（声学专业论文）超声破解污泥的研究应用.pdf

超声破解污泥的研究应用 张宁宁 摘要：污泥是污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物 代谢活动产物所形成的聚集体。污泥中有机质、氮、磷含量很高，重金属含量也 很高，污泥中还含有大量的病源微生物，经过脱水后的污泥有臭味，若处理不当， 会随雨水等进入水体，引起二次污染。由于污泥成分的复杂，对环境的污染日益 加重，因而污泥处理技术已经成为重要的环保课题之一。鉴于目前的污泥处理处 置方法各存在弊端，有必要对污泥处理的途径提出一些新的思路和方法。超声波 处理污泥的方法，利用超声波分解生物固体，改善活性污泥絮体沉降性，提高脱 水能力，兼有各种方法的优点，其反应条件温和，污泥降解速度快，适用范围广， 可与其他水处理技术结合使用。超声对污泥的作用为超声分解污泥和超声促进污 泥脱水，从而达到污泥减量的目的。污泥破解目的是破坏污泥的结构及细胞壁， 使污泥絮体结构发生变化，污泥细胞内含物流出，进入水相，变难降解的固体性 物质为易降解的溶解性物质。 本文主要目的是对污泥超声破解技术进行探索性研究，了解超声破解反应过 程中污泥内含物的释放效果、影响因素，认识污泥超声破解的机理，为应用污泥 的超声破解方法，促进污泥稳定化、减量化和资源化技术，为污泥处理作前期基 础性研究工作。经超声处理后，污泥性质发生变化，污泥絮体被分解，胞内物质 释放，污泥滤液中化学需氧量( c o d ) 、氮( n ) 、磷( p ) 等大幅上升，同时胞内 释放物质具有良好的生化降解性能，这一方面为系统的污泥减量或污泥进一步处 理处置创造条件，另一方面也可能给污水处理系统增加氮、磷负荷而影响出水水 质。因此在以后各实验中都研究污泥滤液c o d 、氨氮( n h 3 n ) 、总磷( t p ) 的变 化情况，来反映超声对污泥的破解作用。 本人研究工作的内容及主要结论：( 1 ) 用染色法和水听器法测量了反应器中 声场及空化场，并对其结果进行分析研究。两种方法在同样的超声电功率作用下 对同一超声处理槽中的声场研究表明双频能够很好改善声场均匀性，为后面复频 超声处理污泥的实验打好基础；( 2 ) 研究了单频超声作用下，不同超声电功率、 频率、作用时间对污泥破解效果的影响及污泥温度变化；( 3 ) 研究了双频超声在 不同作用方式下相互作用的超声处理效果及影响因素；( 4 ) 比较了不同反应器形 状、换能器位置及不同反应体体积对超声破解污泥的影响。 通过实验研究表明：超声是一种有效的污泥破解方法，双频超声更有利于污 泥破解，反应器形状、换能器位置对污泥破解也有一定影响，为超声破解污泥提 供一定的实验依据。 关键词：污泥破解超声技术影响因素声场分布污泥滤液 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fs u l l a g et r e a t m e n tb y u l t r a s o n i c z h a n gn i n gn i n g a b s t r a c t ：t h es u l l a g et h ec o n 羽o m e r a t i o uo ft h e s u s p e n d i n gs u b s t a n c e ， m i c r o o r g a n i s m ，o r g a n i s ma d s o r b e db yt h em i c r o o r g a n i s ma n das u s t a n c em e t a b o l i z e d b ym i c r o o r g a n i s m t h en i t r o g e na n dp h o s p h o ri sc o n t a i n e di ns u l l a g ei nt h eg r o s s ，a n d s od o e st h eh e a v ym e t a l b e c a u s et h es u l l a g ec o n t a i n sam a s so ft h ep a t h o g e n ya n di ti s w h i f f ye v e nd i s p o s e d ，i tr e p o l l u t et h ew a t e ri nc a s e o fd i s p o s e di n c o r r e c t l y t h e d i s p o s i n gs u l l a g et e c h n i q u eh a sb e e nb e c o m et h eo n eo ft h ei m p o r t a n te n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nl e s s o n sf o rt h er e a s o nt h a tt h ec o m p o n e n t so f t h es u l l a g ea r cc o m p l e x ，w h i c h a g g r a v a t e st h ee n v i r o n m e n t o na c c o u n to ft h ed e f i c i e n c yo f t h ed i s p o s i n gm e t h o d ，i ti s n e c e s s a r yf o re x p l o i t a t i o n e x p lo ft h en c wt h o u g h t w a y t h eu l t r a s o n i ct e c h n i q u et h a tc a n i m p r o v e t h es e d i m e n t a t i o no fa c t i v e s u l l a g ea n dt h ed e h y d r a t i o nc a p a b i l i t yb y d e c o m p o s i n gt h eb i o s o l i d sh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c h 髂t h em o d e r a t i o no fr e a c t i o n c o n d i t i o n ，d e c o m p o u n d i n gr a p i d ，e x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t y , c a p a b i l i t yo fc o m b i n i n gw i t h o t h e rt e c h n o l o g i e s t h ea c t i o n go fu l t r a s o n i co ns u l l a g ei n c l u d e so ft h ed e c o m p o u n d i n g s u l l a g ea n do fa c c e l e r a t i n gd e h y d r a t i o nf o rp u r p o s eo fr e d u c i n gt h es u l l a g e t h e p r i n c i p l eo fd i s p o s i n gs u l l a g ei st h a tt h ei n d i f f r a n g i b l es o l i d i t ys u b s t a n c e sa r ec h a n g e d i n t od i f f r a n g i b l eb yb r e a k a g i n gt h es t r u c t u r ea n dc e i lw a l lm a k e sf o rt h es a k eo fa l t e r i n g s u l l a g es t r u c t u r e ，o u t f l o wo ft h ec o n t a i n e ri n c e l l i ti sd i f f e r e n tf r o md e c o m p o u n d i n g t h eo r g a n i s mi ns e w a g et h a td e p e n d so nt h es h e a r i n gs t r e n g t hi nt h el o wf r e q u e n c y t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sg r o p i n gr e s e a r c ho nt h ed e c o m p o u n d i n gs u l l a g e a n dc o g n i t i o no ft h er e l e a s i n ge f f e c t ，i n f l u e n c i n gh c t o 璐a n dm e c h a n i s m ，w h i c hl a y st h e f o u n d a t i o n so ft h ea p p l i c a t i o na n dt h ef a c i l i t a t i n gt h et e c h n i q u e so fs t a b i l i z a t i o n , r e d u c t i o n ，r e s o u r c i n g a f t e rd i s p o s e db yu l f f a s o n i c , i ti st h a tt h eq u a l i t i e so fs u l l a g e a l t e r e d , s u l l a g ed e c o m p o s e d ， s u b s t a n c e si nc e l l r e l e a s e d ，t h ec o d ，n i t r o g e n p h o s p h o r u s ，e t c r i s eb yaw i d em a r g i ni nt h ef i l t r a t e ds u l l a g e ，a n dm o r e o v e r , t h e s u b s t a n c e sr e l e a s e da r ea p tt ob ed e c o m p o s e d ，w h i c ha r et h ec o n d i t i o n sf o rr e d u c t i o n a n dd i s p o s i n gu l t e r i o r l y t h e r e f o r e ，t h ea c t i o no fs u l l a g ed e c o m p o s e db yu l t r a s o n i ci s r e f l e c t e di nt h ef u t u r ee x p e r i m e n t sw i t hav i e wt or e s e a r c ho nt h ev a r i e t yo fc o d 、 r 1 3 n 、t pi nt h ef i l t r a t e t h em a i nc o n t e n ta n dr e s u l t so ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s o u n df i e l da n dd i a t r i b u t i o no fs o u n df i e l da r em e a s u r e di nr e a c t o rb y i u c o l o r a t i o na n dh y d r o p h o n ea n dm e t r i c a lr e s u l t sa l ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d s o u n d f i e l do fr e s e a r c hi l l u m i n a t ed o u b l e 丘e q u e n c yo fu l t r a s o n i cc a n i m p r o v eu n i f o r m i t yo f s o u n df i e l dc o m m e n d a b l yi nt h es a m es o n o c h e m i s t r yr e a c t o ra n du l t r a s o n i ce l e c t r i c p o w e ra n db a s ef o re x p e r i m e n to fd o u b l ef r e q u e n c yo fu l t r a s o n i co fs l u d g et r e a t m e n t ( 2 ) e f f e c t so fs l u d g ed e c o m p o s a b i l i t ya n dc h a n g eo fs l u d g et e m p e r a t u r ea l e r e s e a r c h e di nt h ed i f f e r e n tu l t r a s o n i ce l e c t r i cp o w e r , f r e q u e n c ya n dt i m e ( 3 ) i n t e r a c t i o n a l e f f e c t so fs l u d g et r e a t m e n ta n de f f e c tf a c t o r sa l er e s e a r c h e di n t h ed i f f e r e n t l y f u n c t i o n a r ym o d e ( 4 ) e f f e c t so fs l u d g et r e a t m e n tb yu l t r a s o n i ci sc o m p a r e dw i t ht h ed i f f e r e n t r e a c t o rf o r m ，p o s i t i o no fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n d c u b a g eo f r e a c t a n t r e s e a r c ho fe x p e r i m e n tt h a t u l t r a s o n i ci sae f f e c t i v em e a n so fs l u d g e d e c o m p o s a b i l i t ya n dd o u b l e 行e q u e n c yo fu l t r a s o n i ci sa d v a n t a g e o u sf o rs l u d g e d e c o m p o s a b i l i t y a n dr e a c t o rf o r m ，p o s i t i o no f u l t r a s o n i ct r a n s d u c e re f f e c to n s l u d g ed e c o m p o s a b i l i t y a r e i l l u m i n a t e d ，w h i c h a f f o r d sd e f i n i t ef o u n d a t i o n o f e x p e r i m e n t t os u l l a g et r e a t m e n tb yu l t r a s o n i c k e yw o r d s ：s l u d g ed e c o m p o s a b i l i t y u l t r a s o n i ct e c h n o l o g ye f f e c tf a c t o r s d i s t r i b u t i o no fu l t r a s o n i cf i e l df i l t r a t e o fs l u d g e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：芝篷宣宝 日期：鲨竺z 兰 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：；丝室主日期：趁里2 鱼 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 污泥处理现状 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增长。 目前全国已建成运转的城市污水处理厂约4 2 7 余座，年处理能力为1 1 3 6 亿立方米。 根据有关预测，我国城市污水量在未来二十年还会有较大增长，2 0 1 0 年污水排放 量将达到4 4 0 x 1 0 8m 3 d ；2 0 2 0 年污水排放量达到5 3 6 x 1 0 8m 3 d 。 污水处理和处置技术在我国还刚刚起步，与国外先进国家相比尚有较大差距。 目前，污水处理量是污水总量的4 5 6 ；一大半污水没有得到处理。随着污水处 理厂的投产，污泥产量将会大幅度的增加。在我国城市污水处理厂中，传统的污 泥处理工艺处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，其投资占污水处理 厂总投资的3 0 4 0 t 1 1 。污泥是污水处理过程中产生的一种含水率很高的絮状泥 粒，通常占污水量的o 3 0 5 ( 体积) 或者约为污水处理量的l 2 ( 质量) ， 如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍。污水处理量的提高，必然导致污泥 数量的增加。目前我国污水处理量和处理率虽然不高，但城市污水处理厂每年排 放干污泥大约3 0 万吨，而且还以每年大约1 0 的速度增长。 1 1 2 污泥对环境的影响 ( 1 ) 污泥对环境的有用性 污泥中含有大量的n 、p 、k 、c a 及有机质，而且n 、p 以有机态为主，同时 污泥中还有许多植物所必须的微量元素，可以缓慢释放，具有长效性。因此，污 泥是有用的生物资源，是很好的土壤改良剂和肥料。从长远来看，我国污水厂污 泥中氮、磷的含量将随着脱氮脱磷等二级污水处理工艺的增加而增加，这将有利 于污泥土地利用和堆肥处理。 ( 2 ) 污泥对环境的污染 尽管污泥含有丰富的养分，但是也含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ，铜、锌、 铬、汞等重金属、盐类以及多氯联苯、二嗯英、放射性核素等难降解的有毒有害 物，这些物质对环境和人类以及动物健康有可能造成较大的危害。在污水处理过 程中，7 0 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥中。污泥含盐量较 高，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡、抑制植物对养分的吸收，甚至 对植物根系造成直接的伤害。污水中的病原体( 病原微生物和寄生虫) 经过处理 还会进入污泥。经过脱水后的污泥有臭味，若处理不当，会随雨水等进入水体， 引起二次污染。由于污泥成分的复杂，对环境的污染日益加重。因而污泥处理技 术已经成为重要的环保课题之一。 1 1 3 污泥处理处置原则及基本方法 ( 1 ) 污泥处理处置原则 污泥处理处置也应同其他固体废弃物一样遵循减量化、稳定化、无害化原则【2 l o 污泥处理应达到以下标准： a 污泥减量化，减少污泥最终处理前的体积，降低污泥处理处置的费用。 b 污泥稳定化，使污泥中有机组分转化成稳定的最终产物，保证污泥的长期稳定。 c 使污泥达到无害化和卫生化，减少污泥中的病原菌及金属离子等有毒有害物质的 二次污染的可能性。 d 污泥资源化，在解决污泥问题的同时使其资源化，达到综合利用和保护环境的目 的。 ( 2 ) 污泥的处理方法 a 填埋 卫生填埋操作相对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强。但大量 污泥进入填埋场给场区内带来极大的安全隐患：一方面，高含水量的污泥大大增 加了填埋渗透液产生量，同时颗粒细小的污泥极易堵塞渗透液的收集和排水管道； 另一方面，由于污泥的流变性使得场内垃圾填埋体容易变形，成为人为“沼泽地”， 这些安全隐患导致填埋场拒绝接受剩余污泥。 b 污泥农用 污泥农用投资少，能耗低，运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良剂 成分，因此污泥土地利用被认为是最有发展潜力的一种处置方式。影响污泥农用 的主要因素是重金属污染、病原体、难降解有机物及n 、p 的流失对地表水和地下 水的污染。 c 污泥焚烧 以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它能使有机物全部碳化，杀 死病原体，可最大限度地减少污泥体积，但是其缺点在于处理设施投资大，处理 费用高，有机物焚烧会产生二嗯英等剧毒物质。 d 海洋倾倒 海洋倾倒操作简单、对于沿海城市来说其处理费用较低，但是，随着生态环 境意识的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能存在的影 响。 1 1 4 污泥破解方法 污泥破解技术可以溶出胞内物质，增加水相中可降解有机物的含量，破解后 2 污泥量也可减少。文献【3 1 有污泥破解方法如表1 1 所示。 表1 1 污泥破解方法 物理方法化学法组合法 商压喷射法臭氧氧化法热碱法 珠磨法氯气氧化法热氧化法 超声波法湿式氧化法超声波与碱协同作用 加热法碱解法 以上所列举介绍的污泥破解技术中，化学方法需要投加大量药剂，投加量控 制复杂；加热法易造成反应器的腐蚀，污泥量较大时，操作管理复杂；机械方法 破解效果最好，但能耗较大，其中超声波技术设备最为简单，比较易于推广。关 于污泥减量化是2 0 世纪9 0 年代提出的，它是指借助物理、化学、生物等手段使 整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少，其中主要依靠降低微生物产 率或促进细胞溶解并将其溶解产物用于微生物生长这两种措施。鉴于目前的污泥 处理处置方法各存在弊端，有必要对污泥处理的途径提出一些新的思路和方法， 研究并开发的超声波处理污泥的方法，利用超声波分解生物固体，改善膨胀活性 污泥絮体沉降性，提高脱水能力，兼有各种方法的优点，其反应条件温和，污泥 降解速度快，适用范围广，可与其他水处理技术结合使用。超声对污泥的作用为 超声分解污泥和超声促进污泥脱水，从而达到污泥减量的目的。 1 2 超声破解污泥的基础理论 1 2 1 声化学基础理论 ( 1 ) 声化学反应机理 所谓声化学( s o n o c h e m i s t r y ) 指利用超声波来加速反应或开启新的反应通道，以 提高化学反应产率或获取新的化学反应物。声化学反应的主要机制和主动力是声 空化。声空化是指液体中的微小泡核在声波作用下被激活，表现为泡核的振荡、 生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。 声空化可分为稳态空化和瞬态空化。稳态空化是指那些在较低声强作用下即 可发生的内含气体与蒸汽的空化泡行为。稳态空化泡表现为持续的非线性振荡， 在振荡过程中气泡定向扩大，当其扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时， 发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显空化效应。瞬态空化是指在较大的声 强下发生，而且它大都发生在一个声波周期内。在声波负压相中，空化泡迅速扩 大，随之则在声波正压相作用下，被迅速压缩至崩溃。在瞬态空化泡存在的时间 内，不发生气体通过泡壁的质量转移，而在泡内壁上液体的蒸发与凝聚却可自由 进行。 3 瞬态空化伴随发生的高温可导致自由基的形成及声致发光的发射；而高压的 释放，将在用液体 形成强大的冲击波或高速射流。瞬态空化正是以这种特殊的 能量形式来加速化学反应或启动新的化学通道的。因此，瞬态空化被看成是声化 学反应的主动力。另外，声波的机械效应( 如传声介质的质点振动位移、速度、 加速度以及声压等力学量) 和热效应( 声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收 变成热能) 对化学反应也有贡献，在某些情况( 如声化学反应) 下，甚至主要是 利用这些效应。 ( 2 ) 声空化理论 a 空化核 根据斯克斯定理，液体中半径较大的气泡，将因浮力迅速上升到液面，然后 失去表面张力而破裂；而半径较小的气泡，则因表面张力作用，会产生使泡中气 体向周围液体做“定向扩散”的过程，从而很快溶解。这表明，在一般的情况下，空 化核难以在液体中稳定的存在。经研究证实，在以下几种情况下，空化核能稳定 的存在于液体中： 液体因热起伏，不断产生小的蒸气泡。这种蒸气泡在液体中存在的条件是， 泡内的蒸汽压p 。，与表面张力和液体的静压力p o ) f l 平衡。由这种蒸气泡构成的空 化核，具有由兄。一生只( 仃表面张力系数) 确定平衡半径。 “p 。一p o 液体中存在带气隙的悬浮固体粒子，当液体不浸润时，在固体粒子的气隙 中，由于表面张力为负值，可使缝中的气体同时达到力学与热力学平衡，因而能 稳定的存在。而一旦外加声压超过空化阈值时，这种缝隙式气泡便开始增大，其 液一气界面也由凹面变成凸面，形成空化核。 带有薄的有机物外壳的小尺寸气泡( 一般指rc o 0 1 r a m ) ，由于这层有机膜 的存在阻碍泡内气体向外扩散，并能抗拒表面张力，所以能形成稳定的空化核。 而在足够强的声波作用下，可打破此有机层外壳，产生空化。 高能粒子流，如宇宙射线、中微子流、或激光脉冲等照射液体，产生空化 核。 b 空化阈 使液体空化的最低声强或声压幅值称空化阈。设液体的静压力为只，交变声 压幅值为己，则只有己，p o 时才能出现负压。负压超过液体强度时才能形成空化。 空化阈声压p 可由以下公式表示： 只一只一只+ i 万2 4 ( 1 - 1 ) 式中：一蒸汽压：r 一气泡的初始半径；t 一液体的温度 空化阈随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、压力、空化核半 径及含气量，空化阈值随声波的频率、液体的静压力和粘滞性的增大而升高，随 液体的气体含量的增大而降低。 c 空化气泡的运动 气泡在声场作用下将进行振动，当声波的频率小于气泡的谐振频率时才可能 使气泡崩溃，而当声波的频率大于气泡的谐振频率时，气泡将进行复杂的振动， 一般不发生崩溃。 。 设液体是不可压缩的，液体中的有一半径为r 的气泡；气泡所在液体中静压 力为只，超声声压为p 一己s i n c o t ，则可求得气泡的运动方程为： r 窘+ 吾( 筹) 2 + 吉卜一己s ；n 耐一只一詈一( 鲁) 3 ( p o - + 鼍) i 一。c 卜2 ， 上式是一个非线性方程，一般得不到解析解，但在特殊情况下可使方程线性 化。如当气泡振幅很小时，设运动过程为绝热过程，在一级近似下，可得出气泡 做简谐运动的固有周期为： 。 ，j l 。9 幼n o ( 1 - 3 ) 式中昂一蒸汽压：r 一气泡的初始半径；p 一液体密度；y 气体的比热比；a - - 液体的表面张力系数 这种弱声场作用下，气泡所做的是稳态的小振幅脉动现象，即“稳态空化”。这 些气泡在进行共振过程中，伴随着一系列二阶现象发生。首先是辐射力作用，其 次伴随气泡脉动而发生的是微射流，它可以使脉动气泡表面存在很高的速度梯度 和粘滞应力。一般情况下，当己最时，计算可得出下述结论： 若外加声场频率为厂n ，由上式可算出相应的气泡共振半径。对初始半径大 于共振半径的气泡，将发生复杂的形变运动，但一般不发生闭合过程。 对初始半径小于共振半径的气泡，随着声压负相的到来而不断增大，而当 声压正相到来时，气泡先因惯性继续增大到最大半径，然后迅速收缩，直到闭合。 这种有闭合的气泡运动，即“瞬态空化”。当气泡体积收缩到极小时，它可能延续零 点几个纳秒，气体的温度可高达数千度。气泡中的水蒸气在这样的高温下分解为： h 与o h 自由基，它们又迅速与其他组分相互作用而发生化学反应。此外，在空化 泡崩溃时，常常伴随有声致发光、冲击波击高速射流现象发生。 ( 3 ) 声辐射压力与声流 a 声辐射压力 声辐射压力是指声场中的物体受到的时间平均声压力，它是声波的非线性在 液体中引起的一种物理现象，属于二阶量。当声能密度很大时，声场中各点的声 压、密度的变化量及质点速度均不能再当作小振幅线性声学处理，较强的辐射压 力可在流体中引起声流。利用超声处理污泥时，在空化场中有大量的空化气泡及 污泥絮体，声辐射压影响它们的分布，从而影响破解效果。将比波长小的微小轻 量的物体放进驻波场中时物体并不下落，而是聚集浮扬在驻波的波节( 声压的最小 值) 或波腹( 声压的最大值) 附近，聚集在波节( 或波腹) 取决于微小粒子和周围介质的 密度和声速差【4 】。 b 声流【5 , 6 1 当流体介质中有强声波传播时，往往会出现种非同周期性的运动，这种现 象称为声流。声流现象是一种常见的二阶声学现象，对这一现象的研究涉及声学、 流体力学、边界层理论及非线性效应等方面的知识。r a y l e i g h 最早对这一现象进行 了理论研究，此后国内外很多学者在这一方面也做了大量工作。研究表明，声流 是媒质通过声吸收从声波中得到动量的结果。在有限振幅的情况下，由于非线性 吸收效应，不管媒质是否具有粘滞性，均可产生声流，而且当液体中有接近于谐 振尺寸的气泡时，声流速度会明显增加。影响声流的因素有粘滞系数、弛豫过程、 媒质的可压缩性、边界效应、声场特性等。由声流产生的机理可知，声流速度正 比于声波频率的平方及声强。频率足够高时，无需很强的声波就可以产生声流。 声流可以产生巨大的切应力。在生物组织内，这种强力能使细胞质流动，造成内 部结构变化，使细胞聚集或散开。微声流产生的应力达到某临界值时，可导致细 胞膜破裂、溶血、细胞膜渗透性变化、破坏生物组织等【7 卅 1 2 2 超声作用的几种机制 ( 1 ) 力学机制 超声波在介质中传播时会产生机械扰动的空间分布，扰动的空间分布与相关 物理量：压力、张力、且应力、膨胀、压缩、速度和加速度等有关。如超声频率 为2 0 k h z ，位移振幅值为二、只轨r 2 d r = 2 0 9 i n ，由声振动方程可以求出速度和加 j 速度幅值分别为2 5 m s 和3 2 x 1 0 5 肌s 2 ，相当于3 2 x 1 0 4 个重力加速度，这会大大 增加化学反应中的传媒效果。 ( 2 ) 热学机制 超声在媒质中传播时，振动的能量会转化为热能传给媒质，使媒质温度升高。 一般情况下温度升高不是一种好效应，因而常常采取一定的防止温度升高的措施， 通常在声化学反应其中都带有恒温装置，如恒温槽或加循环水等，但在医学超声 中热学机制则是超声理疗和热疗的主要理论基础。 6 ( 3 ) 声空化机制 超声辐射到液体中时，在液体中会产生空化现象，局部产生高温、高压，气 泡的瞬间破裂可导致自由基形成和声致发光现象出现；高压的释放会在液体中形 成强大的冲击波或高速空化射流。由声空化效j 电产生的高温、高压和自由基会加 速化学反应。 1 2 3 声化学反应器类型 声化学反应器指将超声波引入，并在其作j 丑下进行化学反应的系统，其核心 是超声发生器。超声发生器通过超声换能器将电能转化为声能。超声反应器有如 下几种： ( 1 ) 超声清洗槽式声化学反应器 超声清洗槽式声化反应器是由一个不锈钢水槽和若干个固定在水槽底部的超 声换能器组成。装有反应溶液的容器直接放入清洗槽中接受超声辐照，所用超声 频率2 0 k h z 至几百k h z 不等，该反应器声强较侧们。超声清洗槽式声化学反应器 有缺点如表1 2 所示。 表1 2 超声清洗槽式声化学反应器有缺点 超声 优点1 实验室普遍备用超芦没备 清洗 2 对反应液体容器除平底外无特殊要求 槽式 3 不存在因空化腐蚀探头表面而污染反应液体的 声化问题 学反 缺点1 反应液体中的声功率密度不如探头浸入式强 应器 2 温度难于控制 3 反应液体中的声强与反应容器在水槽的位置有关 ( 2 ) 探头式超声反应器 此种反应器是将探头( 超声换能器驱动的声变幅杆的发射端，一般由金属钛 制成) 直接浸入反应液体中。超声辐射端面上可获得较大的声强，该反应器是将 超声能量传递到反应液体的一种有效方法。超声频率一般在2 0 - - 1 0 0 k h z 之间， 也有高达几百k i - i z 。由于超声发生器本身不能将电能全部转化为声能，一部分电 能会转化为热能，故反应器探头及反应液温度会大幅升高，需实行温控。探头式 超声反应器有缺点如表1 3 所示。 7 表1 3 探头式超声反应器有缺点 探头优点1 反应液体中可获得较高卢强 式声2 探头辐射的卢功率可调到最佳1 1 作状态 化学缺点 1 温度难j 。控制 反应 2 探头表面受空化腐蚀可能污染反应液体 器 ( 3 ) 平行板近场声处理器 该发生器由一个矩形空间构成，矩形空间上下两块平行金属板上都镶有磁致 伸缩换能器，分别由两个不同的超声发射源提供，产生频率各为1 6 k h z 和2 0 k i - i z 的超声。被处理液从矩形空间一端流入，另一端流出，当液体流经上下两块金属 板构成的区域时受到超声辐照。该系统声强是单一金属板发射声强的两倍以上。 ( 4 ) 正交反应器 正交反应器中两个超声波场彼此垂直成直角。其中一个超声换能器工作频率 在m h z 范围内，产生的超声波传质效果良好；另一个换能器工作频率在k l - i z 范 围，产生机械效应和强大的超声空化效应。同时m h z 频率超声产生的声场可提 高k h z 频率的超声机械和空化效应。 1 3 超声处理污泥研究进展 1 3 1 污泥降解机理的探索 当一定强度的超声波作用于某一液体系统中时，将产生一系列物理和化学反 应，并明显改变液体中的溶解态和颗粒态物质的特征。这些反应是由声场条件下 大量空化泡的产生和破灭引起的。超声空化是指在很高的声强下，特别是在低频 和中频范围内，液体中将产生大量空化泡，它们随声波改变大小并最终在瞬间破 灭。当空化发生时，液体中产生很高剪切力作用于其中的物质上，同时伴随发生 的高温高压并将产生明显的声化学反应。空化作用是个复杂的过程，几十年来吸 引许多研究者在理论和实践上不断探索，以对空化机理及其相关化学反应有更深 了解。在水溶液中，发生空化时产生的主要影响有如下：( 1 ) 很高的流体剪切力； ( 2 ) 自由基反应及化学转化；( 3 ) 挥发性疏水物质的热分解。为了考察超声波分解 污泥是空化作用时气泡破灭产生的水力剪切力的作用，还是自由基反应引起的细 胞分解。 n e i s l l o l 在探索超声波分解是否仅仅是超声空化作用时气泡溃灭产生的力学作 用，自由基反应是否对细胞破坏有作用等作了大量工作，他认为超声波作用的理 想频率为4 1 k h z ，而且污泥分解作用主要是力学过程。为了考察超声波破解污泥是 空化作用时气泡破灭产生的水力剪切力的作用，还是自由基反应引起的细胞分解。 8 芬、季民1 1 1 j 通过投加n a h c 0 3 屏蔽自由基氧化作用的方法，研究了在不同声能 密度下，超声分解污泥的结果表明，随着声能密度不同，水剪切力与自由基氧化 在超声破解污泥中所占比例有所不同，但主要作用途径是水剪切力的机械作用。 由此可知，污泥分解主要是低频时水力剪切力的作用。 1 3 2 超声波对污泥的破解作用研究进展 为了缩短污泥厌氧消化时间，减少污泥量和消化池体积，国内外学者对污泥 破解进行了大量研究。污泥破解目的是破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体结 构发生变化，污泥细胞内含物流出，进入水相，变难降解的固体性物质为易降解 的溶解性物质。但是，在利用超声波技术对污泥处理方面，国内却几乎一片空白， 只有国立台湾大学对此进行了一些研究i ”l 。国外，德国在这方面走在世界各国前 面，他们的研究集中在利用超声波对剩余污泥进行分解来提高厌氧消化的能力。 超声波促进污泥分解主要是超声低频时水力剪切力的力学作用，其中一部分振动 能量可被污泥絮体吸收转化为热能，起到一定的降粘效果。超声波对污泥的其他 一些作用，如局部发热、界面破稳、扰动和空化，能够使污泥中的生物细胞破壁， 并且加速固液分离过程，改善其脱水性制”l 。高强度的超声发挥其空化作用，空 化泡崩溃产生的冲击波以射流形式撞击着周围的颗粒物质，导致污泥中细胞的分 解。细胞物质融解到上清液中，可以用后续厌氧过程处理。 ( 1 ) 国外研究 h a r r i s i o n1 1 4 年报道超声降解是一种打碎细胞壁的方法，并且已经显示分子量 超过4 0 0 0 0 的高分子物质可以被由超声空化引起的强大的水力剪切力所分解。 t i e h m ( 2 0 0 1 ) 等人【1 5 l 对超声波处理污泥进行了实验。他们采用的频率为4 1 、 2 0 7 、3 6 0 、1 0 6 8 、3 2 1 7k h z 。在这样广的频率范围内，他们发现在低频时对污泥分 解最为有效。t i e h m 等也对超声空化引起的两种现象即水力剪切和声化学反应进行 了理论分析。尽管声化学反应可以在2 0 k h z 到1 m h z 之间很广的频率范围内发生， 但他们认为水力剪切比声化学反应对污泥分解更为重要。这一点被m a r k l l 6 j 所证实， 报道声化学反应最有效的频率范围在2 0 0 1 0 0 0 k h z 之间，而不是4 1 k h z 。在频率为 4 1 k l - i z 时，t i e h m 等人发现了一个有趣的现象，他们观察到在用0 1 w m l 很低的 声能密度时污泥有所分解，这比水的空化阈值0 4 w m l 还低，他们认为这是由于 污泥中含有大量小的颗粒和气泡可以作为空化核的原因。 c h u 等【1 7 1 也用超声波对活性污泥的物理、化学和生物特性分别进行了研究。 同时他们的实验也揭示超声作用没有对悬浮颗粒的表面电荷产生影响，但是由于 絮体被打碎了，污泥上清液中c a + 和m g + 的浓度却显著地提高。c h u 等人还对大肠 杆菌和异样菌进行了实验，发现与异样菌相比，大肠杆菌更容易被分解，而且污 9 泥上清液的s c o d 显著提高。同时c h u 等人也观察到了温度j 升的现象，为此他 们考察了究竟是超声波还是热效应导致了c o d 的释放。结果表明单独在温度高的 情况下，刁i 足以破坏絮体结构，所以他们认为超声空化和由此引起的温度上升对 于污泥分解是同样重要的。 f r e i 1 8 f 等专利是一种超声波连续处理水厂剩余污泥的装置。经细菌分解后的剩 余污泥被送入超声处理罐，提高脱水能力，最终减少污泥量。反应器内超声波频 率为2 0 2 5 k l - l z ，声密度5 0 0 1 5 0 0 w m - 2 ，污泥停留时间2 4 m i n 。a t i e h m ! ”l 等将超声反应器与厌氧消化池组合。使用超声波( 3 6 k w ，3 1 k h z ，6 4 s ) 预处理污 泥，污泥中溶解性化学需氧量( s c o d ) 由6 3 0m g - l 1 上升到2 2 7 0m g - l 1 ；实验 温度3 7 ，经9 6 s 超声波处理，试样上清液c o d 由1 0 0 r a g l 1 上升到 6 0 0 0 m g l 1 ，污泥消化时间由2 2 天减至8 天。 超声与与其他方法如厌氧、好氧处理，污泥的厌氧处理的联用。每一种应用， 对于超声能量输入和细胞分解程度及厌氧消化时间都有优化组合。y i n g c h i h c h i u 驯等研究发现，同时用碱和超声对废活性污泥( w a s ) 进行预处理，可以有 效的提高污泥中挥发性酸的产量，以达到回收污泥中挥发性脂肪酸的目的。处理 后的w a s 样品中总c o d 中释放出的s c o d 从3 6 变化到8 9 ，溶性有机氮 含量从3 4 上升到4 2 采用碱( 1m g l - 1 ) 与超声波( 1 2 0 w ，2 0 k h z ) 结合的方 法与处理污泥2 4 0 m i n ，可以使污泥中7 8 的总化学需氧量( t c o d ) 溶出。 ( 2 ) 国内研究 曹秀芹1 2 1 j 等采用1 8 k h z 的超声波，输入能量在0 2 0 5 w m l 1 的范围内，处 理污泥l 3 0 m i n ，研究了超声波对污泥的作用。结果表明超声空化引起的微射流 作用即机械剪切力的作用，使污泥絮体破碎并进一步导致细胞分解，促使了胞内 物质的释放，污泥的s c o d ( 溶解性化学需氧量) 迅速上升。超声作用时间和超 声声能密度对污泥的分解都有影响，其中前者的影响大于后者。 王芬【2 2 l 等采用超声波技术破解人工配水条件下培养的污泥，研究了超声破解 含固率为0 5 和1 污泥的性能，并比较了超声破解两种含固率污泥的效果。他 们的研究表明，在一定声能密度下，s c o d 增加值随时间延长线性增长。在较高 声能密度与较低污泥浓度下，s c o d 增加值随时间延长不再呈线性增长趋势，而 是随超声作用时间的延长，增长速度减慢。 曹秀芹1 2 3 j 等研究超声处理后剩余污泥性质的变化，探讨了污泥上清液中 s c o d 、b o d 、t n 、t p 以及污泥耗氧速率0 u r 等随超声时间和声能密度的变化， 尤其是对进一步的污泥处理处置的影响进行分析。研究表明，超声处理后的污泥 结合到污水处理工艺中可以实现污泥隐性生长而达到污泥减量的目的；或者为污 l o 泥迸一步处理处置提供了有利条件。 李欢i “1 等研究结果表明，污泥破解程度随着超声输入能量的增加而提高，而 且低强度、长时问超声作用的效噪好于高强度、短时间作用；温度升高有助于污 泥破解，但随