和Rajashree H. Jawale [ 36 ] 研究结论相似；另一方面，Saurabh M. Joshi等 [ 35 ] 研究了HC与AOPs组合强化处理工业废水的效果，探究了入口压力对去除COD的影响。研究结果表明，在入口压力为0.6 MPa时，COD的去除率最高达到63%；Pooja Thanekar等 [ 75 ] 研究了入口压力在0.24 MPa时，水力空化技术对苯的降解率最高。 以上研究说明，入口压力并不是恒定的，其可能取决于污染物和空化装置的类型 [ 58 ]。因此，为了获得最大的空化效应，必须优化进口压力。