摘要
紫外消毒技术因具有无须投加化学药剂、消毒广谱性、产生副产物少等优势越来越受重视，但石英套管结垢引起的消毒效果难以保障，成为限制紫外消毒技术发展的瓶颈。在污水厂紫外线消毒渠中搭建中试试验装置，利用超声波抑制石英套管结垢，结果表明，超声波能通过延长结垢诱导期来抑制垢的生成；以相对紫外线强度为考察对象，通过单因素试验确定超声波功率、清洗周期、超声时间合适的范围分别在500~1 000 W、0.5~1.0 d、20~40 min；对于使用时间为0、0.5、1、3、5 a的石英套管，超声波均有很好的抑垢效果。为了进一步优化参数，采用 Box-Behnken设计法和响应面分析方法对主要因素加以优化，得到了响应面回归模型和最优解。结果表明，超声波技术抑垢清垢的优化工艺参数为超声波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超声时间t=34 min，预测相对紫外线强度最大值为1.01。通过统计学检验，模型具有良好的拟合性，在优化工艺条件下得到的相对紫外线强度预测值与试验值接近，误差为1.00%。
紫外线消毒是一种广泛应用的物理消毒技术，通过细胞的遗传物质（DNA和RNA）吸收紫外线形成嘧啶二聚体来阻止其复制和转录，使得微生物不能新陈代谢而失
目前，对于紫外线抑垢系统常用的有机械清洗、机械化学联合清
超声波清洗是利用其在传播过程中产生的空化效应等特性，无须添加化学清洗剂就能达到很好的抑垢或除垢效果，目前已经广泛应用于工业生产的诸多领
试验装置如
图1 试验装置示意图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental device
图2 中试现场示意图
Fig. 2 Schematic diagram of pilot test site
取已结垢的、相对紫外线强度为0的150 cm石英套管，按照前端、中端和后端的位置各取10 cm长的试验片段，将10 cm长的试验片段放入500 mL烧杯中，使用0.1 mol/L稀盐酸进行溶解，静置8 h取溶液，测量污垢的金属成分。
试验在临沂市第二污水处理厂开展，试验用水为污水厂的二沉池出水。在超声波功率P=1 000 W、清洗周期T=1.0 d、超声时间t=30 min的情况下，运行试验装置；同时在距离装置150 cm处设置对照组，无超声波影响，其余参数相同。运行13.5 d后比较石英套管结垢情况。
分别以超声波功率、清洗周期、超声时间和石英套管使用时间作为单因素变量，研究对超声波抑制石英套管结垢的影响规律。在此基础上，使用响应面分析法，分析各因素的交互作用及最优解。
紫外线强度由远方U-20辐照计测量，单位为μW/c
| （1） |
式中：U′为相对紫外线强度；Ut表示t时紫外线强度；U0表示初始紫外线强度。
从某污水处理厂深度处理工艺中收集已结垢石英套管，分析其中的金属成分，结果如
图3 污垢的金属成分组成
Fig. 3 Metal composition of fouling
除了Ca之外，还检测了Mn、Mg、Fe、Zn和Al等，占比9%~11%。Fe的含量虽低，但对实际消毒系统的影响很大。Fe的摩尔吸光系数是Ca的3倍以上，吸收紫外线的能力更
（a） 前端
（b） 中端
（c） 后端
图4 不同条件下相对紫外线强度变化图
Fig. 4 The relative UV intensity changes under different conditions
取超声波清洗组、对照组运行不同天数的石英套管碎片进行SEM扫描，如
（a） 超声波，第1天
（b） 超声波，第2天
（c） 超声波，第4天
（d） 超声波，第7天
（e） 超声波，第13天
（f） 无超声波，第1天
（g） 无超声波，第2天
（h） 无超声波，第4天
（i） 无超声波，第7天
（j） 无超声波，第13天
图5 有/无超声波条件下石英套管结垢的SEM图片
Fig. 5 SEM pictures of fouling on quartz sleeves under ultrasonic conditions
石英套管表面结垢的形成有一系列显著特
对比超声波清洗组结垢的各阶段，相对紫外线强度均维持在1.00左右，SEM图片表明，试验中的石英套管表面基本上无结垢现象，表明石英套管结垢一直处在诱导期，此时污垢不足够坚固，难以承受侵蚀，超声波的空化效应很容易去除这些“新垢”，大大延长了结垢的诱导期，可以有效抑垢。
以超声时间30 min、清洗周期1.0 d为体系，通过调控不同的超声波功率（分别为100、300、500、700、1 000 W）来考察不同超声波功率对超声波抑垢效果的影响，结果如
（a） 前端
（b） 中端
（c） 后端
图6 超声波功率对超声波抑垢效果的影响
Fig. 6 Effect of ultrasonic power on ultrasonic cleaning effect
改变超声波功率实际上调整了超声波的声压幅值。所谓声压，是指某一点在声场中某一瞬时的压强与无声波存在时的静压强之
但超声波功率并不是越高越好。超声强度有一个临界值，超过这个临界值，气泡往往会变得太大，在振动周期中没有足够的时间进行坍塌。此外，高超声强度会产生大量的气泡，它们会在超声波换能器表面聚集从而形成一道屏障，束缚了超声能量的进一步传播，导致抑制作用，超声波空化效应的效率整体上降低，削弱了对远离声源的污垢的抑垢效
试验中以超声波功率1 000 W、清洗时间30 min为体系，通过调控不同的清洗周期（分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 d）来考察不同清洗周期对超声波抑垢效果的影响，结果如
（a） 前端
（b） 中端
（c） 后端
图7 清洗周期对超声波抑垢效果的影响
Fig. 7 Effect of cleaning cycle on ultrasonic cleaning effect
结垢处于诱导期时，污垢不会完全覆盖石英套管表面，而且此时其与石英套管表面的黏附强度较弱，所以在诱导期通过超声波的空化效应很容易去除这些“新垢
试验中以超声波功率1 000 W、清洗周期1.0 d为体系，通过调控超声时间（分别为10、20、30、40、50 min）来考察不同超声时间对超声波抑垢效果的影响，结果如
（a） 前端
（b） 中端
（c） 后端
图8 超声时间对超声波抑垢效果的影响
Fig. 8 Effect of ultrasonic time on ultrasonic cleaning effect
在结垢诱导期加入超声波，随着超声时间的不断增加，结垢颗粒剥蚀累积量相应提高，直到超过其在石英套管表面的附着量，结合
可见，增加超声时间可以提高超声波抑垢的效果，但是超声时间越长，耗电成本就越高，也会降低超声波震动棒的使用寿命。结合经济性原则，考虑超声时间为20~40 min进行进一步优化。
以超声波功率1 000 W、清洗周期1.0 d为体系，通过调控超声时间为30 min，使用运行时间不同的石英套管，考察超声波的抑垢效果，结果如
（a） 前端
（b） 中端
（c） 后端
图9 石英套管使用时间对超声波抑垢效果的影响
Fig. 9 Effect of the service time of the quartz sleeve on the effect of ultrasonic cleaning
石英套管使用时间不同，造成其表面相对粗糙度不同。石英套管使用时间越长，表面划痕、“孔洞”越多，为成垢粒子提供了更多的附着点，结垢更快。引入超声波会减薄石英套管表面的水体动力边界层，进而削弱成垢粒子的表面黏附力，致使更多粒子直接暴露于水体中，达到更佳的清洗效果。
试验结果说明，超声波可以通过大范围的空化效应，阻碍成垢粒子在划痕、“孔洞”处的附着，可以很好地抑制“永久性结垢”。
响应面分析包括3个层
根据单因素实验结果，在超声波抑制石英套管结垢的过程中，石英套管使用时间影响不大，影响其抑垢效率的主要因素为超声波功率、清洗周期和超声时间，分别以A、B、C表示，用1、0、-1对每个因素的最大值、平均值和最小值进行编码，以相对紫外线强度为响应变量Y，如
| 水平 | A：超声波功率/W | B：清洗周期/d | C：超声时间/min |
|---|---|---|---|
| 水平-1 | 500 | 0.5 | 20 |
| 水平0 | 750 | 1.0 | 30 |
| 水平1 | 1 000 | 1.5 | 40 |
采用Design-Expert软件对试验数据进行分析，拟合得到各因素关于一二次效应及交互效应的多项式线性回归二次方程，具体函数关系式见
| （2） |
式中：Y为相对紫外线强度；A为超声波功率P；B为清洗周期T；C为超声时间t。
二次回归模型的方差分析结果如
| 项目 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F | P | 显著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 模型 | 0.018 0 | 9 | 0.002 0 | 28.85 | 0.000 1 | 显著 |
| A | 0.005 1 | 1 | 0.005 1 | 74.34 | <0.000 1 | 显著 |
| B | 0.004 2 | 1 | 0.004 2 | 60.18 | 0.000 1 | 显著 |
| C | 0.001 6 | 1 | 0.001 6 | 22.52 | 0.002 1 | 显著 |
| AB | 0.000 2 | 1 | 0.000 2 | 2.43 | 0.162 9 | |
| AC | 0.001 3 | 1 | 0.001 3 | 18.52 | 0.003 6 | 显著 |
| BC | 0.000 1 | 1 | 0.000 1 | 1.37 | 0.280 1 | |
|
| 0.004 1 | 1 | 0.000 1 | 59.17 | 0.000 1 | 显著 |
|
| 0.000 1 | 1 | 0.000 1 | 0.966 | 0.358 3 | |
|
| 0.001 0 | 1 | 0.001 0 | 15.08 | 0.006 0 | 显著 |
| 剩余误差 | 0.000 5 | 7 | 0.000 1 | |||
| 失拟项 | 0.000 2 | 3 | 0.000 1 | 1.35 | 0.376 6 | |
| 纯误差 | 0.000 2 | 4 | 0.000 1 | |||
| 总误差 | 0.018 5 | 16 |
从结果来看，一次项A、B、C及二次项
在软件Design-Expert13中可以得出预测值与实际值的分布图、残差的正态概率分布图和残差与预测值的分布图，如
（a） 预测值与实际值的分布图
（b） 残差的正态概率分布图
（c） 残差与预测值的分布图
图10 显著性分析
Fig. 10 Significance analysis
因素AC（超声波功率P与超声时间t）的三维立体响应曲面图和二维等高线图如
（a） 响应曲面图
（b） 等高线图
图11 超声波功率P与超声时间t的交互效应图
Fig. 11 Interaction diagram of ultrasonic power P and ultrasonic time t
从响应曲面图和等高线图可以观察到二次回归模型的最优解，即可根据图像确定超声波抑制石英套管结垢的最佳运行参数范围。分别对A、B、C求导，联立求解，所得结果即为最佳运行参数，得到超声波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超声时间t=34 min，得到相对紫外线强度最大值为1.01。
根据优化结果，结合现场试验调控条件，得出运行的最优参数为：超声波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超声时间t=34 min。运行超声波清洗石英套管结垢的试验，最终得到相对紫外线强度为1.00，与预测值的相对误差为1.00%，表明该模型能够很好地拟合实验数据，相关性明显，可以精确地预测响应值。即采用响应面法应用于超声波抑制石英套管结垢工艺参数的优化合理。
针对搭建的超声波中试试验平台，利用污水厂二沉池出水为原水，进行了紫外消毒系统的超声波抑垢试验，得到以下主要结论：
1）Ca代表了污垢金属成分中占比最高的部分，在89%~91%；Mn、Mg、Fe、Zn和Al等占比较低，在9%~11%。
2）超声波功率、清洗周期、超声时间对超声波清洗效果有明显的影响；石英套管使用时间则影响较小，说明对“永久性结垢”也有很好的清洗效果。
3）超声波可以通过延长结垢诱导期来抑制石英套管结垢。
4）根据响应面分析试验，超声波功率的二次方、超声时间的二次方、超声波功率×超声时间也有显著影响。最佳运行条件为超声波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超声时间t=34 min。
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