（环境工程专业论文）微波破解污泥及其厌氧消化性能的研究.pdf

摘要 摘要 采用厌氧消化技术实现剩余污泥的减量化、稳定化、资源化，具有能耗低、污泥稳 定性好、产生沼气及杀灭病菌等优点，该技术现广泛应用于城市污水处理厂的污泥处置。 由于污泥完全的厌氧消化需相当长的时间，即使2 0 - - 3 0 d 的停留时间( s r t ) 仅可去除 部分挥发性污泥固体( v s ) 。有效提高污泥的厌氧消化速率和程度是当前该技术面临的 主要问题。污泥絮体及细胞壁屏障作用的存在，胞内活性有机物难以在胞外水解酶的作 用下有效释放并分解成小分子，从而限制了污泥厌氧消化的速率及程度。因此，实现污 泥微生物细胞的分解及胞内有机物的释放是改善污泥厌氧消化性能，提高处理效率的关 键。本课题采用微波预处理，破解剩余污泥，达到提高厌氧消化性能的目的，对降低污 泥处理费用和消除二次污染，具有较大的现实意义。主要研究内容：研究不同微波能量、 停留时间、污泥含水率对微波破解污泥效果的影响；利用均匀设计的试验方法分析比较 各因素对污泥破解效果的影响，并确定最优微波破解条件；在最优微波破解条件下设计 厌氧消化试验，探讨微波破解对污泥厌氧消化性能( 包括有机物去除率、生物产气量、 病原菌及蛔虫卵杀灭率) 的影响。 试验结果表明：采用微波技术破解污泥，可以快速破坏污泥絮体及污泥细胞壁，释 放胞内活性有机物，从而增加水相中s c o d 值，s c o d 增加值随着微波比能耗的增加、微 波辐射时间的延长与污泥含水率的降低而增加。在微波辐射作用下，v s 去除率曲线随着 比能耗的增加、微波辐射时间的延长与含水率的降低而呈上升趋势，说明微波辐射可以 促进污泥的减量化。 微波破解污泥的均匀设计试验表明各因素对污泥s c o d 增加率的影响顺序为：含水 率 微波比能耗 微波辐射时间，对污泥v s 去除率的影响顺序为：微波比能耗 微 波辐射时间 含水率。综合考虑破解效果和能耗因素，微波破解污泥效果的最优条件为： 选用浓缩污泥i i ( 含水率约为9 7 ) 、微波比能耗4 w i i l l 、微波辐射时间1 8 0 s 。 在最优微波破解条件下进行中温厌氧消化试验，与参比组相比，污泥经过微波预处 理后进行厌氧消化可以极大提高厌氧消化反应中有机物的降解率和生物气产量。污泥停 留时间为8 天时，与参比组相比，分别饲入经微波破解4 0 s 、1 2 0 s 、2 4 0 s 、3 0 0 s 污泥的 第2 、3 、4 、5 组厌氧消化反应器生物产气增加率为：2 8 8 、4 3 4 、4 4 3 和4 5 1 ；微波 破解后进行厌氧消化可以缩短厌氧消化的污泥停留时间，与参比组相比，污泥经微波破 解后可将厌氧消化池的污泥停留时间由一般的2 0 天缩短至8 天；经过微波破解后进行 广东工业大学工学硕士学位论文 厌氧消化处理的反应器出泥大肠杆菌数明显减少，污泥停留时间达到8 d 后，经过微波 破解后进行厌氧消化处理的反应器出泥大肠杆菌数完全符合国标g b 8 1 7 2 8 7 ( 城镇垃圾 农用控制标准) 对污泥农用时的大肠菌值 i 0 叫一- - - 1 0 2 的要求。 关键词：剩余污泥；微波辐射；破解；厌氧消化；均匀设计 n a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o nt oa c h i e v et h er e d u c t i o no f r e s i d u a ls l u d g e ，s t a b i l i t y ，r e s o u r c e s ， w i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o na n ds l u d g eg o o ds t a b i l i t y , a n dk i l lt h eb a c t e r i ap r o d u c em e t h a n e ， a n do t h e ra d v a n t a g e s ，t h et e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nu r b a ns e w a g ep l a n ts l u d g ed i s p o s a l b e c a u s es l u d g es o l i d sb i o d e g r a d a b i l i t yo fl o wa n a e r o b i cd i g e s t i o nt oc o m p l e t eac o n s i d e r a b l e l e n g t ho ft i m e ，e v e nt h o u g ht h e2 0t o3 0d r e t e n t i o nt i m e ( s r t ) c a nh er e m o v e do n l yp a r to f t h es l u d g ev o l a t i l es o l i d ( v s ) e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es l u d g es o l i d sb i o d e g r a d a b l e ，a n d i m p r o v et h ea b i l i t yo ft h ea n a e r o b i cs l u d g ed i g e s t i o nr a t ea n de x t e n to ft h et e c h n o l o g yi s c u r r e n t l yf a c i n gam a j o rp r o b l e m b e c a u s es l u d g ef l o ca n dt h er o l eo ft h ec e l lw a l lb a r r i e r s e x i s t ，i n t r a c e l l u l a ra c t i v i t yo fe x t r a c e l l u l a ro r g a n i cd i f f i c u l t yi nt h er o l eo ft h ee n z y m er e l e a s e a n dg e n e r a t ee f f e c t i v es m a l lm o l e c u l e s ，w h i c hl i m i t st h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nr a t ea n de x t e n t t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no fs l u d g ec e l ld e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e ra n dr e l e a s eo f i n t r a c e l l u l a ra n a e r o b i cd i g e s t i o ni st oi m p r o v ep e r f o r m a n c e ，e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fk e y t h em i c r o w a v ep r e t r e a t m e n ti s s u e s ，r e s o l v et h er e m a i n i n gs l u d g e ，a n dt oe n h a n c ea n a e r o b i c d i g e s t i o np e r f o r m a n c e m a j o rr e s e a r c h ：s t u d yd i f f e r e n tm i c r o w a v ee n e r g y ，r e s i d e n c et i m e ，t h em o i s t u r ec o n t e n t o f t h es l u d g eo nt h em i c r o w a v ee f f e c to fs l u d g ec r a c kt h eu s eo f t h et e s tm e t h o du n i f o r m d e s i g na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fv a r i o u sf a c t o r so nt h ee f f e c t so fc r a c k e dm u d ，a n dt o d e t e r m i n et h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rm i c r o w a v ec r a c ki nt h eo p t i m a ld e s i g no fm i c r o w a v e c r a c ku n d e ra n a e r o b i cd i g e s t i o nt e s t ，t h ec r a c ko f m i c r o w a v ep e r f o r m a n c eo f a n a e r o b i c d i g e s t i o n ( i n c l u d i n go r g a n i c sr e m o v a l , b i o g a sp r o d u c t i o n , p a t h o g e n sa n dh u i c h o n g k u n k i l l i n gr a t e ) t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c r a c ks l u d g em i c r o w a v et e c h n o l o g yc a nb eq u i c k l yd e s t r o y e d s l u d g ea n ds l u d g ef l o ec e l l s ，i n t r a c e l l u l a rm a t e r i a lf r o mt h es l u d g ei n t ot h ew a t e rp h a s e ， r e s u l t i n gi ni n c r e a s e dv a l u eo fa q u e o u sp h a s es c o d s c o da d d e dv a l u et h a nw i t ht h e m i c r o w a v ee n e r g y ，m i c r o w a v er a d i a t i o n , a sw e l la st h ei n c r e a s eo fm o i s t u r ec o n t e n to ft h e s l u d g et or e d u c et h ei n c r e a s e r o l ei nt h em i c r o w a v e ，v sr e m o v a lc u r v et h a nw i t ht h e i n c r e a s ei ne n e r g yc o n s u m p t i o n , m i c r o w a v er a d i a t i o na n dt h ee x t e n s i o no fw a t e ra n dr e d u c e i i i 广东下业大学丁学硕十学位论文 t h er a t eo fu p w a r dt r e n d t h em i c r o w a v er a d i a t i o nt oac e r t a i ne x t e n t ，c a np r o m o t et h e r e d u c t i o no fs l u d g e m i c r o w a v eb r e a kt h r o u g ht h eu n i f o r md e s i g ns l u d g et e s t i n g ，t h ev a r i o u sf a c t o r so nt h e r a t eo fi n c r e a s eo fs l u d g es c o d c h r o n o l o g i c a lo r d e r ：w a t e rc o n t e n t m i c r o w a v ee n e r g yt h a n m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m e ，t h er e m o v a lo fs l u d g ev so r d e r ：m i c r o w a v ee n e r g yt h a n m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m e m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dc o n s i d e rt h e e f f e c t so fc r a c k ，c r a c ks l u d g ee f f e c to fm i c r o w a v eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：9 7 m o i s t u r e ，m i c r o w a v ee n e r g yt h a n4w m l ，18 0sm i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m e o p t i m a lc o n d i t i o n si nt h em i c r o w a v ec r a c ku n d e rt h et e m p e r a t u r ea n a e r o b i cd i g e s t i o n e x p e r i m e n t s ，c o m p a r e dw i t ht h er e f e r e n c eg r o u p ，am i c r o w a v ep r e t r e a t m e n t s l u d g ea f t e r a n a e r o b i cd i g e s t i o nc a nb eg r e a t l ye n h a n c e d a n a e r o b i cd i g e s t i o no f o r g a n i cr e a c t i o n s ，a n dt h e d e g r a d a t i o nr a t eo fb i o g a sp r o d u c t i o n s l u d g er e t e n t i o nt i m eo f8d a y s ，c o m p a r e dw i t ht h e r e f e r e n c eg r o u p ，o t h e rg r o u p so fa n a e r o b i cd i g e s t i o nr e a c t o rg a sp r o d u c t i o ni n c r e a s e ：2 8 8 ， 4 3 4 ，4 4 3 a n d4 51 m i c r o w a v eb r e a ka f t e ra n a e r o b i cd i g e s t i o nc a nr e d u c et h ea n a e r o b i c d i g e s t i o no fs l u d g er e t e n t i o nt i m e c o m p a r e dw i t ht h er e f e r e n c eg r o u p ，t h em i c r o w a v es l u d g e c a nb ec r a c k e da f t e rt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt a n ks l u d g er e t e n t i o nt i m eo f 2 0d a y sf r o mt h e g e n e r a ls h o r t e n e dt oe i g h td a y s a f t e rm i c r o w a v eb r e a ka f t e rd e a l i n gw i t ht h ea n a e r o b i c d i g e s t i o nr e a c t o r 舶mt h em u ds i g n i f i c a n t l yr e d u c et h en u m b e ro fe c o l i s l u d g er e t e n t i o n t i m eo fu pt o8da f t e rt h eb r e a ka f t e rm i c r o w a v et r e a t m e n to fa n a e r o b i cd i g e s t i o nr e a c t o r f r o mt h em u di nf u l l c o m p l i a n c ew i t he c o l ig bg b 8 17 2 8 7 ( f a r mt o w n sr e f u s ec o n t r o l s t a n d a r d s ) o f t h es l u d g ef a r mc o l i f o r mv a l u e 1 0 。1t o1 0 之r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r e s i d u a ls l u d g e ；m i c r o w a v er a d i a t i o n ；c r a c k ；a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；u n i f o r md e s i g n 广东_ l 业大学j 学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使 用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果 归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 9 8 艚挪獬步乡 论文储躲余补锋 2 0 0 8 年5 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1城市污水处理厂污泥问题及其环境影响 随着我国城市污水处理厂建设数量的大幅增加，剩余污泥的产量也越来越大。2 0 0 4 年全国废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，排放达标率为 9 0 7 ，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨，集中处理率平均为3 2 3 3 ，化学需氧量排放量 为1 3 3 9 2 万吨，产生的干污泥量约为3 4 2 万吨，折合含水率为8 0 的脱水污泥约为 1 7 1 0 万吨【i j o 这些污泥一般富含有机物、病菌等，若不加处理随意堆放，将对周围环境 产生新的污染。污泥的处理和处置，就是要通过适当的技术措施，使污泥得到再利用或 以某种不损害环境的形式重新返回到自然环境中。 目前对这些污泥处理处置方法主要有：农用、填海、焚烧、埋地，在实际运行中， 这些方法都无一例外地存在缺点团【5 1 。如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属 最高限量的规定，此外还含有病原体、寄生虫卵等，如农业利用不当，将对人类的健 康造成严重的危害；填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占用土地；焚烧处置虽 可使污泥体积大幅减小，且可灭菌，但焚烧设备的投资和运行费用都比较大；投放远洋 虽可在短期内避免海岸线及近海受到污染，但其长期危害可能非常严重，因此，已被世 界上大多数国家所禁用。 污泥的厌氧消化既可以使剩余污泥减量化、无害化，同时产生的沼气可作为燃料， 解决现在日益严峻的能源短缺问题，因此该技术在许多国家得到广泛应用【6 】。 1 2 污泥的厌氧消化 1 2 1 厌氧消化的原理 厌氧消化( 以下简称消化) 是利用厌氧条件下厌氧茵群的作用，使有机物经液化、气 化而分解成稳态物质的过程。在这一过程中，部分病菌、寄生虫卵被杀死，固体达到减 量化的目的。 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程。厌氧消化分为三个阶段。第一阶段是在水解 广东工业大学工学硕士学位论文 与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、 脂肪酸、甘油、及二氧化碳、氢等；第二阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第一阶段的产 物转化成氢，二氧化碳和乙酸；第三阶段是甲烷化过程，即通过产甲烷菌的作用，生成甲 烷【8 】【9 】o 第一阶段第二二阶段 第兰阶段 图1 1 三阶段厌氧消化模式 f f i g 1 一lt h r e e s t a g ea n a e r o b i cd i g e s t i o nm o d e ) 1 2 2 厌氧消化的优点 污泥厌氧消化具有以下优点【7 1 ： ( 1 ) 产生能量( 甲烷) ( 2 ) 使最终需要处置的污泥体积减少3 0 , - 一5 0 ( 3 ) 消化完全时，可以消除恶臭 ( 4 ) 杀死病原微生物 ( 5 ) 消化污泥容易脱水，含有机肥效成分，适用于改良土壤 1 2 3 污泥厌氧消化存在的问题及污泥破解处理的意义 我国应用最广的厌氧消化技术是厌氧中温消化技术。污泥中温厌氧消化工艺，存在 着反应速度慢，污泥在池内的停留时间过长，池体体积庞大，操作管理复杂，产气中甲 烷含量低等缺点。 微生物细胞的细胞壁是一稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。细胞壁属于生 物难降解惰性物质，细胞壁的破解较为困难，导致厌氧污泥消化过程需要较长的停留时 间。细胞壁的水解反应是污泥厌氧消化速率的限制步骤【l o 】【1 2 】。为缩短污泥厌氧消化时 2 第一章绪论 间，减少污泥量和消化池体积，国内外专家对污泥预处理技术进行了大量研究，目前效 果最好的是在污泥厌氧消化前先进行污泥破解，以促进厌氧消化速率。污泥破解就是破 坏污泥细胞壁的半刚性结构，使污泥絮体结构发生变化，细胞内含活性有机物溢出，进 入水相，变难降解的固体性物质为易降解的溶解性物质。污泥破解后，水相中的有机物 含量会在较短时间内大大增加，从而加速污泥水解速度，缩短厌氧消化停留时间，提高 污泥厌氧消化性能。 1 3 污泥破解技术的研究进展 污泥破解技术有：物理法，化学法，生物方法及一些组合的方法等。 1 3 1 物理法 物理法泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法，如冷冻融化处理、加 热处理、超声波处理、高压处理等【1 3 j 。在控制良好的情况下，冻融处理可以同时减少 污泥内的致病菌量以及大幅改善脱水性，大幅降低污泥处理的成本，但是它面临的问题 是如何有效地设计机械冷冻设备。超声波振荡、沸腾热处理都可以有效破坏污泥颗粒 的结构，但是同时也会带来脱水性能变异的影响。 ( 1 ) 高压喷射法 c h i o 1 4 】等人研究了高压喷射法对污泥破解的影响。其破解步骤为：污泥经过一孔径 为7 1 0 w m 的筛网，除去砂子等杂质，进入贮泥池，利用一高压泵将污泥加压，经过一 直径很小的喷嘴f 中1 2m m ) ；高速( 3 0 7 1 0 0m s ) 喷射至一平板上，强大的撞击力是导致 污泥破解的主要原因，然后污泥进入贮泥池，完成一次处理。为达到满意的结果，该过 程可以循环数次进行。高压喷射法是一种较有效的破解方式，一般在喷射压力为5 0b a r 状况下，处理5 次，可以使8 6 的总蛋白质溶出，处理1 次，就可使溶解性化学需氧 量( s c o d ) i 主t1 5 2m g l 上升至1 2 5 0m g l 。 ( 2 ) 珠磨法 珠磨法的主要设备是珠磨机。其主体是一圆筒形的腔体，内有带有圆盘状的轴，腔 体内装有钢或是玻璃制的小珠，以提高破解效果。在珠磨机内由于电机带动的圆盘高速 旋转，使污泥与珠子搅动，细胞的破解由剪切力层间的碰撞与珠的滚动引起。m u l l e r l l 5 1 广东工业大学：【：学硕士学位论文 等人研究了搅拌研磨对污泥破解的影响。研究结果表明，当能量输出为1 0 0 0 0k j k g s s 时，c o d 的溶出率可达9 0 。 ( 3 ) 超声波法 u w en e i 1 6 1 等人还进行了利用低频超声波技术处理污泥( 5 3 初沉污泥、4 7 剩余污 泥) 及其对中温厌氧消化促进作用的中试研究。结果发现，利用超声波( 3 1 k h z ，3 6 k w ) 处理污泥6 4 秒后，污泥中溶解性化学需氧量( s c o d ) 从6 3 0m g l 提高到2 2 7 0m g l 。由 于空化过程释放的能量以热的形式被污泥吸收，处理后污泥的温度从1 5 上升至4 5 0 。后续的半连续式中温厌氧消化试验表明超声波破解污泥可以使厌氧消化的停留时间 从2 2 天下降至8 天，产气量也有显著提高。破解后污泥的温度对厌氧消化未造成不良 影响。 曹秀芹【1 7 】等研究了不同声能密度下，超声破解剩余污泥的情况。结果表明，声能密 度为o 2 5w m l ，破解污泥3 0 m i n ，污泥上清液中溶解性化学需氧量( s c o d ) 值从13 3m g l 上升到2 5 6 6m g l ；而声能密度为o 5w m l 下，破解污泥3 0m i n 后s c o d 值从1 3 3m g l 上升到4 5 3 2m g l 。 在较低的能量输出下，超声波破解只是破坏了污泥的絮体结构，而不会破坏污泥细 胞。d j l e e 1 8 1 等人研究了在低能量输出条件下污泥的破解情况及其对中温厌氧消化的 促进作用。结果表明，在超声频率为2 0 k h z ，声强为o 3 3w m l 时，破解污泥2 0 m i n ， 污泥中s c o d 与总化学需氧量( t c o d ) i f i 的比值s c o d t c o d 仅从0 0 6 - - 0 0 8 上升至 0 1 。对破解后污泥进行厌氧消化的试验表明：未经过破解的污泥6 天累积产气量为 4 5 9 c h 4 & g d s ，而经破解后的污泥6 天累积产气量为1 3 0 9 c h 4 k g d s ，产气量大约提高了 2 9 0 。 以上几种机械破解方法都可以有效的破坏污泥结构及污泥胞壁，释放其胞内物质， 但是该类方法一般能耗高h a r r i s o na n dp a n d i t t l 9 】比较了高压喷射法与超声波法的能耗。 结果表明，高压喷射法的能耗为5 0m j m 3 污泥，而超声波法的能耗为1 7 9m j m 3 污泥。 d i c h t l 2 0 1 也比较了两者的能耗，结果表明，两者的能耗分别为2 7m j k g t s 与2 0 0 m j k g t s ，即超声波的能耗较高。另外，高压喷射法及珠磨法要求设备材料耐高压、耐 腐蚀。 ( 4 ) 加热法 高温可以破坏污泥微生物机体基本组成物质，如蛋白质、脂肪等。高温下，蛋白质 4 第一章绪论 会变性，细胞质膜的脂肪受热也会溶解使膜产生小孔，引起细胞内含物泄漏，所以，加 热也可用作污泥破解。p c a m a c h o 2 1 】等人研究了4 0 - - 1 2 0 c 高温对污泥破解的影响。结 果发现，4 0 下，破解效果不明显，6 0 下加热2 4 t l r 可以使2 5 的t c o d 溶出；9 5 下加热2 4l l r 可以使3 0 3 5 的t c o d 溶出；开始2l l r 内，两者的反应速度都很快，随 后速度变得很慢；1 2 0 下，压力为l b a r 时，破解4 5 m i n ，t c o d 溶出率为3 5 7 。 使用传统加热法破解污泥的缺点是，要对加热过程中产生的臭气进行处理，处理量 较大时，均匀加热较困难，而且加热法易造成反应器的腐蚀问题。 ( 5 ) 微波法 微波法也是加热法的一种。微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，微 波是指频率为3 0 0m h z - 3 0 0k m h z 的电磁波，即波长在1 米到1 毫米之间的电磁波。 微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”，通常用于电视、广 播、通讯技术中。而近代把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业上进 行加热、干燥；在化学工业中进行催化、萃取等化学反应和激发等离子体等等。家用微 波炉的使用更标志微波技术的日趋成熟。目前国内用于工业加热的常用频率为9 1 5 兆赫 和2 4 5 0 兆赫。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同 而定。微波波段位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。 图卜2 微波频率范围 ( f i g 1 2m i c r o w a v et 量e q u e n c yr a n g e ) 微波技术是近代科学的重大成就之一，几十年来，微波己发展成为一门比较成熟的 学科。在雷达、通讯、导航、电子对抗等许多领域得nt 广泛的应用【3 7 1 。雷达更是微波 广东- 【i 业大学一 学硕士学位论文 技术的典型应用。可以说没有现代微波技术的发展，具体的说是没有微波有源器件的发 展，就不可能有现代雷达。现代的手机通讯更是与微波休戚相关。 在实际工作中，为了方便起见，常把微波波段简单的划分为：分米波段( b d m ) ( 频 率从3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 、厘米波段( b c m ) ( 频率从3 3 0 g h z ) 、毫米波段( b m m ) ( 频率从3 0 , - - 一3 0 0 g h z ) 、亚毫米米波段( 频率从3 0 0 3 0 0 0 g h z ) 。在雷达、通讯及常 规微波技术中，常用英文字母来表示更为详尽的微波分波段，如下表1 1 所示。 表1 - 1 常用英文字母表示的微波分波段 ( t a b 1 一lc o m m o n l yu s e di ne n g l i s ha l p h a b e t i c a ls a i da tt h em i c r o w a v eb a n d 、 常用微波分波段家用电器频率 波段标称波长频率范围波长范围名称频率范围 号( e r a )( g h z )( c m ) l2 21 23 0 1 5调幅无线电5 3 5 1 6 0 5 k h z s1 0 2 4 1 5 7 5短波无线电3 - - - 3 0k h z c54 87 5 3 7 5 调频无线电8 8 1 0 8k h z x38 1 23 7 5 2 5 商用电视 一 k u21 2 - 1 82 5 - 1 6 71 5 频道4 8 5 9 2k h z k 1 2 51 8 - 2 71 6 7 - 1 1 16 1 2 频道1 6 7 2 2 3k h z k a0 82 7 4 01 11 - 0 7 51 3 2 4 频道4 7 0 - - - 一5 6 6k h z u0 6 。4 0 - - 6 00 7 5 - 0 5 2 4 - - 6 8 频道 6 0 6 9 6 8k h z vo 46 0 8 00 5 0 3 7 5 家用微波炉 2 4 5 0k h z w0 3 8 0 1o o0 3 7 5 0 3手机通讯9 0 0 k h z 18 0 0k h z 微波是一种电磁能。可改变离子迁移和偶极子转动情况，但不引起分子结构改变， 是非离子化的辐射能。一般来说，介质在微波场中的加热有两种机理，即离子传导和偶 极子转动。在微波加热的实际应用中，两种机理的微波能耗散同时存在。 离子传导是电磁场中可离解离子的导电移动，离子移动形成电流，由于介质对离子 的阻碍而产生热效应。溶液中所有的离子起导电作用，但作用大小与介质中离子的浓度 和迁移率有关。因此，离子迁移产生的微波能量损失依赖于离子的大小、电荷量和导电 性，并受离子与溶液分子之间的相互作用的影响。 介质是由许多一端带正电，一端带负电的分子( 或偶极子) 组成。如果将介质放在两 块金属板之间，介质内的偶极子作杂乱运动，当直流电压加到金属板上，两极之间存在 一直流电场，介质内部的偶极子重排，形成有一定取向的有规则排列的极化分子。若将 直流电换成_ 定频率的交流电，两极之间的电场会以同样频率交替改变，介质中的偶极 子也相应快速摆动，在2 4 5 0m n z 的电场中，偶极子以4 9 1 0 9 次s 的速度快速摆动。 第一章绪论 由于分子的热运动和相邻分予的相互作用，使偶极子随外加电场方向的改变而作规则摆 动时受到予扰和阻碍，产生了类似摩擦的作用，使杂乱无章运动的分子获得能量，以热 的形式表现出来，介质的温度也随之升高。 偶极子加热的效率与介质的弛豫时闻、温度和粘度有关。丽温度和介质离子的迁移 率、浓度及介质的弛豫时间决定两种能量转换机理对加热的贡献。 微波加热有以下几方匿的特点。 瞬时性加热均匀，熟效率高热量从物质内部产生，即理论上所谓的“无温度梯 度加热”，热效率离，使温度敏感材料免受高环境温度的影响，嚣且只需传统方法的 1 1 0 - 1 0 0 的时间即可完成。 选择性不同物料盘予其介电性质不同( 主要是损耗免t g6 值不冠，般从0 0 0 1 到o 5 不等) ，在微波场中的受热特性差别很大水及阴阳离子t g6 值较大，能被微波迅 速加热，两玻璃、聚邂氟乙烯等则是对微波透明的，不吸收微波能，从而不能被微波加 热 穿透性电磁波能够穿透到介质连部，因此微波具有穿透能力强的特点。 高效性传统加热是利用传导和对流方式进行的，首先加热容器，容器将热量传导 到物体表面，然后热量由表面传递到物体内部，从蠢获得热平衡条件，因此加热需要较长时 间，而加热环境一般不可能严格地绝热封闭，长时间加热，就可能向环境散发大量热量。 面微波加热通常在全封闭状态下进行，微波功率以光速渗入物体内部，及时转变为热能，避 免了长时间加热过程中的热散失，并且可对物体内外部进行“整体 加热，因此，与传统的 加热方式相比，微波加热更具有效率高、麓耗低的特点。 综上所述，微波技术具有加热均匀、加热速度快、节省能源及时间和简化操作程序 的特点，只要我们加强基础理论研究，促进各种技术的有效结合薨注意微波泄露对入及 周围环境的危害，相信利用微波破解污泥，提高厌氧消化性能，会产生很好的经济效益 与环境效益。 3 2 化学法 化学法一以加入化学药剂的方法去改变污泥的特性，如改变酸碱度、改变粒子 浓度、添加无机金属盐类凝聚剂，或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等 2 2 1 。其中加 酸、电解质、铝盐凝聚等处理因可以改变溶液渗透压并童接影响微生物新陈代谢，对于 广东工业大学工学硕士学位论文 改善污泥脱水性能有相当的帮助，但是对于结构复杂疏松、有机物比例偏高的污泥而言， 不足以充分改变其组成颗粒的特性，因此无法有效改善其脱水性。同时大量电解质和 铝盐凝聚剂的使用会造成抛弃固体量的增加，可能更会对弃置土地产生长期影响，因此 并不适合做理想的前处理方法。 ( 1 ) 臭氧氧化法 臭氧( 0 3 ) 是一种强氧化刹，利用臭氧麓强氧化性，可以将部分污泥矿化为二氧化碳 和水。同时，一部分污泥溶解为生物可降解性的物质。y a s u i 2 3 1 等人研究了臭氧氧化破 解对于污混减量的影响。臭氧投加量为1 0 m 9 0 3 g m l s s d 状况下，氧纯后鲶污泥匿流 处理后，可以使污泥产量减少5 0 ，臭氧投加量增加到2 0m 9 0 3 g m l s s d 时，好氧系 统可以实现无剩余污泥排放。臭氧氧化屠的污泥之所以可进行生物处理，是因为臭氧氧 化后的污泥中半数以上的碳是易生物降解蒯2 4 1 。但是，臭氧可能会与污水中其他还原性 物质爱应，臭氧氧纯的效率取决予污泥的性质和操作条件，所以，臭氧的最佳投加量及 投加方式控制复杂。 ( 2 ) 氯气氧化法 氯气也是一种氧化剂，在节省运行费用方面，氯气氧化要优于臭氧氧化法。s a b y 等 a t 2 5 】研究了氯气氧化破解污泥对予污泥减量的影响。结果表明，氯气投加量为1 3 3 m g c h g m l s s d 时，氧化后的污泥回流处理后，可以使污泥产量减少6 5 。由于氯气的氧化 能力低予臭氧，所以氯气的投加量是臭氧的7 1 3 倍。氯气氧化后的污泥沉降性能很差 ( s v i 4 0 0 ) ，而且氯气会与水中的某些物质反应生成三卤甲烷( t h m s ) 。但是，当好氧处 理采用膜生物反应器时，由于采用膜分离和强曝气，可以将这些危害减少至最低。 ( 3 ) 湿式氧化法 由g r a n i t 等瑟翻开发的m i n e r a l i s 工艺采用湿式氧化法破解污泥。该工艺的与污水处 理厂其他工艺结合在一起的流程图如图1 3 所示。 8 第一章绪论 原 墨 。 反 应 器 气体 图1 - 3m i n e r a l i s 工艺与常规工艺结合的污水处理流程示意图 ( f i g 1 3m i n e r a l i sp r o c e s sw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o m b i n a t i o no f t h es e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s d i a g r a m ) 该湿式氧化法不需要催化剂，利用该工艺处理来自法国、瑞士6 个不同污水处理厂 的污泥，结果发现：在2 2 0 下，破解后污泥c o d 的减少量为3 0 7 2 ：3 0 0 下，破解 后污泥的c o d 的减少量为8 3 - - 8 8 。3 0 0 下，对其中3 家污水厂污泥破解后的沥出 液分析表明：沥出液中挥发性脂肪酸( v f a ) 与小分子有机物的含量占t c o d 的6 1 9 9 。 可见，沥出液可以作为反硝化的碳源。该方法也利于污泥减量，据估计，2 0 吨浓缩后的 污泥( 含水率为5 5 6 0 ) 经湿式氧化压滤脱水后，可减少为0 6 吨含水率为4 0 4 5 的 泥饼。湿式氧化操作的压力与温度对处理效果影响较大，反应要在高温高压下进行，故 要求反应器材料耐高温高压及耐腐蚀，设备投资费用高。 ( 4 ) 碱解法 碱也可以溶解脂类物质使污泥细胞破解。林志高等人【2 7 1 研究了加碱破解污泥对于中 温厌氧消化的促进作用。他们共进行了4 组厌氧消化试验，研究对象分别为：未经破解 的含i t s 的剩余活性污泥( a 组) ；2 0 m e q l n a o h 破解后的含1 0 d t s 的污泥( b 组) ； 4 0 m e q l n a o h 破解后的含1 t s 的污泥( c 组) ；2 0 m e q l n a o h 破解后的含2 t s 的污 泥( d 组) 。结果表明，活性污泥经碱预处理后，可促进厌氧消化效率，即基质的去除率 9 广东工业大学工学硕士学位论文 增加，产气量增加。而且，加碱量越大，产气组成中甲烷的比例越高。b ， c ，d 三 组去除单位基质所产生的甲烷量均比a 组高。加碱法存在的主要问题是，需要投加碱， 增加了运行费用。而且，碱预处理过程中若碱值过高，会发生褐变反应【2 7 】生成较难生物 降解的物质，降低厌氧消化效率。 1 3 3 生物破解法 污泥生物破解技术，可以投加能分泌胞外酶的细菌，也可以直接投加溶菌酶等酶制 剂或抗菌素对细菌进行溶胞【2 8 1 。溶菌酶是一种糖苷水解酶，能以某些细菌细胞壁中的粘 多糖为底物，作用n 乙酰葡萄糖胺和n 乙酰胞壁酸之间的p 1 ，4 连接，进而水解细菌的 细胞壁。酶不仅能够溶胞，还可以使不容易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质， 有利于细菌利用二次基质。投加的细菌可以从消化池中筛选，还可以考虑特殊的噬菌体和 能分泌溶茵物质的真菌。 1 3 4 组合方式破解法 ( 1 ) 热碱法 过高或者是过低的p h 值会降低微生物对高温的抵抗力，所以热碱法也可以用来进 行污泥破解，其所需要的反应时间比单纯加热或单纯加碱短。s t a n a k a 【2 9 】等人的研究 成果表明；在1 3 0 。c - f ，n a o h 投加量为0 3 9 n a o h gm l s s ( 黜p h 值 1 2 ) 时，处理 5 m i n ，可以使5 3 的颗粒性c o d 溶解。将破解后的污泥与未经破解的污泥进行中温厌 氧消化的试验对比表明：在水力停留时间为2 8 d 时，破解后的污泥经处理后可以使 6 0 的挥发性固体( v s s ) 溶解，而未经破解的污泥溶解率仅为1 6 3 6 。破解后污泥比甲烷产 量是未处理污泥的4 6 倍。该方法的主要缺点是耗时较长，需要投加药剂，增加了运行 费用。 ( 2 ) 热氧化法 为了强化氧化的效果，可以采用热氧化法进行破解。p c 锄a c h o 【2 l 】等人进行了过氧 化氢与加热协同作用下破解污泥的研究。分别在6 0 。c 与9 5 下进行了氧化试验，破解 时间为1 1 1 r 。结果表明，每消耗1 摩尔h 2 0 2 可以释放2 0 m g t o c ，