超声波处理高浓度废水的研究.doc

高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解处理新方法的研究内容摘要摘 要：怎样经济高效的处理高浓度、难降解有机废水问题，多年来一直是人们探索的问题。本文通过研究提出了一种相对经济安全高效的处理高浓度、难降解有机废水“超声聚焦裂解”新方法；即通过动态加压溶气+超声聚焦裂解+絮凝气浮的方法来提高废水处理效果。通过研究分别构建了超声聚焦裂解和絮凝气浮动力学模型，并通过实验研究，为经济高效地处理高浓度、难降解有机废水探索了一条新途径。关键词 高浓度、难降解有机废水；超声聚焦裂解新方法 中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号 正文文字大小：大 中 小 高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解处理新方法的研究（投环境污染治理技术与设备） 芮延年1 王明娣1，2 刘文杰1 蒋晓梅1吴冬敏1(1.中国.苏州.苏州大学215021 )(2. 南京航空航天大学机电学院 南京 江苏 210096)摘 要：怎样经济高效的处理高浓度、难降解有机废水问题，多年来一直是人们探索的问题。本文通过研究提出了一种相对经济安全高效的处理高浓度、难降解有机废水“超声聚焦裂解”新方法；即通过动态加压溶气+超声聚焦裂解+絮凝气浮的方法来提高废水处理效果。通过研究分别构建了超声聚焦裂解和絮凝气浮动力学模型，并通过实验研究，为经济高效地处理高浓度、难降解有机废水探索了一条新途径。关键词 高浓度、难降解有机废水；超声聚焦裂解新方法 中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号 0 前言近年来国内外一些水处理专家围拢着高浓度、难降解有机废水问题，研究了许多新方法。如湿式裂解法，其裂解效果虽然很好，但是因为牵涉到高温、高压反应过程复杂，因此，一直未能很好地推广应用；又如反渗透法，处理后的水质较好，但存在着膜易污染、设备一次性投资大等问题。多年来，课题组一直在探索经济高效的处理高浓度、难降解有机废水方法。受超声乳化、超声清洗的启发，拟通过动态加压溶气+超声聚焦裂解+絮凝气浮的方法来达到经济高效的处理高浓度、难降解有机废水的目的。1 超声裂解作用机理1.1 液体的结构强度从生物学中可知，适当强度的超声波可以对DNA等生物大分子进行裂解，大量的试验证明破裂主要是由超声空化引起的。同样，可以利用超声空化方法对污水中一些难降解的分子进行超声裂解。纯净的液体分子之间的吸引力很大，纯水在20时结构强度的理论值为3250kg/cm2。但是经实验表明，对一般液体其实际结构强度通常在250500 kg/cm2，这种现象用气泡核学说来解释。由于热度的不均匀或其它原因溶解在液体中的微气泡，于是在声波负压的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀变大而产生空化，其冲击水波能在其周围产生上千个大气压力，对水中某些物质产生裂解作用。 设一个半径为 的空化泡在液体中保持平衡，在没有外力作用时泡内外压力处于平衡状态：（1）式中： 泡内压力，Pa；泡内蒸汽压力，Pa； 泡内气体压力, Pa。泡外压力，Pa；流体静压力，Pa；空化泡表面张力，Pa。当有外力作用时，即令流体内的压力 时导致空化泡半径由 ，此时的气压为 ： （2） 泡内新的压力 为： （3）如果 ，泡外的作用压力将因空化泡表面张力减小而变为：（4） 如果此时空化泡仍处于平衡， ，有：（5） 上式表明，流体静压力（ ）与空化泡半径的三次方（ ）成反比，即该值的微小下降将会导致空化泡半径 的急剧增大，与极小临界流体静压值对应的空化泡半径，叫做临界半径以 表示。为估计 值取式（5）对 的微分。取 取代 ，在临界流体静压时，式（5）的 用 取代有：（6） 把式（5）的 值代入（6）后有： （7） 由上式可见，液体结构强度降低的原因是液体中存在小气泡核，气泡核的半径 越大，该处的液体结构强度就越弱。产生气泡核的可能原因有：液体中的热度不均匀，液体中混入气体等。正是这些不同的原因，才构成了声化学反应的动力或原因。1.2. 空化阈的研究使液体产生空化的最低声强或声压称为空化阈。设液体的静压力为 ，交变声压幅值为 ，则只有 时，才能出现负压，负压超过液体结构强度时才能形成空化。空化阈 由下式表示：(8） 由此可见，空化阈随不同液体而不同。对于同一液体，不同的温度，压力，空化核半径及含气量，空化阈值也不一样。液体含气量越小，空化阈越高。1. 3 空化泡崩溃时间的研究 假设一个空泡在流体静压力 作用下，从半径 减小到半径 。在忽略空泡表面张力的情况下，外力作功等于与体积变化之积。(9) 这个功应等于液体移向空泡收缩空间时所获得的动能为：收缩情况见图1所示。(10) 式中： 污水密度, kg/m3; 液体移动的体积，m3； 液体移动速度，m/s。从图1，可以推出式(11）(11)设污水是不可压缩的，空化泡收缩的体积（ ）等于液体充填体积（ ），则有： （12） 将式（12）二边除以 并整理后代入（9）式：（13） 从上式，可以看到外力所作的功等于污水本身的动能，经整理后可得到： （14）对上式右边取 到0的积分，即可得到空泡崩溃所需要的时间 为： （15） 当有声场作用污水时，污水中的压力为： （16） 而 式中： 声压，Pa； 声压振幅，Pa。2 强化处理效果的措施通过对超声裂解作用机理的理论研究，可以看出：超声空化作用的结果是液体中微气泡的瞬间崩溃（空化），微气泡的数量越多，其空化产生的能量就越大，但是微气泡数量越多，需要消耗的能量就越大。因此，增加微气泡的数量，提高超声波场强是处理高浓度、难降解有机废水问题的关键技术。但是，要使废水达到排放标准，需进一步完善工艺过程，本课题增加化学絮凝气浮工序。2.1动态加压溶气 由于空气属于难溶于水的气体，其扩散是受液膜控制的，由于其亨利系数很小，单靠一味的提高溶气压力来提高污水中溶气量显然是不经济的。本课题将填料装入一个网筒，通过电动机带动其转动，以加剧液相紊动程度，从而提高传质速率。1空气溶解效率与传质系数的关系而空气的传递速率与推动力成正比，即 （17） 式中： 传质推动力。空气溶解属于液膜控制，以液相浓度差表示， ；液相总传质系数。填料罐中气液两相实际接触面积以 表示，则（18） 式中 填料层高度；空罐截面积；填料的有效比表面。则式（17）可改写成下式 （19） 式中 空气溶解速率。将式（18）代入（19）得 （20） 2空气溶解和溶气时间的关系将式（16）写成微分方程 （21） 式中 水中空气的浓度；水中空气的饱和溶解度；液相总传质系数；溶气时间。将式（20）代入式（21）后则式（21）可变为：（22） 式中 进口水中溶解空气量；加压水流量。通过式（22），可见在一定的溶气压力下，在溶气罐中加入填料，并使其转动起来，这样可以加大液体的流量，能够提高传质系数，从而可减少空气的溶解量达到饱和溶解量的时间的目的。2.2 超声聚焦本课题采用圆锥形超声聚能器聚焦的方式，如图2所示。即借助变幅杆的作用将超声能量聚集在较小的面积上，以较小的超声波能耗，获的大的超声波声压，满足超声裂解高浓度、难降解有机废水的要求。聚能器的纵向形变所引起的横向变形很小，不致引起超声波的波阵面的畸变，因此聚焦超声波的声压应满足方程式(23)。（23） 式中 聚焦超声波的声压；超声换能器产生的声压；振幅放大系数；圆锥形聚能器大端面半径；圆锥形聚能器小端面半径；聚能器的长度；超声波的圆频率；超声波在聚能器中的传播速度。从式（23）可以看出，可以通过改变圆锥形聚能器参数尺寸，来提高超声波的声压，这种聚焦后超声波发出的场强是单一金属板场强的若干倍。在超声聚焦能的作用下，空化气泡爆聚崩溃产生强大的冲击波或射流，对废水产生超声聚焦裂解反应。2.3 化学絮凝气浮所谓化学絮凝气浮，就是借助微气泡将经超声聚焦裂解 化学絮凝处理后的悬浮物从废水中分离出来。其主要涉及到二个问题：1气泡与絮粒的吸附由胶体力学可知，絮粒与气泡都具有一定的疏水性，有相互吸附而降低各自表面能的倾向，在一定的水力条件下，具有动能的微气泡与絮粒进行软碰撞，当气泡附着层水膜碰到絮粒疏水基团时，通过范德华力而粘附，如图3所示。2. 带气絮粒上浮微气泡与微絮粒的碰撞粘附，在上浮过程中因有速度梯度而继续共聚并大。“共聚作用”可以简便气浮工艺和节省混凝剂量。带气絮粒在水中上浮，受到重力 、浮力 和阻力 。几个力的影响如图4所示，其上浮速度，按牛顿第二定律：(24)式中 带气絮粒上浮速度，cm/s；带气絮粒的质量，g；时间，s。阻力，与水的流动状态有关。(25)式中 带絮气粒密度，gcm3； 重力加速度，cm/s2；带气絮粒体积，cm3。（26）式中 水的密度，g/cm3。在雷诺数 时（27）式中 阻力系数；水流方向絮粒的投影面积，cm2。将上述三式代入式(24)得（28）设絮体在静止液体中上升，且其大小、形状、重量恒定，絮粒上升时，它将加速至液体的摩擦阻力等于作用在絮粒上的浮力的一瞬间为止，此后匀速上浮，加速度 ，絮粒上浮速度：（29）3 试验研究3.1 实验装置为了验证理论研究，本课题研究设计一套“高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解化学絮凝气浮处理实验装置”其工艺流程如图5所示。3.2 试验研究为了研究高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解化学絮凝气浮处理效果和影响因素，课题组选择发酵工业废水作为研究对象，下面主要介绍酒精废水和柠檬酸废水实验情况。1酒精废水水质（自然澄降澄清液）pH值=46COD/mg•L-1=10000350002柠檬酸废水pH值=4.55.5水质（自然澄降澄清液）COD/mg•L-1=10000380003溶气压力、溶气时间对处理效果的影响溶气压力、溶气时间对超声聚焦裂解处理发酵废水效果的影响，实验结果如图6、图7所示.由实验结果，可以看出：溶气压力增高，其COD去除率增高，溶气压力0.5MPa时，COD去除率达到最大值；从溶气时间看，COD去除率随溶气时间增长而增高。溶气时间到7分钟达到最大值。2 超声裂解振动频率对COD去除率的影响通过对振动频率的控制来研究振动频率对COD去除率的影响实验结果如图8所示：从试验结果，可以看出COD去除率随频率增高而增高。但当频率60KHz时其去除率增加缓慢，这说明过高振动频率并不能获得明显的处理效果。3 药剂种类和投加量对COD去除率的影响本试验的目的一是选择投加药剂的种类，二是选择药剂投加量。1#药剂为无机复合混凝剂；2#药剂为高分子复合絮凝剂。试验结果如图9所示。从试验结果，可以看出单独使用1#药剂，药剂量为1.2mg/L时，COD最大去除率为65%；单独使用2#药剂，药剂量为1.2mg/L时，COD最大去除率为72%；1#药剂与2#药剂按1：1联合使用，药剂量为1.5mg/L时(即1#药剂0.9mg/L，2#药剂0.6mg/L) ，COD最大去除率可达87%。4超声聚焦裂解污水处理系统实验系统试验参数如下：溶气压力0.5MPa；溶气时间7min；超声频率60KHz；1#药剂0.9mg/L，2#药剂0.6mg/L联合使用。试验情况分别如表1所示。表1 超声聚焦裂解污水处理实验(COD去除率)工序 CODcr(mg/L)进水 出水 去除率（%）柠檬酸废水1000025000 368465 0.960.982500035000 465560 0.98 0.98酒精废水1000025000 485520 0.950.972500038000 5