水力空化在废水处理的应用中英文Word文档格式.docx

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Receivedinrevisedform8October2015修改接收日期2015.10.08

Accepted15October2015接受日期2015.10.15

AvailableonlineXXXX

Keywords：

关键词

Wastewater废水

Cleaning净化

Hydrodynamiccavitation水力空化

Pharmaceuticals药物

Cyanobacteria蓝藻

Microalgae微藻

Viruses病毒

Legionellabacteria军团菌

ABSTRACT

摘要

Theuseofacousticcavitationforwaterandwastewatertreatment（cleaning）isawellknownprocedure.Yet,theuseofhydrodynamiccavitationasasoletechniqueorincombinationwithothertechniquessuchasultrasoundhasonlyrecentlybeensuggestedandemployed

声空化用于水和废水处理（净化）是一个众所周知的过程。

然而，水力空化作为一种单独的技术或与其他技术（如超声波）结合使用直到最近才被建议和使用。

Inthefirstpartofthispapergeneraloverviewoftechniquesthatemployhydrodynamiccavitationforcleaningofwaterandwastewaterispresented

本文第一部分介绍了应用水力空化作为水、废水净化技术的发展概况。

Inthesecondpartofthepaperthefocusisonourownmostrecentworkusinghydrodynamiccavitationforremovalofpharmaceuticals（clofibricacid,ibuprofen,ketoprofen,naproxen,diclofenac,carba-mazepine）,toxiccyanobacteria（Microcystisaeruginosa）,greenmicroalgae（Chlorellavulgaris）,bacteria（Legionellapneumophila）andviruses（Rotavirus）fromwaterandwastewater.

在本文的第二部分中，重点介绍了我们用流体力学空化技术去除水和废水中药物（环丙酸、布洛芬、酮洛芬、萘普生、双氯芬酸、卡巴-马西平）、有毒蓝藻（铜绿微囊藻）、绿藻（小球藻）、细菌（嗜肺军团菌）和病毒（轮状病毒）的最新工作。

Aswillbeshown,hydrodynamiccavitation,likeacoustic,canmanifestitselfinmanydifferentformseachhavingitsowndistinctivepropertiesandmechanisms.Thiswasuntilnowneglected,whicheventuallyledtopoorperformanceofthetechnique.Wewillshowthatadifferenttypeofhydrodynamiccavitation（differentremovalmechanism）isrequiredforsuccessfulremovalofdifferentpollutants.

正如将显示的那样，流体动力空化和超声空化一样，可以以许多不同的形式表现出来，每种形式都有其独特的特性和机制。

到目前为止，这一点一直被忽视，最终导致了这项技术的糟糕表现。

我们将证明，成功去除不同的污染物需要不同类型的水力空化（不同的去除机制）。

Thepathtousehydrodynamiccavitationasaroutinewatercleaningmethodisstilllong.butrecentresultshavealreadyshowngreatpotentialforoptimisation,whichcouldleadtoalowenergytoolforwaterandwastewatercleaning.

将水力空化作为常规的水净化方法还有很长的路要走。

但最近的结果已经显示出巨大的优化潜力。

这可能会导致一种用于水和废水净化的低能耗工具。

1.Introduction

1.引言

Availabilityofwaterisbecominganincreasingconcernintheglobalisedworld,bothindevelopedandindevelopingcountries.

在全球化的世界里，无论是发达国家还是发展中国家，水的可获得性正成为一个日益令人担忧的问题。

Asustainableuseofwatersourcescouldresultinthesearchofadditionalwatersourcesoreveninrecyclingwastewatertreatmentplanteffluents[1].Thegoalofbiologicalwastewatertreatmentisastepwiseoxidationoforganicpollutantsaimingtoachievecompletemineralisation.Yet,numerouswastewaterconstituentsarepersistenttobiodegradationortheyareonlysubjectedtominorstructuralchangesinsteadofcompletetransformationintocarbondioxideandwater.Alternatively,theymaybeeliminatedbyapplyingadvancedabiotictreatmentprocessessuchasmembranefiltration,UVdegradation,ozonation,advancedoxidationprocesses,oneofthembeingcavitation.

水资源的可持续利用可以导致寻找更多的水源，甚至可以回收废水处理厂的污水[1]。

生物废水处理的目标是逐步氧化有机污染物，以达到完全矿化。

然而，许多废水成分都是顽固而难以生物降解的，或者它们只受到微小的结构变化的影响，而不是完全转化为二氧化碳和水。

或者，可以通过应用先进的非生物处理工艺如膜过滤、UV降解、臭氧氧化、高级氧化工艺来消除它们，其中之一是空化。

Cavitation,ie.theappearanceofvapourcavitiesinsideaninitiallyhomogeneousliquidmedium,occursinverydifferentsituations.Itcanbedefinedasthebreakdownofaliquidmediumunderverylowpressures.Thismakescavitationrelevanttothefieldofcontinuummechanicsanditappliestocasesinwhichtheliquidiseitherstaticorinmotion.Whenanoscillatingpressurefieldisappliedoverthefreesurfaceofastaticornearlystaticliquidcontainedinareservoir,cavitationbubblesmayappearwithintheliquidbulkiftheoscillationamplitudeislargeenough.Thistypeofcavitationisknownasacousticcavitation.However,cavitationcanalsooccurinaliquid,whichisinmotion.Inliquidflows,thisphasechangeisgenerallyduetolocalhighvelocities,whichinducelowpressures.Theliquidmediumisthen"

broken"

atoneorseveralpointsofweakness（gasbubbles,impurities）andlarger"

voids"

（bubbleclouds）appearwhoseshapedependsstronglyonthestructureoftheflow.Inthedevelopedcavitation,whichisthefocusofthepresentstudy,theflowfollowsadistinctivepatternwherecavitationstructuresofdifferentshapesandsizesareshedfromtheattachedcavity（Fig.1a）-theflowisfromtherighttotheleft.

空化，即。

在完全均匀的液体介质中，蒸汽腔的出现是在非常不同的情况下发生的。

它可以定义为液体介质在极低压力下的击穿。

这使得空化与连续介质力学领域相关，它适用于液体是静止或在运动的情况。

当振荡压力场作用于水池中含有的静止或接近静止液体的自由面上时，如果振荡幅度足够大，液体内部可能会出现空化气泡。

这种类型的空化称为声空化。

然而，空化也可能发生在运动中的液体中。

在液体流动中，这种相变通常是由于局部高速度引起的低压力。

然后，液体介质在一个或几个弱点（气泡、杂质）处“破裂”，出现较大的“空洞”（泡沫云），其形状强烈地取决于流动的结构。

在本研究的重点--空化的发展过程中，水流遵循不同形状和大小的空化结构从附着的空穴中脱落的独特模式（Fig.1a）-水流是从右到左的。

Developedcavitationoccurswhenthepressuredifferencebetweentheouterflowandtheinsideoftheattachedcavity,forcesthestreamlinestocurvetowardsthecavityandthesurfacebeneathit.Thiscausestheattachedcavitytocloseandtheformationofastagnationpointatwhichtheflowissplitintoouterflowwhichreattachestothewallandthere-entrantjetwhichtravelsupstream,carryingasmallquantityoftheliquidtotheinsidethecavity.Asthere-entrantjettravelsupstreamitloosesmomentum,turnsupwardsand"

cuts"

theattachedcavity,causingcavitationcloudseparation（shedding）.Thecloudisthenentraineddownstreambythemainflowandcanviolentlycollapseinaregionofpressurerecovery.Duringtheseparation,circulationaroundthestructurecanappear,causingittoreshape,breakupetc.Meanwhiletheattachedcavitybeginstogrowandtheprocessisperiodicallyrepeated.

当外部气流和附着的空腔内部之间的压差迫使流线向空腔及其下面的表面弯曲时，就会产生空化。

这导致附着腔关闭，并形成停滞点，在该停滞点处，流被分成重新附着到壁上的外部流和携带少量液体到腔内的上游流动的可再入的射流。

在该停滞点处，流体被分割成重新附着到壁上的外部流和携带少量液体到腔内的可再入的射流。

当再入射流逆流而上时，它会失去动量，向上翻转，“切割”附着的空腔，导致空泡云分离（脱落）。

然后，云被主流卷到下游，在压力恢复的区域可能会猛烈坍塌。

在分离过程中，可能会出现结构周围的循环，导致结构重塑、破裂等。

与此同时，附着的空腔开始增长，并周期性地重复这一过程

Asthesystempressureisdecreasedortheflowvelocityisincreasedasmallcavitywillextendandgrowlongerandlonger.Itbecomesasupercavityassoonasitceasestocloseonthecavitatorwallbutinsidetheliquid,downstreamofthecavitator（Fig.1b）-theflowisfromtherighttotheleft.Supercavitatingflowshowsonlyonequasisteadyvapourfilledlargescalecavitywherelargerdisturbancesinpressureandtemperatureareuncommon-itisnotaccompaniedbynoise,vibrationanderosion,whichwouldmaketheoperationofarealfacilitysomewhateasier.

随着系统压力的降低或流速的增加，一个小空腔将会扩大并变得越来越长。

一旦它停止关闭在空化器壁上，而是关闭在空化器下游的液体内部时，它就变成了超空化穴（图1B）-水流从右到左，超空化流显示只有一个准稳定的蒸汽填充的大型空腔，其中较大的压力和温度扰动是不常见的-它不伴随噪音、振动和侵蚀，这将使实际设施的操作变得更容易。

Despitemanyobviousdifferencesinappearance,onasmallscaletheprincipleswhichgovernthehydrodynamicbubbleandtheacousticbubblearebasicallythesame.Oncethecavitationbubbleisgenerated,itmayundergoaviolentcollapseduringwhichanintenseshockwaveisemitted.

尽管在外观上有许多明显的不同，但在小范围内，支配水力空化泡沫和超声空化泡沫的原理基本上是相同的。

一旦产生空化泡沫，它可能会经历猛烈的坍塌，在此期间会发出强烈的冲击波。

PressuresuptoaGparangeandhighlocaltemperatures,intheorderof10000Kcanbeexpected[2].Theseconditionsareuniquelysuitedformechanicalsubstratesurfaceormembranecleaning,celldisruptionorenhancedoxidationofchemicalcompounds

最高可达GPa范围的压力和大约10000K数量级的局部高温是可以预期的[2]。

这些条件特别适合于衬底表面或膜的机械清洗、细胞破坏或增强化合物的氧化

Withcavitationoneutilisesi）extremepressuresandtemperaturesfromcavitationcollapsestodisintegratesmallerorganicmolecules,whichareotherwisehardertodisintegrateusingconventionalbiologicalmethodsandii）disintegrationoflargerparticlestoenlargethespecificsurfaceandthusincreasetherateofhydrolysisandbiodegradationoforganicpollutants

空化利用i）空化塌陷产生的极端压力和温度来分解较小的有机分子，否则用传统的生物方法很难分解；

ii）大颗粒的分解扩大比表面积，从而增加有机污染物的水解和生物降解的速度。

Cavitationcanbecombinedwithconventionalbiologicaltreatmentusingactivatedsludge.Bydecreasingtheamountofpersistentorganicpollutantsinwastewatertreatmentplanteffluent,wewilldemonstratetheimprovedefficiencyoftreatment

空化可以与使用活性污泥的常规生物处理相结合。

通过减少污水处理厂出水中的顽固性有机污染物的数量，我们将证明处理效率的提高。

Inthecurrentindustrialpracticeofwastewatertreatmenthydrodynamiccavitationisnotused.Althoughlaboratoryexperimentsexist,themethodshavenotbeenroutinelyappliedforpracticaluse-someattemptsinclude[3-6].Thisis,inouropinion,mainlyduetolackofcommunicationbetweenresearchers-theenvironmentalistsconcentratetheireffortsonultrasoniccavitation,whiletheengineersdonotrealisetheusefulnessofcavitationandstilltreatitasaharmfulphenomenon.

在目前的污水处理工业实践中，并没有采用水力空化技术。

虽然有实验室实验，但这些方法还没有被常规地应用于实际应用-一些尝试包括[3-6]。

在我们看来，这主要是因为研究人员之间缺乏沟通-环保人士将精力集中在超声波空化上，而工程师们没有意识到水力空化的有用性，仍然将其视为有害现象。

Hydrodynamiccavitationhasthepotentialtobecomeenergyefficienttechniquethatcanreducecurrentlynecessaryuseofexpensivechemicalreagentsforenhancedtreatmentprocess,whichontheotherhandalsoposeadditionalconcernswhendepositedintoenvironment.Cavitationasphysicalphenomenadoesnotintroduceanynewchemicalstowaterandthusdoesnotaffecttheenvironmentafterwaterisreleasedintoenvironment.

水力空化有可能成为一种节能的技术，一方面可以减少目前强化处理过程中所需的昂贵化学试剂的使用，另一方面也会在沉积到环境中时带来额外的担忧。

空化作为一种物理现象，不会向水中引入任何新的化学物质，因此水释放到环境中后不会对环境造成影响。

Finally,asnowadaysalotofattentionisputuponmicropollutantssuchasendocrinedisruptingcompounds,itisexpectedthatdevelopedprocessofwastewatertreatmentwithaid