發(fā)布時(shí)間：2020-05-13 15:57

【摘要】：由于超聲波在污泥懸浮液中發(fā)生超聲空化效應(yīng)時(shí)將產(chǎn)生高溫(5000K)、高壓(50MPa)并伴隨強(qiáng)烈的沖擊波產(chǎn)生高強(qiáng)度剪切力的極端的物理環(huán)境,高強(qiáng)度剪切力可以破壞污泥的結(jié)構(gòu)等特性,使污泥后續(xù)的厭氧消化處理的速度加快,因此,超聲波破解污泥是一種非常有前途的污泥預(yù)處理方法,但是,其高能耗的瓶頸問(wèn)題制約著該技術(shù)的快速發(fā)展。為打破能耗瓶頸,推動(dòng)超聲破解污泥技術(shù)在我國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用,本文從工程熱物理的角度出發(fā),以城市濃縮剩余活性污泥為研究對(duì)象,圍繞超聲波在污泥中的傳輸特性進(jìn)行了一序列相關(guān)的理論推導(dǎo)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)的研究,主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下: ①建立了球形污泥顆粒的超聲波傳播模型,推導(dǎo)出了粘滯波吸收系數(shù)和熱波吸收系數(shù),并在考慮剩余活性污泥懸浮液的流變特性的基礎(chǔ)之上,推導(dǎo)出了超聲波在污泥中傳播時(shí)的粘滯吸收系數(shù),這是本文的第一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。 粘滯波吸收系數(shù)和熱波吸收系數(shù)均與污泥顆粒介質(zhì)的體積百分比濃度有關(guān),根據(jù)污泥以及水的相關(guān)物性參數(shù),可以求出粘滯波吸收系數(shù)和熱波吸收系數(shù)。當(dāng)粘滯波波長(zhǎng)與污泥顆粒尺寸大致相等時(shí),粘滯吸收損失最大。在低頻時(shí),污泥顆粒與水之間的溫度差會(huì)在聲波通過(guò)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡,在高頻時(shí),只有位于污泥顆粒的表面部分參與熱傳導(dǎo)過(guò)程,當(dāng)熱波波長(zhǎng)與污泥絮凝體尺寸相接近時(shí),則整個(gè)污泥懸浮顆粒都會(huì)參與熱傳導(dǎo)的損失機(jī)理。 超聲波在污泥中傳播時(shí)的粘滯吸收系數(shù)與污泥的塑性粘度有關(guān),而且由于污泥的塑性粘度隨濃度的變化而變化的特性導(dǎo)致粘滯吸收系數(shù)具有不確定性。 ②從工程熱物理的角度出發(fā),基于能量平衡的基礎(chǔ)之上,對(duì)空化泡在第一次崩潰末期的能量特性通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的研究。提出了在空化泡不同的熱力學(xué)狀態(tài)下采用不同的熱物理模型來(lái)描述空化泡的崩潰過(guò)程的方法,并首次給出了超聲波在第一次崩潰過(guò)程中的等溫過(guò)程與絕熱過(guò)程的熱力學(xué)狀態(tài)的界定準(zhǔn)則和分界點(diǎn)的位置,這是本文的第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。 超聲空化泡在崩潰末期的能量轉(zhuǎn)換特性是合外力功、動(dòng)能、溫度、壓力、泡內(nèi)外溫差傳熱在崩潰點(diǎn)即空化泡最小半徑值點(diǎn)均具有同時(shí)刻性,正是由于合外力功與動(dòng)能在崩潰點(diǎn)降低到最小值,為崩潰點(diǎn)的溫度、壓力以及溫差傳熱增加到最大值提供了能量保障,實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞與轉(zhuǎn)換�？栈荼粔嚎s至初始半徑值點(diǎn),該點(diǎn)為等溫過(guò)程與絕熱過(guò)程的分界點(diǎn),該點(diǎn)之前的過(guò)程屬于熱力學(xué)等溫過(guò)程,該點(diǎn)之后至崩潰點(diǎn)(即空化泡最小半徑值點(diǎn))是屬于動(dòng)力學(xué)絕熱過(guò)程,因此,在空化泡不同的熱力學(xué)狀態(tài)下采用不同的熱物理模型來(lái)描述空化泡的崩潰過(guò)程更為適合。 ③采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件,首次對(duì)超聲波在剩余活性污泥中傳播時(shí)最能代表其能量特性的聲強(qiáng)的傳播特性,在各種模擬工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果可以為超聲波處理污泥的聲化學(xué)反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化提供理論參考,這是本文的第三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。 對(duì)于圓柱體和方形體容器來(lái)說(shuō),聲強(qiáng)的空間分布區(qū)域呈現(xiàn)出類似“圓柱體”的形狀,這說(shuō)明聲強(qiáng)的空間分布具有一定的集中性。超聲波發(fā)射面面積的大小對(duì)聲強(qiáng)的空間分布有直接的影響。功率的增加只是整體增加了聲場(chǎng)中各點(diǎn)的聲強(qiáng)值。對(duì)于單個(gè)探頭的圓柱形容器半徑的改變和長(zhǎng)方體容器的長(zhǎng)寬改變時(shí),二者聲強(qiáng)具有相似的變化趨勢(shì),聲強(qiáng)的分布空間區(qū)域也成類似“圓柱體”的形狀;當(dāng)高度不變時(shí),隨容器半徑(或長(zhǎng)寬)的減少,聲強(qiáng)的分布空間區(qū)域的“圓柱體”的高度的增加體現(xiàn)在聲強(qiáng)的衰減距離增大,而且聲強(qiáng)值強(qiáng)的空間分布區(qū)域逐漸增多并且離發(fā)射面更遠(yuǎn)一些,同時(shí)單位距離的聲強(qiáng)衰減速度逐漸降低。通過(guò)比較可知,當(dāng)相關(guān)參數(shù)相等或相近時(shí),對(duì)于單個(gè)探頭的聲化學(xué)反應(yīng)器來(lái)說(shuō),圓柱體容器比長(zhǎng)方體容器更適合于作聲化學(xué)反應(yīng)容器,球形容器不適合做聲化學(xué)反應(yīng)容器。多探頭超聲波發(fā)射面布置時(shí),需要考慮聲場(chǎng)中聲強(qiáng)的覆蓋區(qū)域,以及超聲波的有效作用區(qū)域。 ④對(duì)超聲波聲強(qiáng)在濃縮剩余活性污泥中的傳播特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,采用基于能量轉(zhuǎn)換與守恒原理的超聲波熱探頭法,通過(guò)測(cè)量超聲場(chǎng)中的溫度變化來(lái)表示超聲波在污泥中傳播時(shí)的聲強(qiáng)值的大小。 通過(guò)改變超聲波探頭發(fā)射面的位置、改變超聲波的頻率、改變超聲波的輸入功率以及改變超聲波的持續(xù)作用時(shí)間等參數(shù),在各種實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出,在一定的頻率及功率下,聲強(qiáng)在探頭發(fā)射面附近驟然下降之后的曲線的變化趨勢(shì)是比較平緩的逐漸趨于一定值左右,這是因?yàn)樵诔暡òl(fā)射面附近發(fā)生了強(qiáng)烈的超聲空化導(dǎo)致超聲波聲強(qiáng)值的降低速度很快;相同頻率下存在最佳功率使軸線上各點(diǎn)的聲強(qiáng)值均達(dá)到各自點(diǎn)的最大值;在其它參數(shù)相同時(shí),并非功率值越大其聲強(qiáng)值就一定越大,聲強(qiáng)值的大小對(duì)超聲波的頻率及功率均具有選擇性,存在最佳的頻率值和功率值;隨著超聲波持續(xù)作用時(shí)間的增加,多數(shù)的聲強(qiáng)曲線的變化趨勢(shì)類似正弦曲線,而且聲強(qiáng)值變化的總體趨勢(shì)是增加的。
【圖文】：

超聲波預(yù)處理可以提高污泥的生物可降解性，進(jìn)而增加污泥的脫水量，減少剩余活性污泥的產(chǎn)量�；钚晕勰嘈跄w中的菌膠團(tuán)是一種親水性物質(zhì)，菌膠團(tuán)中的含水量占整個(gè)污泥中含水量的 25％左右，由于菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)一般難以被破壞，所以造成污泥采用一般方法難以脫水，但是采用適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波處理可以破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其中的水分釋放出來(lái)成為容易去除的自由水，而且還可以保持污泥較大的顆粒，，使其沉降性能有所提高。菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞，必然導(dǎo)致細(xì)菌的細(xì)胞壁被破壞，因此，菌膠團(tuán)里面大量的有機(jī)物將被釋放出來(lái)，從而容易被微生物所分解，這樣可以縮短污泥厭氧消化的時(shí)間，同時(shí)減少污泥厭氧消化設(shè)備的體積。超聲波活性污泥處理技術(shù)的綜合利用工藝流程見(jiàn)圖 1.1 所示。二沉池的活性污泥一部分回流到曝氣池，另一部分通過(guò)超聲波處理之后，提高其生物降解性之后，污泥的自身氧化率得到提高，然后再回流與污水混合，促進(jìn)細(xì)胞的隱性生長(zhǎng)，達(dá)到減量的目的；同時(shí)，剩余的活性污泥經(jīng)過(guò)超聲波處理之后，可減少其含水量并加快其厭氧消化速度，最后使機(jī)械脫水的污泥體積量大大減少，而且污泥的有害病菌也被大量消除，同時(shí)起到減量化和穩(wěn)定化的作用。

由于表面張力，毛細(xì)作用力以及菌膠團(tuán)內(nèi)價(jià)陽(yáng)離子架橋等使污泥顆粒具有一定強(qiáng)度，因此，單個(gè)以水為連續(xù)介質(zhì)的水中時(shí)，一平面超聲波縱波水平入射下現(xiàn)象。顆粒介質(zhì)球的密度與水接近，該小球會(huì)在超聲波聲壓的區(qū)和壓縮區(qū)，即經(jīng)歷膨脹壓縮，導(dǎo)致小球在一定程度內(nèi)反射，該輻射包括兩部分，①由于壓縮、膨脹以及來(lái)回運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生粘滯波輻射，即由于小球所處位置存在壓力梯方向上來(lái)回?cái)[動(dòng)，造成與水介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擺動(dòng)輻污泥顆粒球本身受到壓縮膨脹，以及污泥顆粒球表面與產(chǎn)生溫度梯度而產(chǎn)生熱波損失。，對(duì)于單顆剩余活性污泥的球形顆粒的超聲波傳播模型泥中以平面縱波方式傳播并水平入射到單個(gè)球形污泥顆產(chǎn)生粘滯波和熱波，其傳播模型如下圖所示。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 曹秀芹,陳s

本文編號(hào)：2662192