（化工过程机械专业论文）超声破碎剩余污泥的力学机制.pdf

at h e s i si nc h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y t h e d y n a m i c m e c h a n i s mo fb r e a k i n ge x c e s s s l u d g eb y u l t r a s o n i c b y l i ux i a o l i a n g s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h ut o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果 也不包括 本人为获得其他学位而使用过的材料 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谢意 学位论文作者签名 和i 荔 乞 于 阻p 匕人l 卜侣笠自 口 1一 日期 别 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅 和借阅 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 交流 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年吵一年半口 导师签名 签字日期 甥 z 乏 声 r 吖r 矽 名 山 躲哆 者丸储喘 文期 f r l l 位字 学登 东北大学硕士学位论文 摘要 超声破碎剩余污泥的力学机制 摘要 污水处理厂处理污水普遍使用的方法是活性污泥法 该方法会产生大量的剩余污 泥 需要进行处理以免引起二次污染 超声波破碎方法是处理剩余污泥方法中的一种 本课题的研究思路是 首先进行剩余污泥破碎试验 其次就是对超声波破碎剩余 污泥过程用超声空化理论 再结合相应的简化假设和力学理论来推导其破碎的力学机 制 得出细胞外壳破碎的强度极限 应用该强度极限探讨超声破碎的最佳功率 超声波破碎剩余污泥试验分为两个方面 一是超声波照射时问与污泥破碎效果的 关系 二是超声波照射功率与污泥破碎效果的关系 污泥破碎效果通过s c o d 和核酸 浓度来反映表征 理论推导部分从这样几个方面来进行 首先根距超声空化理论 用数值求解的方 法得到本实验条件下 空化泡的运动曲线 再根据该曲线计算空化泡闭合对闭合中心 周围产生的压力情况 其次根据污泥中的污泥细胞结构 对其中细胞加以简化 并分 析其受力 最后在受力下得到污泥细胞外壳的强度极限 并应用该强度探讨破碎剩余 污泥的最佳功率 在破碎剩余污泥试验部分 通过不同破碎时间试验得到了破碎效果与破碎时间的 关系曲线 即s c o d 浓度与破碎时间的关系曲线和核酸浓度与破碎时间的关系曲线 通过不同破碎功率试验得到了破碎效果与破碎功率的关系曲线 即s c o d 浓度与破碎 功率的关系曲线和核酸浓度与破碎功率的关系曲线 在理论推导部分 根据不同功率下的空化泡运动曲线 得到空化泡闭合前的最大 半径和整个空化过程所需的时间 通过空化泡闭合产生压力的计算 得到空化压力与 离闭合中心距离的关系曲线 通过模型假设和前面所得等参数 推导出细胞外壳的强 度极限o 根据该强度极限和论文中定义的破碎效率系数 得到在本实验c 1 0 75 m p a 条件下的破碎最佳功率为3 5 0 w 与实验结果相符 关键词 剩余污泥 超声破碎 超声空化 力学机制 i i i 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h 1 c h a n i s mo fb r e a k i n ge x c e s ss l u d g eb yultrasoniced y n a m i cm e c t m n l s mo to r e a ke x c e s ss l u o g ed yuln a bs t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sw i d e l yu s e db ys e w a g et r e a t m e n tp l a n tt op r o c e s st h e s e w a g e e s p e c i a l l yf o rc i t yl i f ew a t e r h o w e v e r t h em e t h o du s u a l l yp r o d u c el a r g ea m o u n to f e x c e s ss l u d g e n e e dt ob ed e a l tw i t hi no r d e rt oa v o i ds e c o n d a r yp o l l u t i o n u l t r a s o n i cs l u d g ep r o c e s s i n gi sam e t h o dt ob eu s e df o re x c e s ss l u d g ep r o c e s s i n g i n t h i sp a p e r w er e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cb r o k e ns l u d g ec e l l so nd y n a m i c s f i r s t w eu s eu l t r a s o n i ct ob r o k ee x c e s ss l u d g e s e c o n d w eg e to u tt h ed y n a m i cm e c h a n i s mt h a t h o wc e l l sb r o k e n u l t r a s o n i cb r o k e ns l u d g ee x p e r i m e n ta r ed i v i d e di n t ot w oa s p e c t s f i r s t w es t u d yt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nt i m ea n d t h ee f f e c to fs l u d g eb r o k e n s ow ec a n g e tt h eb e s tu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nt i m e s e c o n d w es t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w e r o fu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o na n dt h ee f f e c to fs l u d g eb r o k e n s l u d g ec r u s h i n ge f f e c ti sr e f l e c tb y s c o do fs l u d g ea n dn u c l e i ca c i dc o n c e n t r a t i o n s s ow ec a l lg e tt h eb e s tu l t r a s o n i c i r r a d i a t i o np o w e r t h ed y n a m i cm e c h a n i s mi se x p l o r ei ns e v e r a la s p e c t sa st h i s f i r s to fa l l w em a s t e r y t h eu l t r a s o n i cc a v i t a t i o n st h e o r y s e c o n d w eu s em a t l a bt og e tt h en u m e r i c a ls o l u t i o no ft h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o na b o u tc a v i t a t i o n sb u b b l e sm o v e m e n t t h r o u g ht h en u m e r i c a ls o l u t i o n w ec a ng e tt h ep r e s sp r o d u c e db yt h ec l o s u r eo fc a p i t a t i o nb u b b l eu n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h i se x p e r i m e n t t h ep r e s si su s e dt ob r o k et h ec e l l so fs l u d g e s oa n dt h ee n dw ec a l c u l a t e t h el i m i ts t r e n g t ho fc e ub r o k e n k e yw o r d s e x c e s ss l u d g e u l t r a s o n i cc a v i t a t i o n d y n a m i cm e c h a n i s m o fc e l lb r o k e n v 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明 i 学位论文版权使用授权书 i 摘要 一i i i a b s t r a c t v 目录 v i i 第1 章绪论 1 1 1课题背景 1 1 2 剩余污泥概述 1 1 2 1 剩余污泥的产生 1 1 2 2 污泥对环境的影响 3 1 2 3 剩余污泥的结构与特性 3 1 3 超声波破碎剩余污泥研究现状 4 1 4 本课题的研究意义 6 1 4 1 研究目的 6 1 4 2 理论意义 6 1 4 3 实际应用价值 6 1 5 本课题的研究内容 6 第2 章超声空化的相关理论 一7 2 1 超声空化阈值 7 2 2空化核 9 2 3 空化气泡的运动 一11 2 4 空化气泡的闭合与反跳 1 3 2 5 空化的基本效应 15 第3 章超声波破碎剩余污泥实验 1 9 3 1 剩余污泥的超声波破碎 1 9 3 1 1 污泥来源及培养 1 9 v t t 东北大学硕士学位论文目录 3 1 2实验装置 一2 l 3 1 3 不同破碎时间下的剩余污泥超声波破碎 2 2 3 1 4 不同破碎功率下的剩余污泥超声波破碎 2 3 3 2s c o d 的测量与分析 2 3 3 2 1 s c o d 概述 2 3 3 2 2s c o d 的测量设备及方法 2 4 3 2 3不同破碎时间下的s c o d 测量结果及分析 2 8 3 2 4 不同破碎功率下的s c o d 测量及分析 3 0 3 3 核酸的测量与分析 3l 3 3 1 核酸概述 3 1 3 3 2 核酸测量仪器与方法 一3 2 3 3 3核酸测量结果与分析 3 3 3 4 剩余污泥粘度的测量 3 4 3 4 1 粘度概述 3 4 3 4 2 测量设备 3 6 3 4 3 测量过程与测量数据 3 7 第4 章超声空化的数值计算 3 9 4 1m a t l 曲概述 3 9 4 2 超声波作用下气泡空化的相应参数 4 0 4 2 1 空化核的初始半径 一4 0 4 2 2 超声波的声压幅值 一4 1 4 2 3 超声空化参数小结 一4 4 4 3 空化气泡运动过程的数值求解 4 4 4 4 空化泡闭合时产生的压力 4 8 第5 章剩余污泥超声破碎的力学机制 5 3 5 1剩余污泥中细菌细胞的结构及其受力简化 5 3 5 1 1 细菌细胞结构 5 3 5 1 2 细菌细胞的受力简化 5 5 5 2 超声波破碎剩余污泥细胞的力学机制 5 6 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 1 剩余污泥中微生物细胞的数量 一5 6 5 2 2空化泡闭合空间内被破碎同心球半径 一5 8 5 2 3 细胞外壳的强度极限 6 0 5 3 细胞外壳的强度极限与超声声源功率 6 1 总结 6 3 参考文献 6 5 致 i 身 6 7 i x 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 现今 人类的生产生活对环境的破坏尤以水污染为重 水是生命之源 显然 被 污染的水对人类本身 以及其它动植物的危害也是相当巨大的 因而污水处理的重要 性不言而喻 随着我国经济的发展和城市现代化建设 城市环境和生态平衡的要求 城市污水处理厂的兴建和管理以成为现代化城市建设不可缺少的一部分 各地都在做 改善水质 进行污水处理 污水回用 污泥处理处置的工作 l 据统计 到2 0 0 0 年底 全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座 其中二级处理厂2 8 2 座 这些污水处理厂的建设 极大地提高了城市污水的处理水平 但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长 两者之间的差距还有进一步拉大的趋势 即便按9 8 年资料 我国城市污水的处理率 也仅为1 5 8 西方发达国家如美国早在1 9 8 0 年就已达到了7 0 f z 根据我国国民 经济发展计划和建设部规划要求 到2 0 1 0 年要实现城市强化排水和污水处理设施的 建设 还要建污水处理厂5 0 0 多座 污水处理率要达到4 0 一5 0 污水处理会产生大量的剩余污泥 因而可以说 剩余污泥的处理和污水的处理具 有同等重要的地位 1 2 剩余污泥概述 1 2 1 剩余污泥的产生 污水处理方法分为物化处理和生化处理 在生化处理中又分为厌氧处理和好氧处 理 而在好氧处理中又分为生物膜法和活性污泥法 活性污泥法处理污水的示意图如 图1 所示 我们知道 被污染的水经过 段时间之后 也会自然净化 这种净化实质 上就是水中的微生物群体降解了水中的有机质 然而这需要相当长的时间 处理能力 也很有限 远远不能满足要求 现在的水污染已远远超出水的自净能力 所以 我们 增加微生物群体的数量 创造出更加有利与微生物群体生长繁殖的条件 使其增长速 度大大提高 微生物群体的增长过程就是污水降解的过程 所以大大增加了水的净化 能力和速度 因而可以说 活性污泥法处理系统 实质上就是自然界水体自净的强化 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 模拟 基本的活性污泥法工艺流程如图1 1 所示 由6 个部分组成 说明如下 1 发生需氧生物氧化过程的反应器 一般称为曝气池 为活性污泥法的核心部 分 是微生物悬浮生长型生化反应器 经初次沉淀池或水解酸化池处理后的废水进入 曝气池 2 向反应器混合液分散空气或氧气的氧源 空气或氧气以压力态 鼓风曝气 或大气态 机械曝气 进入混合液 3 对反应器中混合液进行混合的设备和手段 鼓风曝气或机械曝气的作用除向 废水充氧外 还使反应器中混合液处于剧烈搅动的状态 使活性污泥与废水互相充分 混合 接触 使活性污泥反应得以正常进行 4 对混合液进行固液分离并使沉淀的生物固体浓缩的沉淀池 称为二次沉淀池 澄清水作为处理后的出水排除系统 5 收集二次沉淀池的沉淀生物固体并回流到反应器的设备 生物固体回流可使 反应器中保持一定的活性污泥浓度 由废水 回流活性污泥和空气 氧气 互相混合 形成的液体 称为混合液 6 从系统中废弃一部分生物固体 废弃污泥与在反应器内增长的污泥 在数量 上应保持平衡 使反应器内的污泥浓度相对地保持在一个较为恒定的范围内 3 废水 图1 1 活性污泥法处理废水基本流程 f i g 1 1t h e b a s i c p r o c e s s e s o f a c t i v a t e ds l u d g e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t 2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在活性污泥法处理废水的基本流程中 我们可以看到 所谓的剩余污泥就流程中 的废弃污泥 是系统运行中产生的多余的活性污泥 活性污泥法曝气池中的活性污泥 生物絮凝体 由大量繁殖的微生物群体所构成 可将水中有机物氧化分解成无机物并 合成新的细胞 在二次沉淀池中易于沉淀和分离 二次沉淀池中除了回流的污泥而排 出系统的污泥就是剩余污泥 本试验所用的剩余污泥是 首先从沈阳市沈水湾污水处理厂取回脱水后的剩余污 泥 再在实验室加水曝气加营养液培养起来的 1 2 2 污泥对环境的影响 1 污泥对环境的有用性 污泥中含大量的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n p 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水分 但是也含有大量的病原菌 寄生虫以及其卵 铜 锌 铬 汞等中金属 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 一9 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 对环境的污染目益加重 因而污泥处理技术已经成为重要的环保课题之一 4 1 2 3 剩余污泥的结构与特性 剩余污泥一般呈黄褐色 或深灰色 灰黑色 灰白色等 其颜色与水质和运行状 况有关 当曝气池中供氧不足时 活性污泥会呈黑色 供氧过量时活性污泥会呈白色 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 良好的活性污泥略具土壤的霉臭味 或几乎没有臭味 活性污泥絮凝体的尺寸在 o 0 2 棚 2 m m 范围内 其表面积为2 0 1 0 0 e r a 2 m l 含水率9 9 以上 比水略重 密度 介于1 0 0 2 1 0 0 6 之间 活性污泥固体由4 个部分组成 1 栖息在活性污泥上有活性的微生物群体 这是 最主要部分 2 微生物内源代谢 自身氧化残留物 如细胞膜 细胞壁等 为难降解 的惰性有机物质 3 由原废水带入的微生物难降解的惰性有机物质 4 活性污泥的无 机物组成部分 则全部是由原废水挟入的 至于微生物内存的无机盐类 由于数量极 少 可忽略不计 剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成 而絮体是由大量的分散微生物细菌通 过胞外多聚物 e c p 阳离子 如c a 2 和其他细颗粒架桥而组成 e c p 的两个主要 来源为 微生物的新陈代谢和自溶 如蛋白质 核酸 多糖和脂类 污水本身 活性 污泥法的主要特点是降解污染物的细菌能通过胞外多聚物的生物絮凝而成为颗粒较大 的絮体 从而能在二沉池中较好的沉降并与处理后的出水较好地分离 1 3 超声波破碎剩余污泥研究现状 超声波破碎污泥的机制可能有这样三个方面 一是超声空化的压力效应对污泥的 破碎效果 即空化泡闭合时对周围的液体产生巨大的压力 这样的压力降污泥团打碎 既而打碎污泥中微生物细胞 达到污泥破碎的效果 二是超声空化的化学效应对污泥 的降解 三是超声空化的高温效应对污泥的降解 然而比较统一的认为压力效应是污 泥降解的主要原因 但是在压力效应对于污泥破碎机制的研究上 都停留在定性的研 究上 没有人从力学的角度上定量地研究 曹秀芹 5 j 等人分别考察了超声处理剩余污泥过程中声能密度和作用时间对污泥絮 体形状 污泥上清液中溶解性化学需氧量 s c o d 和污泥温度的影响 结果表明 虽然 声能密度和作用时问都是重要的影响因素 但超声作用时间的长短更为重要 污泥上清 液的s c o d 和污泥温度的变化表明 生物细胞分解主要是由超声空化引起的力学效应 造成的 王芬 6 等采用超声波技术 破解人工配水条件下培养的污泥 主要研究内容是 不同声强 声能密度 破解时间 污泥浓度对污泥破解效果的影响 通过投加自由基 4 东北大学硕士学位论丈 一 箜 主竺笙 i 一 一 消除剂碳酸氢钠的试验 探讨超声波破解污泥的反应机理 研究超声波与碱协同作用 对污泥破解效果的影响 建立与验证以s c o d 增加值 s c o d 溶出率为因变量的超声 破解污泥的动力学模型 叶建忠 7 1 从动力学角度论述了超声波降解有机污染物的机理及其降解途径 分析 影响有机物超声降解效果的基本因素 如粘度 表面张力系数 蒸汽压 温度 溶解 气体 超声频率 声功率 p h 值及有机污染物的物理化学性质等 并描述了超声波在 水处理领域 特别是与传统生物处理法联用处理难降解 有毒有机废水方面的发展应 用前景 张宁宁 4 的研究工作的内容及主要结论有 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 a n t t ig r o n r o o s 8 1 等人通过一系列超声降解羟甲基纤维素聚合物或其混合物试验 定性分析了超声降解与溶液初始动力粘度 分子量和浓度的关系 初始动力粘度越高 降解越快 当初始动力粘度相近 则降解速度主要取决于聚合物的分子量和浓度 相 对于低分子量和浓度 高分子量和浓度降解更快 k y u i c h iy a s u i 9 1 等人在研究超声空化的声致光反应和声化学反应时 用e u l e r 法对 k e l l e r 方程进行了改良 建立了空化泡半径的数学模型 参数主要有 时间 泡的内 外压强 流体的粘度 密度以及温度等 还考虑了热传导的边界条件等 s l a b o u r e t j f r o h l y f r i v a r t m 1 等人通过分析空化率 空化噪声功率和提供给超 声波换能器的电功率来研究超声空化泡域的演化 以间歇方式发生超声波 观察到两 种不同的演化情况 缓慢增长的空穴率和快速增长的空化率 这符合空化的两种情况 稳定空化域和不活泼空化域 论文中较为详细的分析了这两种情况 5 一 塑 兰 鲎苎生学位论查笫1 章绪论 一一 一 二 1 4 本课题的研究意义 1 4 1 研究且的 从力学的角度来研究超声波破碎污泥的机制 建立在由超声空化空化泡闭合产生 的压力作用下细胞破碎的理论模型 1 4 2 理论意义 本课题的理论意义可以体现在两个方面 一是超声空化理论在污泥细胞破碎上的 应用 二是细胞破碎的力学机制 从力学的层面对细胞做了一定研究 1 4 3 实际应用价值 如果从上述的两个理论方面做更深入的研究 则可以从理论上模拟超声破碎细胞 的过程 进而研究改进超声破碎污泥的工艺参数 达到多种因素下的优化 这样就可 以提高超声处理剩余污泥的能力和效率 1 5 本课题的研究内容 本课题的研究内容主要有三个方面 一是超声破破碎剩余污泥 在这方面主要是 测量污泥的破碎效果 以及污泥的后续研究中要用到相关参数 二是超声空化的数值 计算 通过超声空化理论 再结合本课题用到的污泥的实际参数 用数值计算软件获 得空化泡闭合时对周围液体产生压力的情况 三是对污泥中微生物细胞破碎的力学机 制做探讨 空化泡闭合对周围细胞产生压力 建立在此压力下细胞破碎的力学模型 6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章超声空化的相关理论 第2 章超声空化的相关理论 空化现象是液体中常见的一种物理现象 在液体中由于漩涡或超声波等物理作用 某些地方形成局部的暂时负压区 从而引起液体或液 固体界面的断裂 形成微小的空 泡或气泡 液体中产生的这些空泡处于非稳定状态 有初生 发育和随后迅速闭合的 过程 当他们迅速闭合破灭时 会产生一微激波 因此局部有很大的压强 这种空泡 或气泡在液体中形成和随后迅速闭合的现象 称为空化现象 若空化是由超声波引起 的 就称为超声空化 1 1 1 由于空化现象产生气泡的非线性振动 以及它们破灭时产生爆破压力 所以伴随 空化现象能产生许多物理的或化学的效应 这些效应有腐蚀破坏工件的消极方面的作 用 也有在工程技术中得到应用的积极方面的作用 特别是在超声加工和超声清洗中 有重要作用 本研究就是利用空化泡破灭时产生的爆破压力来破碎污泥中微生物的细胞壁 细 胞膜等 接下来 主要介绍超声空化理论中与本研究较为密切的相关理论 2 1 超声空化阈值 当足够强的超声波作用与液体媒介时 若交变声压的幅值砌大于液体中的静压力 岛 则在声压的负压相 或称稀疏相 中 还可以在液体中形成局部性的负压作用区 负压的峰值 p m 不但可以抵消静压力 当这一负压 伽 岛 足以克服液体分子 之间的结合力 也成液体强度 时 液体将被拉断而形成空腔 即产生空化气泡 接 着在声压的正压相 或称压缩相 到来时 空化气泡产生闭合和崩塌 由此定义 使 液体产生空化所需的最低声压或声强 称为空化阈值 1 2 l 真正纯净的液体 其强度的理论值很高 例如 对常温下的纯净水 按照热力学 统计系统理论计算 其强度为j 7x 1 0 s p a 按液体的容积弹性计算 其强度为3 2x l o s p a 而实测表明 液体的实际强度远低于理论值 仍以水为例 用s 形管作离心拉 断试验 即使对纯净的水 其实际强度也只有d 3x l o s p a 为解释这种矛盾 便产生 了 空化核 的假说 即认为 由于种种原因 液体中早已存在许多微小的气泡 构 成液体中的薄弱环节 因而在比理论值低很多的负压下 液体就在这些地方被拉开 一7 东北大学硕士学位论文 第2 章超声空化的相关理论 现在这一假说已经被很多试验所证实 根据液体中气泡平衡半径及其稳定性的分析与计算 当液体中存在有初始半径为 岛的空化核时 液体强度将与 的大小有密切关系 岛愈大 则其强度愈低 设液 体被拉开的过程为等温过程 且忽略粘滞性及辐射阻尼的影响 则液体的强度可有下 式来计算 表示为 p 只 挪州h 伽 亿 式中 p 1 一泡内蒸汽压 尸广液体中的静压力 口 表面张力系数 空化核的初始半径 显然 空化闽值n 应是液体强度p c 与静压力n 之和 即 呤h 瓤训牲 铆 b 2 通常 n 称为b l a k e 阈值压力 超声空化阈值会受许多因素影响 国内外学者 从理论到试验 对此进行了大量研究 得出不少有应用价值的结果 首先 对不同性质的液体 由于其表面张力系数 密度 饱和蒸汽压 粘滞性的 不同 其空化阈也各不相同 就一般情况来说 表面张力系数愈大 饱和蒸汽压愈低 粘滞性愈高 则其空化阈也愈高 空化阈值与液体粘滞系数刁的关系 可用下述经验 公式近似的表示为 b o 8 1 9 r 5 2 3 对于同一种液体 其空化阈值与温度 静压力 含气量 含杂质 固体粒子等 程度等因素有密切关系 静压力大 含气 杂质少的液体 空化阈高 因而 加大静 压力和对液体进行除气处理 可提高空化闽 这常用作抑制空化的手段 而对液体加 温和掺入气体 则能降低其空化闽 另外 即使在液体状况均相同的情况下 空化阈还随照射声波的频率 波型 连 8 一 东北大学硕士学位论文第2 章超声空化的相关理论 续波或脉冲波 波形参数 脉宽及重复频率 而变化 空化阈随超声频率的升高而增 高 而减少脉宽和重复频率 也能有效地提高空化阈 通常情况下 水中产生空化所 需的声压和声强如表2 1 所示 l l 表2 1 水中产生空化所需的声压和声强 f i 薛 1t h en e e d e du l t r a s o n i cp r e s s u r ea n ds t r o n gt op r o d u c ec a v i t a t i o ni nt h ew a t e r 这里应着重提出 空化阈值只表明用声波产生空化的难易程度 它与空化的各种 效应是两回事 具体来说 容易空化并不意味着空化效应强烈 有时还会有相反的效 果 因为空化引发的高温 高压 发光 放电 冲击波等物理化学效应 均发生于空 化泡急速崩塌的瞬间 并主要取决于气泡闭合时泡壁运动的速度 而泡壁闭合速度不 仅与液体性质 状态有关 而且还与空化泡在各种声波参数下的运动状态有关 2 2 空化核 由前面可知 空化核的假设 对于解释液体实际强度与理论强度之间的明显差异 是成功的 然而在回答这种空化核是否能在液体中稳定地存在的问题时 却曾经碰到 疑难 因为按照斯托克斯定理 液体中半径较大的气泡 将因浮力迅速上浮到液面 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 会产生便泡中气 体向周围液体作 定向扩散 过程 从而很快溶解 以水为例 汁算表明 气泡半径 r d o 0 1n m y i 时 气泡上浮速度u b 0 0 2m l t l s 时 而当r o o 0 1m m 时 气泡在t b 6 6 3 s 内完全溶解 这表明 在一般情况下 空化核难以在水中稳定地存在 经过多方面研究 现己证实 至少以下几种情况下 空化核可以在液体中稳定地 存在 1 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疡相平衡 由这种蒸汽泡构成的空化核 9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章超声空化的相关理论 具有由下式确定的平衡半径 足 i 2 0 乏 2 4 式中 o 表面张力系数 2 液体中存在带气隙的悬浮固体粒子 当液体不浸润时 在团体粘于的气隙 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 地存在 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 其液一气晃 面也由凹面变为凸面 从而形成空化核 图2 1 给出了这种类型空化核形成机制的示 意图 0 2 气体 a b 图2 1 周体粒子气隙型空化核的形成机制 f i 9 2 1t h ef o r m a t i o nm i c h a n i s mo f g a s g a pc a v i t a t i o nn u c l e a r0 1 1s o l i dp a r t i c l eg a p a 气体在固体缝隙中稳定的存在 a t h es t e a d ye x i s t e n c eo f g a si ns o l i dg a p b 在外加声场作用下气隙增大变形成为空化核 b t h eg a s g a pi n c r e a s ei n t oc a v i t a t i o nn u c l e a ro nt h eo u t s i d eu l t r a s o n i cf i e l d 3 带有薄的有机物外壳的小尺寸气泡 一般指r o 0 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 4 高能粒子流 如宇宙线 中微子流或激光脉冲等照射液体 产生空化核 法国c e m m e 曾测量1 m h z 超声在水中的空化阈 实验证明 当用铅罩屏蔽水容器后 空化阈值有所提高 而当取去铅罩后 空化阈值又出现回降 这一实验结果为这类空 化核的形成机制提供了佐证 图2 2 给出其实验结果曲线 l 3 一l o 东北大学硕士学位论文第2 章超声空化的相关理论 图2 2 高能粒子流产生空化核的实验曲线 f i 9 2 2t h ee x p e r i m e n to u r v eo f c a v i t a t i o nn u c l e a rp r o d u c e db yh i g h e n e r g yp a r t i c l e s 2 3 空化气泡的运动 设气泡及其所处环境状况由图2 3 所示 气泡的初始半径为r o 泡内压力为p f 它与泡内气体性质 热力学状态 蒸汽压 表面张力及泡的形状 尺寸有关 目为液 体的粘滞系数 0 为表面张力系数 周围液体为不可压缩均匀液体 其静压力为p d 密度p 声速为c 图2 3 液体中气泡在声场中运动的示意图 f i g 2 3t h em o v e m e n to f b u b b l ei nt h eu l t r a s o n i cf i e l d 当外加声压p p ms i n c o t 作用时 一般用著名的r a y l e i g h p l e s s e t 方程来描述气泡 东北大学硕士学位论文 第2 章超声空化的相关理论 的径向运动规律 故遗常称兵为气泡的还动万栏 彤式如卜 p 卜 象 吾 警 2 n p 一异一百2 0 一4 叩去 警 固 为简化分析 设泡内为理想气体 气泡呈球形 并作径向运动 由气体的v a n d e r w a a l s 方程可推出泡内气压为 舅 卜乃 丝 心j tr 2 6 式中 办 蒸汽压 r 任意时刻t 时气泡半径 r 反应过程热力学状态的多方指数 其数值范围为1 甩 气体的比热比 具体来说 对等温过程 n 1 对绝热过程疗 y 介于两者之间的状态 取1 以 y 值则取决于气体的种类与状态 多原子气体的y 1 2 水蒸汽的 1 3 惰性气 体的 值较大 如氦 1 6 7 将 2 6 式和外加声压p 的表式代入运动方程 则得 p 卜 警 三 警 2 岛s i n 叫一r 一百2 0 一4 叩去 警 异一办 等 等广c 2 刀 显见 2 7 式是一个非线性方程 一般得不到解析解 在特殊情况下 可使此运动方程线性化 例如 当 9 r 时 气泡振幅很小 可令r r 万 占 r 并设运动为绝热过程 贝i j 在一级近似下 方程 2 7 简化为 饯2 万d 2 3 甘钟 仁8 此式显然是对时间t 的齐次二阶常微分方程 由此可解出气泡作简谐运动时的固 有频率为 去m r 针珈 j 仁9 东北大学硕士学位论文 第2 章超声空化的相关理论 这种在弱声场作用下 气泡所做的稳定的小幅脉冲现象 通常称为 稳定空化 然而 在一般情况下 方程 2 7 只能借助于计算机进行数值计算 一般情况下 当以 矗时 计算得 出下述结论 i 若外加声场的频率为工 按 2 9 式可算出相应的气泡共振半径r 对初 始半径大于共振半径 即满足民 r 时 的气泡 将发生复杂的形变运动 但一 般不产生闭合过程 2 对初始半径小于共振半径 即 满足r r r 时 气泡作复杂运动 实现 b r o r r 时 气泡作生长一闭合运动 虚线 解 共同的参数为 昂 1 0 5 n m 2 p 用 4 x 1 0 5 n m 2 p o 0 8 x 1 0 4 c m 取运动力等温 过程 图中实线表示 当外加声场频率为 1 5 m h z 相应于共振半径 r r a 0 4 x l o c m r 时 气泡做生长 闭合运动的 情况 2 4 空化气泡的闭合与反跳 上面讨论的是空化气泡在声场作用下的一般运动规律 实际上气泡的运动 特别 是气泡经最大半径以后 在声压的正压相 由于声压 液体中静压力 表面张力等多 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章超声空化的相关理论 种压力联合作用下 其闭合阶段泡壁的速度将愈来愈快 因面引起气泡快速 复杂和 剧烈的运动 下面我们将看到 泡壁的这种高速闭合 正是所有空化效应的决定性因 素或缘由 因此 在分析空化效匝之前 有必要先从气泡运动学角度来研冗一f 泡壁 的闭合速度 早在1 9 1 7 年 瑞利 l r a y l e i g h 就从理沦上计算了不可压缩液体中真空气泡 在不计表面张力和粘滞性情况下的泡壁闭合速度 1 4 u 陌划 仁埘 式中 r 广t 泡开始闭合的初始半径 也即气泡生长的最大半径 卜闭合过程中 任意时刻的气泡半径 利用 皇罢的关系 瑞利借助 2 1 0 式 导出气泡由半径如完全闭合到r d 所需要的时间为 f p 击艘 o 9 1 5 p p 1 2 1 1 由 1v 式中 卜 气泡闭合的外部压力 后来 n o l t i n g k 和n e p p i r a s 考虑了气泡初始半径r o 时 泡内压强 蒸汽和空气含 量的总压强 为q 在绝热压缩下 导出泡壁闭合速度为 叫筹惭斗赤降耕 可以看出 当q o 时 式 2 1 2 就退化为式 2 1 0 顺便指出 利用式 2 1 2 还可导出下面几点重要结果 令c 型鍪 o 可得气泡最大及最小条件 由此得出最大气泡半径r r m 而最 小半径为 嗽 如 掣尸 亿 而令丝d r 可得泡壁速度u 塑d t 最大值时的r 值为 帆 笺竽 而 仁 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章超声空化的相关理论 一般q p y 1 故 帆 掣 而 将 2 1 5 式代入 2 1 2 式 可得最大闭合速度为 小协掣 掣r 同时 由 2 1 3 和 2 1 5 比较可知 气泡闭合速度最大值 出现在气泡最 小半径之前的瞬间 即气泡半径满足下述条件 r y 可可 墨m 2 1 7 对空气 y 1 4 则有 r 1 3 r n i n 2 1 8 由上面的分析 特别是从泡壁闭合速度公式 2 1 2 和 2 1 6 式来看 闭合速 度主要取决于气泡外部压力p 泡内气压q 以及泡中气体的热力学状态y 在适合 条件下 泡壁的闭合速度很高 可超过泡内气体中声速 可以没想 在这种极端条件 下 气泡难以保持球形 泡内将产生内聚 微骇波 进而发生高温 放电 发光等效 应 此时的液体也不再是不可压缩的了 而当气泡完全闭合 即发生崩塌 c o l l a p s e 之后 这些积累的能量将以向外辐射的冲击波形式释放出来 同时还将伴随有气泡的 小脉动 与反跳 r e b o u n d 或称反弹 过程 直至最后完全消失 以上是对单个气 泡一次完整运动的简略描述 实际的情形还要复杂得多 首先可想到 在超声连续作 用下 液体中众多气泡的复杂行为 因此应该说 无论对条件典型化了的 单泡空化 还是对实际超声场中的 多泡空化 仅就其运动特性及规律而言 仍是需要继续探入 研究的问题 2 5 空化的基本效应 1 5 东北大学硕士学位论文第2 章超声空化的相关理论 按此式计算 当r 2 寺吃 p 1 口咖时 气泡附近液体中可产生的最大压力为 p 心 s r 掣m z 7 q 3 4 分叫叫 2 一参k 1 一与 z 7 一z i 一 式中 z 可以看出 气泡最大半径风 愈 大 闭合得愈小 即z 值愈大 则闭 合产生的压力也愈大 气泡内气体压 强q 愈小 则闭合速度也愈高 且最 大压强产生在临近气泡壁的距离上 图2 6 给出按 2 2 0 式算出的气泡闭 合过程中 液体中压力的分布曲线 显然 在液体中这种局部性极高 压力 正是形成以气泡中心向外传播 的冲击波的原因 国内外许多学者 用不问方法实 际测量了超声空化气泡闭合时产生的 压力 数据较为分散 对1 0 2 5 k h z 频率范围的水中声空化产生的压力 6 s4 妻 器s 垃 裂 离气泡中心距离 图2 6 空化气泡闭合过程中液体中的压力分布 f i g 2 6t h ed i s t r i b u t i o no f t h ep r e s s u r eg e n e r a t e db y t h ec l o s u r eo f c a v i t a t i o nb u b b l e si nt h el i q u i d 在几百到上万大气压之间 国内用压电石英探针测得2 3 5 k h z 频率下除气水中 空化 产牛的压力为4 0 0 0 大气压 为迄今用声学方法测得的最高数值 1 7 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文第3 章剩余污泥超声破碎实验 第3 章超声波破碎剩余污泥实验 本章主要论述超声波对剩余污泥的破碎实验 以及对破碎后的剩余污泥进行一些 测量分析 破碎实验主要叙述实验方法和实验过程 对破碎后的剩余污泥进行测量分 析的目的是想通过测量参数来说明污泥的破碎情况 这样的参数有s c o d b o d 和肽 聚糖等的量值 同时还要了解污泥本身的性质结构 为后续的数值模拟提供参数 如 试验中活性污泥的菌群结构 不同温度下的粘度等 3 1剩余污泥的超声波破碎 3 1 1 污泥来源及培养 本课题所用污泥取自沈水湾污水处理厂脱水后的污泥 沈水湾污水处理厂是沈阳市南部排水系统末端污水处理工程 隶属于沈阳振兴环 保产业集团有限公司 始建于2 0 0 0 年 投产于2 0 0 3 年1 1 月1 日 占地面积6 2 公顷 总投资2 6 4 亿元人民币 主要接纳并处理沈阳市东陵区 沈河区 和平区一带生活污 水 设计日处理污水规模为2 0 万吨 沈水湾污水处理厂工艺为全国首家引进芬兰 f o o lb e d 污水处理工艺 出水作为浑河重要的补给水源 处理后水质指标稳定达到 城镇污水处理厂污染物排放标准 g b l 8 9 18 2 0 0 2 二级标准 其中化学需氧量 p h 值 悬浮物等指标达到一级a 标准 新取回的脱水后污泥 呈黑色 有恶臭 取适量 约2 0 l 放入1 0 0 l 的培养桶 里 加水至1 0 0 l 搅拌至溶解均匀后 用气泵通入空气进行曝气 这样一直曝气约五 天 臭味基本消除 停止曝气 自由沉降3 4 小时 排出上清液 然后加入按比例配 好的营养成份 再加水至1 0 0 l 接下来定期重复上述操作 即停止曝气 自由沉降 3 4 小时 排出上清液 然后加入营养成份 再加水至1 0 0 l 开始时 我们每天都加入营养成份 但发现水面泡沫较多 并伴有一定得恶臭 同时 污泥的沉降性也很差 这表明是营养过剩 后来改为 隔两天加入一次 并换 用出气量更大的气泵 污泥沉降性良好 气味消除 这样大约持续2 0 天 污泥呈健康 的褐色 每天换水一次 停止曝气 让污泥自由沉降3 4 小时 然后排出上清液 再 加水至1 0 0 l 一 9 东北大学硕士学位论文第3 章剩余污泥超声破碎实验 下面叙述加入营养成份量和配比 加入的营养成份的量根据m l s s 浓度来确定 其中m l s s 浓度是混合液悬浮固体 浓度 m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s 的简写 它又称为混合液污泥浓度 它表示的是在 曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量 r a g l 由于测定方法比 较简便易行 此项指标应用较为普遍 混合液悬浮固体浓度m l s s 是活性污泥处理系 统重