超声破解技术在污水污泥处理中的应用研究

论文摘要

污水污泥是城市污水处理厂的副产物,其成分非常复杂,含有大量的有机物,如果不加以处理,会对环境造成二次污染。对污泥的处理主要包括去除有机物的“稳定化”过程以及减小污泥体积的“脱水”过程。最常用的污泥稳定化工艺是厌氧消化工艺,其“水解”过程是一个限速步骤,需要20天以上的时间,这是因为有机物质大多存在于污泥絮体结构和细胞中,其结构十分稳定,难以被破坏,因此,对污泥进行破解具有重要的意义。功率超声对污泥的破解一方面使得污泥絮体和细胞结构被破坏,释放出里面的有机物质,提高了后续的消化过程的效率;另一方面,一定强度的超声作用还可以释放细胞内部水分,促进微小污泥颗粒的混凝,改善污泥的脱水性能。相比于其它破解技术,超声破解还具有无二次污染、设备简单、成本较低等优点,有着广阔的发展前景。本文通过物理实验对超声破解污泥的过程进行研究,实验采用了工业应用中常用的20kHZ的超声频率,在120W、240W、400W、720W、1000W五个不同功率的超声作用60min,结果表明:(1)考虑破解效果和能量消耗的综合效果,720W是最佳功率选择,其SCOD值从192mg/L增加到6186mg/L,破解程度达到60%以上,破解效果明显。(2)通过对能量消耗E_V的考察,可以发现当E_V超过6000kJ/L以后,破解效果的变化不再明显,而且,在相同的能量消耗下,高强度加短作用时间的方式破解效果更好。(3)在120W超声功率下作用60min后上清液浊度从39.3NTU下降到27.8NTU,上清液比率从0.25下降到0.1833;其它作用方式下,除了在240W作用的前10min内,这两个指标有所降低外,其它都呈增长趋势,这意味着在得到较好破解效果的同时,却降低了污泥的脱水性能,因此,实际处理时,应根据处理目的综合考虑,选择合适的处理条件。超声破解的主要动力是声空化过程,本文建立了超声空化气泡动力学过程的数学模型,数值模拟结果表明,空化强度随频率增加而降低,随驱动声压加大而增强,但过大的声压反而会导致空化强度降低,同时分析了反应体系内气体种类等其它因素的影响。通过物理实验和数值模拟结果的比较,表明超声能量输入的强度对超声破解效果和超声空化强度的影响具有一致性,证明了声空化在破解过程中所起的重要作用,同时,也为超声破解过程的运行条件提供了一些定性的理论基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 污泥处理处置现状及其存在的问题
• 1.2.1 污水污泥的来源
• 1.2.2 污泥处理处置工艺流程
• 1.2.3 污泥处理存在的问题及污泥破解的意义
• 1.2.3 污泥破解技术
• 1.3 超声破解污泥技术
• 1.3.1 超声及其在工业上的应用
• 1.3.2 超声破解污泥的优点
• 1.3.3 超声破解污泥发展现状
• 1.4 本文的研究目的和研究内容
• 2 超声破解污泥的机理分析
• 2.1 超声基础理论
• 2.1.1 声压
• 2.1.2 质点振动速度与声速
• 2.1.3 声能密度
• 2.1.4 声功率
• 2.1.5 声强
• 2.2 超声破解污泥的机制
• 2.2.1 声空化效应
• 2.2.2 其它效应
• 2.3 超声空化的产生
• 2.3.1 空化气泡的形成
• 2.3.2 空化发生条件及空化核的稳定存在形式
• 2.3.3 超声空化阈值
• 2.4 声化学反应器
• 2.4.1 产生超声的方法
• 2.4.2 声化学反应器类型
• 2.5 本章小结
• 3 超声破解污泥实验研究
• 3.1 实验仪器及分析方法
• 3.1.1 实验材料与装置
• 3.1.2 分析方法
• 3.1.3 超声能量输入的量化指标
• 3.2 实验结果及分析
• 3.2.1 污泥化学特征的变化
• 3.2.2 污泥物理特征的变化
• 4 超声破解过程中空化气泡动力学数值模拟
• 4.1 气泡动力学模型及其研究意义
• 4.2 气泡动力学模型的建立
• 4.3 模拟结果
• 4.3.1 稳态空化下的气泡运动
• 4.3.2 瞬态空化及各个超声参数的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 实验结果与数值模拟结果的对比
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录