水力空化技术及其在环境中的应用

当前水污染主要由工业废水、农业废水、生活污水等的排放造成，污染面广、种类复杂，对人们生产生活和身体健康产生严重威胁。面对严峻的水环境污染形势，各级政府以打好水污染防治攻坚战为抓手，牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，强化水污染综合治理。水力空化作为一种新型水污染处理技术，近年来成为国内外研究热点。水力空化所产生的微纳气泡在溃灭时会在局部产生热点，瞬态温度达10000K，压力约为108Pa。在这种极端条件下，水分子发生热分解反应产生高活性的HO·，HO·扩散到本体溶液中与有机污染物发生氧化反应，达到降解污染物的效果。该技术已被应用于环保领域，包括消毒杀菌、污泥处理以及各种有机（如农药、纺织染料和酚类物质等）污水的降解。此外，在废水处理中与其他化学试剂或技术结合使用，还可以降低化学品消耗，提高能源效率，降低运行成本。因此，对水力空化技术的研究和应用探索有着广阔的前景。
笔者结合近年来自身团队的研究成果，通过对水力空化这一技术内在本质的深入剖析与其在污染物处理中大量应用实践的介绍，结合国内外学者研究成果进行总结，并对该技术的未来发展做出展望。
本书共分为7章，第1章主要介绍水力空化的基本特征，第2章为水力空化的物理化学基础，第3章为水力空化强度的影响因素，第4章为水力空化降解有机污染物的研究，第5章为水力空化强化高级氧化技术降解有机污染物的研究，第6章为水力空化消杀微生物的研究，第7章为水力空化技术去除环境污染物的工程应用。
本书具有以下特点：
（1）实用性强
截至目前，国内尚没有关于水力空化技术相关的专门著作出版。在该技术应用过程中，缺少专业指导和相关书籍系统论述水力空化技术从发生条件到形成机制及生产应用这一过程中所涉及的理论基础、技术指导、应用支撑等内容。本书基于笔者近年来指导的博士、硕士论文以及国内外相关论文内容，从空化的本质以及应用的角度较为完整地诠释了水力空化技术目前的发展情况，弥补了我国水力空化技术著作的空白，对该领域学者们的研究有着一定的借鉴和参考作用。
（2）系统性强
本书在结构设计上，由浅入深，层层渗透，逻辑性很强，非常全面地阐述了相关理论知识以及国内外具有代表性的研究内容，从而使内容前后照应，具有较强的系统性。通过对本书的系统学习，可以基本了解水力空化现象的基本理论知识以及国内外的研究现状，为日后对水力空化技术应用的实际开展奠定基础。
（3）梳理了国内外对该领域的研究现状
在本书编写过程中，为更好地使读者了解水力空化技术的发展现状，分类整理了国内外大量相关教材、专著、论文和专利等，并对相关内容进行充分的解释，使本书更加通俗易懂。
本书是编委集体智慧的结晶，全书最后由宋有涛教授统稿并定稿。编委会成员孙丛婷教授、王子超教授、陈岩博士，博士研究生陈梦凡、吴琼、王欣若和硕士研究生隋佳依、庄凯、李佳琪、孙云鹏、吴倩倩等参与本书的撰写并帮助收集资料、整理、校对，他们做了大量烦琐并有价值的工作。在此对他们的鼎力相助表示由衷的感谢。另外，感谢国家自然科学基金委面上项目课题“水力空化对大肠杆菌与酵母结构功能的影响及作用机制研究”(41977205)、辽宁省 “兴辽英才计划” 项目（XLYC1802070）和辽宁省科协优秀自然科学学术著作出版项目对本书的资助，以及化学工业出版社为本书出版付出的辛勤劳动。
在本书编写过程中，参阅了国内外大量相关文献资料，得到了许多信息和启发，受益匪浅，从而使本书得以按计划完成。参考的文献尽可能在教材中列出，如有遗漏，敬请谅解。借此图书出版之际，再次对帮助和支持我们的所有人员表示发自内心的感谢。
限于时间及水平，疏漏及不足之处在所难免，敬请各位读者、专家、同行朋友惠予指正。

宋有涛

宋有涛，二级教授，博士生导师。
南开大学本科毕业，日本山口大学硕士，鸟取大学博士，美国国家卫生研究院（NIH）、中科院应用生态研究所博士后。2005~2011年，任辽宁大学科研处处长，2011~2022年，任环境学院院长，现任天津科技大学海洋与环境学院学术院长。主要从事环境科学与工程方面的研究。
被评为国务院政府特殊津贴专家、辽宁省优秀专家、辽宁省学术头雁、兴辽计划科技创新领军人才、辽宁省特聘教授等；近年来主持国家重大科技专项、国家自然科学基金等国家级课题8项，省部级等课题30余项；获辽宁省自然科学奖4项、省教学成果奖4项；发表论文160余篇，SCI收录100余篇；出版教材、专著8部，获国家专利20余项。

本书汇集了作者及团队在水力空化领域的多年科研和实践成果，以水力空化的发展历史、水力空化基本原理以及装置设备为基础，全面介绍了水力空化的基本特征、物理化学基础、水力空化强度的影响因素、水力空化降解有机污染物的研究、水力空化强化高级氧化技术降解有机污染物的研究、水力空化消杀微生物的研究、水力空化技术去除环境污染物的工程应用及案例解析。
本书具有较强的针对性及技术应用性，可供从事水力空化或水力空化联合其他高级氧化技术等相关领域的科研工作者、技术人员和管理人员阅读，也适合高等学校环境工程、市政工程、微生物等相关专业的师生参考。

第1章水力空化的基本特征1
1.1空化现象1
1.2空化的本质2
1.3各类型空化的应用3
1.4空化的分类5
1.5影响空化形成的因素6
1.6空化效应9
1.7水力空化的主要用途10
1.7.1降解有机物10
1.7.2化合物物理改性11
1.7.3灭活微生物11
1.7.4强化化合物的制备12
参考文献12

第2章水力空化的物理化学基础14
2.1水的相变特性14
2.2水相中气体的溶解性16
2.3液体空化的阶段及分类17
2.4水力空化的热力学模型18
2.4.1相变界面处液-气转变的热力学模型18
2.4.2空化泡动力学模型20
2.4.3空化泡的静态平衡21
2.5空化数、空化泡震荡和内爆24
2.5.1空化数24
2.5.2空化泡震荡和内爆26
2.6空化中的高级氧化过程28
2.6.1高温热解28
2.6.2自由基氧化30
2.6.3超临界水氧化30
参考文献31

第3章水力空化强度的影响因素33
3.1水力空化装置分类33
3.1.1文丘里管型33
3.1.2孔板型34
3.1.3液哨型35
3.2不同参数对空化强度的影响36
3.2.1空化腔形状36
3.2.2空化腔尺寸38
3.2.3空化腔数量42
3.2.4空化区域压力42
3.2.5操作温度46
3.3水力空化反应器的选择标准47
3.4流动介质参数48
参考文献49

第4章水力空化降解有机污染物的研究51
4.1水中有机污染物的分类51
4.2水中有机污染物的处理方法52
4.3水力空化在有机污染物降解中的应用54
4.3.1水力空化在农药降解中的应用54
4.3.2水力空化在抗生素降解中的应用55
4.3.3水力空化在染料降解中的应用57
4.3.4水力空化在其他污染物降解中的应用58
参考文献59

第5章水力空化强化高级氧化技术降解有机污染物的研究61
5.1高级氧化技术对有机污染物降解的效果及机理61
5.1.1光催化技术61
5.1.2超声催化降解63
5.1.3芬顿降解65
5.2高级氧化联用技术在有机污染物降解中的应用67
5.2.1超声-光催化降解有机污染物的研究进展67
5.2.2超声-臭氧氧化技术降解有机污染物的研究进展69
5.3水力空化与高级氧化技术协同降解有机污染物71
5.3.1水力空化强化臭氧技术降解典型污染物的研究71
5.3.2水力空化强化芬顿技术降解典型污染物的研究75
5.3.3水力空化强化光催化技术降解典型污染物的研究82
5.3.4水力空化强化其他高级氧化技术降解典型污染物的应用99
参考文献100

第6章水力空化消杀微生物的研究105
6.1水中的微生物105
6.1.1微生物的定义105
6.1.2原核微生物105
6.1.3真核微生物105
6.1.4病毒106
6.2水中微生物的消杀方法107
6.2.1化学消毒法107
6.2.2物理消毒法110
6.2.3联合消毒法111
6.2.4微生物失活机理112
6.3水力空化对微生物的影响114
6.3.1水力空化对细菌的影响114
6.3.2水力空化对酵母菌和真菌的影响115
6.3.3水力空化对微藻的影响116
6.3.4水力空化对病毒的影响117
6.4处理条件对水力空化性能的影响124
6.4.1处理温度的影响124
6.4.2出口压力入口流速的影响124
6.4.3旋转速度的影响125
6.4.4化学添加剂的影响126
6.4.5处理时间的影响127
6.4.6大肠杆菌初始浓度的影响127
6.4.7初始pH值的影响128
6.4.8共存无机阴离子的影响129
6.5水力空化对微生物的作用机制130
6.5.1水力空化消杀微生物的现有问题130
6.5.2水力空化对微生物的物理化学作用131
6.5.3水力空化对微生物组分的氧化作用132
参考文献133

第7章水力空化技术去除环境污染物的工程应用140
7.1水力空化技术应用概况140
7.2水力空化在污水处理中的应用140
7.2.1水力空化单独应用142
7.2.2与其他高级氧化法联用143
7.3水力空化在污泥的消化和减量中的应用145
7.3.1水力空化对污泥减量的影响145
7.3.2水力空化对污泥有机质溶解的影响146
7.3.3水力空化对污泥特性的影响147
7.3.4流体动力空化对胞外聚合物组分的影响148
7.4水力空化在微生物水处理中的应用149
7.5水力空化在城市垃圾填埋场渗滤液治理中的应用150
7.6水力空化在石油污染物处置中的应用152
参考文献153