超声波处理高浓度废水的研究

1、超声波处理高浓度废水的研究_New超声波处理高浓度废水的研究 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

2、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 ryn）（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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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， g cm3 ； 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：

14、（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/mgL-1=10000350002柠檬酸废水pH 值 =4.55.5 水质（自然澄降澄清液）COD/mgL-1=1000038000 3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

15、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

16、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 0.950.97 250