【摘要】：由于超聲波在污泥懸浮液中發(fā)生超聲空化效應時將產生高溫(5000K)、高壓(50MPa)并伴隨強烈的沖擊波產生高強度剪切力的極端的物理環(huán)境,高強度剪切力可以破壞污泥的結構等特性,使污泥后續(xù)的厭氧消化處理的速度加快,因此,超聲波破解污泥是一種非常有前途的污泥預處理方法,但是,其高能耗的瓶頸問題制約著該技術的快速發(fā)展。為打破能耗瓶頸,推動超聲破解污泥技術在我國的大規(guī)模應用,本文從工程熱物理的角度出發(fā),以城市濃縮剩余活性污泥為研究對象,圍繞超聲波在污泥中的傳輸特性進行了一序列相關的理論推導、數值計算、數值模擬以及實驗的研究,主要研究內容及結論如下: ①建立了球形污泥顆粒的超聲波傳播模型,推導出了粘滯波吸收系數和熱波吸收系數,并在考慮剩余活性污泥懸浮液的流變特性的基礎之上,推導出了超聲波在污泥中傳播時的粘滯吸收系數,這是本文的第一個創(chuàng)新點。 粘滯波吸收系數和熱波吸收系數均與污泥顆粒介質的體積百分比濃度有關,根據污泥以及水的相關物性參數,可以求出粘滯波吸收系數和熱波吸收系數。當粘滯波波長與污泥顆粒尺寸大致相等時,粘滯吸收損失最大。在低頻時,污泥顆粒與水之間的溫度差會在聲波通過的時間內達到平衡,在高頻時,只有位于污泥顆粒的表面部分參與熱傳導過程,當熱波波長與污泥絮凝體尺寸相接近時,則整個污泥懸浮顆粒都會參與熱傳導的損失機理。 超聲波在污泥中傳播時的粘滯吸收系數與污泥的塑性粘度有關,而且由于污泥的塑性粘度隨濃度的變化而變化的特性導致粘滯吸收系數具有不確定性。 ②從工程熱物理的角度出發(fā),基于能量平衡的基礎之上,對空化泡在第一次崩潰末期的能量特性通過數值計算進行了詳細的研究。提出了在空化泡不同的熱力學狀態(tài)下采用不同的熱物理模型來描述空化泡的崩潰過程的方法,并首次給出了超聲波在第一次崩潰過程中的等溫過程與絕熱過程的熱力學狀態(tài)的界定準則和分界點的位置,這是本文的第二個創(chuàng)新點。 超聲空化泡在崩潰末期的能量轉換特性是合外力功、動能、溫度、壓力、泡內外溫差傳熱在崩潰點即空化泡最小半徑值點均具有同時刻性,正是由于合外力功與動能在崩潰點降低到最小值,為崩潰點的溫度、壓力以及溫差傳熱增加到最大值提供了能量保障,實現了能量的傳遞與轉換。空化泡被壓縮至初始半徑值點,該點為等溫過程與絕熱過程的分界點,該點之前的過程屬于熱力學等溫過程,該點之后至崩潰點(即空化泡最小半徑值點)是屬于動力學絕熱過程,因此,在空化泡不同的熱力學狀態(tài)下采用不同的熱物理模型來描述空化泡的崩潰過程更為適合。 ③采用COMSOL Multiphysics數值模擬軟件,首次對超聲波在剩余活性污泥中傳播時最能代表其能量特性的聲強的傳播特性,在各種模擬工況下進行了數值模擬研究,研究結果可以為超聲波處理污泥的聲化學反應容器的設計及其優(yōu)化提供理論參考,這是本文的第三個創(chuàng)新點。 對于圓柱體和方形體容器來說,聲強的空間分布區(qū)域呈現出類似“圓柱體”的形狀,這說明聲強的空間分布具有一定的集中性。超聲波發(fā)射面面積的大小對聲強的空間分布有直接的影響。功率的增加只是整體增加了聲場中各點的聲強值。對于單個探頭的圓柱形容器半徑的改變和長方體容器的長寬改變時,二者聲強具有相似的變化趨勢,聲強的分布空間區(qū)域也成類似“圓柱體”的形狀;當高度不變時,隨容器半徑(或長寬)的減少,聲強的分布空間區(qū)域的“圓柱體”的高度的增加體現在聲強的衰減距離增大,而且聲強值強的空間分布區(qū)域逐漸增多并且離發(fā)射面更遠一些,同時單位距離的聲強衰減速度逐漸降低。通過比較可知,當相關參數相等或相近時,對于單個探頭的聲化學反應器來說,圓柱體容器比長方體容器更適合于作聲化學反應容器,球形容器不適合做聲化學反應容器。多探頭超聲波發(fā)射面布置時,需要考慮聲場中聲強的覆蓋區(qū)域,以及超聲波的有效作用區(qū)域。 ④對超聲波聲強在濃縮剩余活性污泥中的傳播特性進行了實驗研究,采用基于能量轉換與守恒原理的超聲波熱探頭法,通過測量超聲場中的溫度變化來表示超聲波在污泥中傳播時的聲強值的大小。 通過改變超聲波探頭發(fā)射面的位置、改變超聲波的頻率、改變超聲波的輸入功率以及改變超聲波的持續(xù)作用時間等參數,在各種實驗工況下進行了實驗。實驗結果指出,在一定的頻率及功率下,聲強在探頭發(fā)射面附近驟然下降之后的曲線的變化趨勢是比較平緩的逐漸趨于一定值左右,這是因為在超聲波發(fā)射面附近發(fā)生了強烈的超聲空化導致超聲波聲強值的降低速度很快;相同頻率下存在最佳功率使軸線上各點的聲強值均達到各自點的最大值;在其它參數相同時,并非功率值越大其聲強值就一定越大,聲強值的大小對超聲波的頻率及功率均具有選擇性,存在最佳的頻率值和功率值;隨著超聲波持續(xù)作用時間的增加,多數的聲強曲線的變化趨勢類似正弦曲線,而且聲強值變化的總體趨勢是增加的。
【圖文】：

超聲波預處理可以提高污泥的生物可降解性，進而增加污泥的脫水量，減少剩余活性污泥的產量。活性污泥絮凝體中的菌膠團是一種親水性物質，菌膠團中的含水量占整個污泥中含水量的 25％左右，由于菌膠團結構一般難以被破壞，所以造成污泥采用一般方法難以脫水，但是采用適當強度的超聲波處理可以破壞菌膠團結構，使其中的水分釋放出來成為容易去除的自由水，而且還可以保持污泥較大的顆粒，，使其沉降性能有所提高。菌膠團結構被破壞，必然導致細菌的細胞壁被破壞，因此，菌膠團里面大量的有機物將被釋放出來，從而容易被微生物所分解，這樣可以縮短污泥厭氧消化的時間，同時減少污泥厭氧消化設備的體積。超聲波活性污泥處理技術的綜合利用工藝流程見圖 1.1 所示。二沉池的活性污泥一部分回流到曝氣池，另一部分通過超聲波處理之后，提高其生物降解性之后，污泥的自身氧化率得到提高，然后再回流與污水混合，促進細胞的隱性生長，達到減量的目的；同時，剩余的活性污泥經過超聲波處理之后，可減少其含水量并加快其厭氧消化速度，最后使機械脫水的污泥體積量大大減少，而且污泥的有害病菌也被大量消除，同時起到減量化和穩(wěn)定化的作用。

由于表面張力，毛細作用力以及菌膠團內價陽離子架橋等使污泥顆粒具有一定強度，因此，單個以水為連續(xù)介質的水中時，一平面超聲波縱波水平入射下現象。顆粒介質球的密度與水接近，該小球會在超聲波聲壓的區(qū)和壓縮區(qū)，即經歷膨脹壓縮，導致小球在一定程度內反射，該輻射包括兩部分，①由于壓縮、膨脹以及來回運動而產生粘滯波輻射，即由于小球所處位置存在壓力梯方向上來回擺動，造成與水介質的相對運動產生擺動輻污泥顆粒球本身受到壓縮膨脹，以及污泥顆粒球表面與產生溫度梯度而產生熱波損失。，對于單顆剩余活性污泥的球形顆粒的超聲波傳播模型泥中以平面縱波方式傳播并水平入射到單個球形污泥顆產生粘滯波和熱波，其傳播模型如下圖所示。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：X703

【參考文獻】

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1 曹秀芹,陳s

本文編號：2662192