（环境工程专业论文）超声波处理污泥减量化与促进厌氧消化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我们城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水厂的 污泥产生量也急剧增加，特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区， 污泥减量与出路问题已经十分突出。本课题通过用超声波设备预处理污泥的 方法，研究超声波处理对污泥特性、污泥最终排放量的影响及其对污泥厌氧 消化的促进作用。 此次现场试验采用2 0 k h z 频率。在不同超声处理时间的情况下，对污泥 的击破率、温度及p h 值进行研究，并根据所监测到的数据分析得出最佳操 作参数。试验结果表明：污泥上清液中c o d 和击破率随超声处理时问的增 加而增加，结合运行成本分析考虑，超声波处理污泥的最佳工程处理时间为 5 0 9 0 s 。温度随着超声波作用时间增加而逐渐升高，p h 值随时间变化的幅 度不大。污泥经超声波处理9 0 s 后，1 n 、t p 都有所增加。超声波振幅对污 泥特性和击破率的影响不大，在实际工程中，采用较低的振幅即可。 通过将经超声波处理后的污泥打回生化反应池进行研究发现，这种方法 能够减少污泥的最终排放量，减少幅度为1 8 9 。并且它不会对排水水质造 成大的影响。 用超声处理后的污泥对消化罐进行厌氧驯化是一个很有效的手段，短时 间内，产气量就从0 提升至3 5 l d ，污泥消化罐达到一个比较稳定的状态投 加不同比例经超声处理5 0 s 的污泥到消化罐，都能够很甥显地增加产气量， 并且，产气量随着投加超声污泥比例的增加而增加。 本次现场试验较为成功地验证了利用超声波处理技术能使污水处理厂 的污泥达到减量化目的，并且也肯定了超声波技术对污泥厌氧消化的促进作 用，为污泥的处理开辟了新的途径，也为污泥资源化发展奠定了一定的基础。 关键词：剩余污泥；超声破解：减量；厌氧消化 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a b s t r a c t a l o n gw i t h o u rq u i c k e n i n go f u r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h ec i t ys e w a g ed i s p o s a l r a t ei n c r e a s e sy e a ra f t e ry e a r ，t h eq u a n t i t yo f t h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g ei ns e w a g e p l a n ta l s oi n c r e a s e sr a p i d l y 1 1 1 ep r o b l e mo f d e c r e a s i n gw a s t es l u d g ea n di t so u t l e t a 咒a l = r e a d l t e r r i b l yo u t s t a n d i n g ，e s p e c i a l l yi nt h o s ec i t i e sa n dd i s t r i c tw l i c hg e t h i g h e ru r b a n i z a t i o n t h i ss u b j e c ti st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c t l l ef i n a lq u a n t i t y o fs l u d g ea n dt h ep r o m o t i n ge f f e c tt oa n a e r o b i cd i g e s t i o nb yp r e t r e a t m e n to ft h e w a s t ea c t i v a t e ds l u d g eu s i n gu l t r a s o n i ct e c h n i q u e t h eu l t r a s o n i cf r e q u c yu s e di nt h i sf i e l d - t e s ti s2 0 k h z u r i d e rt h ed i f f e r e n t d i s p o s a lt i m e ，t h ec o d ，d i s i n t e g r a t i n gr a t e ，t e m p e r a t u r ea n dp ho f t h es l u d g eh a v e b e e ns t u d i e d i th a sb e e nf o u n dt h a t - c o do ft h es l u d g es u p e m a t a n ta n dt h e d i s i n t e g r a t i n gr a t ei se n h a n c e dw i t ht h ei n c r e m e n to f t h et i m e t a k et h eo p e r a t i o n c o s ti n t oc o n s i d e r a t i o n , t h eo p t i m a ld i s p o s a lt i m ei s5 0 - 9 0m i n u t e s t h e t e m p e r a t u r eo ft h es l u d g ei sa l s oe n h a n c e dw i t ht h ei n c r e m e n to ft h et i m e t h e c h a n g er a n g eo fp hi sl e s st h a n0 2 t na n dt p i nt h es l u d g es u p e r n a t a n tg e ta n i n c r e a s ea f t e rt r e a t i n gb yu l t r a s o n i ce q u i p m e n tf o r9 0m i n u t e s t h ea m p l i t u d eo f u l t r a s o u n dd o e s n th a v eag r e a te f f e c to nc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s i n t e g r a t i n gr a t eo f t h es l u d g e ， i nt h el e s e a r c h ，t h es l u d g ed i s i n t e g r a t e db yu l t r a s o u n dh a db e e nc a r r i e db a c k t 0 也eb i o c h e m i c a lr e a c t i o np 0 0 1 删st e c h n i q u ec a nr e d u c et h ef i n a lq u a n t i t yo f t h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g ea b o u t1 8 9 a n di tw i l ln o tp r o d u c eag r e a te f f e c t0 1 1 t h ee f n u e m q u a l i t y i ti sa ne f f e c t i v em e a n sb yu s i n gu l t r a s o n i cs l u d g ef o rt h ed o m e s t i c a t i o no f a n a e r o b i cd i g e s t i o n i na b o u to n eh a l fm o n t h , t h ev o l u m eo fg a sp r o d u c t i o n i n c r e a s e df r o m0t o3 5 l ，正a n dt h e 蛐o fd a d g ed i g e s t i o nj a rh a sb e e ns t a b l e 1 kv o l u m eo fg a sp r o d u c t i o ng e t sab i ga u g m e n tb ya d d i n gs o m es l u d g ew h i c h h a sb e a nd i s p o s e db yu l t r a s o u n df o r5 0m i n u t e si n t ot h ed i g e s t i o n j a r f i i 恤e l m o r e ， t h ev o l u m eo fg a sp r o d u c t i o ni si n c r e a s e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h eu l t r a s o n i c s l u d g e p r o p o r t i o n i nc o n c l u s i o n , t h i sf i e l d - t e s th a sp r o v e dt h a tu l t r a s o n i ct e c h n i q u ec a nr e d u c e t h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g ei nt h es e w a g ep l a n t t h i st e s ta l s oc o n f o r m st h a tt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 u l t r a s o n i ct e c h n i q u ec 髓w o m o t et h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no f t h es l u d g e t h i ss t u d y h a sb r o k e nan e ww a yf o rt h ed i s p o s a lo fs l u d g ea n de s t a b l i s h e daf o u n d a t i o nf o r t h es l u d g eu t i l i z a t i o n k e y w o r d s ： w a s t ea c t i v a t e d s l u d g e ；u l t r a s o n i cd i s i n t e g r a t i o n ：r e d u c t i o n ； a n a e r o b i cd i g e s t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 污泥概述 1 1 1 污泥的产生与分类 污泥是污水处理及废水处理不可避免的副产物，它主要由各种微生物以 及有机、无机颗粒组成的絮状物。城市污水处理厂污泥来源如表1 - 1 所示。 表1 - 城市污承处理厂的污泥来源【1 1 按污水的处理方法( 即生物固体从污水中分离的过程) ，污泥可分为： 初沉污泥、活性污泥、瘸殖污泥、化学污泥。根据污泥的不同产生阶段可分 为：生污泥、消化污泥、浓缩污泥、脱水干化污泥、干燥污泥【2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 污泥的组成及危害 工程上，一般认为污泥由4 个部分组成：具有代谢功能活性的微生物 群体( m a ) ；微生物( 主要是细菌) 内代谢、自身氧化的残留物( m e ) ； 由原污水挟入的难降解的惰性有机物( m i ) ；由污水挟入的无机物质 ( m i d 。其中、都属于难降解的有机物范畴1 3 1 。 污泥是由有机残片、细菌体、污泥颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均 质体，污泥中含有大量的有机质和营养元素，同时也可能含有大量的重金属 物质、病原菌、病毒微生物和大量的毒性有杌物。因此，其产生、贮存、处 理处置及资源化利用过程中均可能危害环境。污泥海洋处置的禁止、严格填 埋标准以及日益严格的农用标准的制定和实施，污泥的管理已经成为目前一 个世界性的社会和环境问题。主要表现在；侵蚀土地、易腐变臭、易污染土 壤和地下水，还可能污染河流、湖泊及海洋等地表水体，其中的重金属和毒 性有机物容易通过生态系统中的食物链迁移富集，对生态环境和人类健康具 有长期潜在的危害性，需要引起高度重视。 生物固体中的水分主要有间隙水、毛细结合水、表面粘附水、内部水等 4 类。所谓间隙水是被大小生物颗粒包围的水分，约占生物固体中水分7 0 ， 它并不与固体直接结合，因而容易分离，此类水在中间调节池停留数小时即 可显著减少。毛细水是指在固体颗粒接触面上由毛细压力结合，或充满于固 体与固体颗粒之间或充满于固体本身裂隙中的水分，约占生物固体水分的2 0 ，此类水的去除需施以与毛细水表面张力的合力相反方向的作用力，如： 离心机的离心力、真空过滤机的负压力、电渗力或热渗力等，方可达到去除 的目的。表面粘附水是比毛细结合水更难分离的水，它是粘附在生物固体或 小颗粒表明上的水分，此类水分分离需采用电解质作为混凝剂辅助进行分离。 内部水是指微生物细胞内的液体。间隙水、毛细结合水、表面粘附水均为外 部水，去除内部水必须破坏细胞膜，故使用机械方法难以奏效，可采用高温 加热或冷冻等措施将其转变成外部水，也可以通过生物分解手段，如：好氧 氧化、堆肥化、厌氧消化等予以去除1 4 1 。 1 1 3 污泥的产量 随着我们城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水厂的 污泥产生量也急剧增加。目前中国已建成运行的城市污水厂有4 5 0 多座，年 处理量为6 3 9 x l o s m 3 。按污泥产量占污水处理量的o 3 o 5 ( 含水率9 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ) 计算，我国城市污水厂污泥年产量在1 9 1 6 4 x 1 0 4 m 3 和3 1 9 4 o 1 0 4 m j 【含 水率9 7 ) 之间。据估算【5 】，目前我们城市污水处理厂每年排放的污泥量( 千 重) 大约为1 3 0 x 1 0 4t ，而且年增长率大于l o 。特别是在我国城市化水平较 高的几个城市与地区，污泥出路问题已经十分突出。如果城市污泥全部得到 处理，则将产生污泥量( 干重) 8 4 0 x 1 0 4t ，占我国总固体废弃物的3 2 。虽 然剩余污泥的产生量通常仅为处理废水体积的l 以下嘲，但其处理费用一 般占到污水处理厂总运行费用的2 0 4 0 ，甚至高达6 0 【7 】。我们部分城 市污水厂污泥产生状况如表1 2 所示。 表1 - 2 我国部分城市污水厂的污泥产生状况嘲 进水污泥 t 产萼量 污泥含 污妻产 厂名水量b o d c o d 瞄确擗黜| 三心 ( 1 0 m 3 d ) ( r a g l ) ( r a g l ) 北京高碑店处理厂 4 3 1 0 02 6 07 3 0 0 06 7 0 1 5 天津纪庄子处理厂 2 61 4 0 2 8 04 0 0 0 0 0 9 70 1 3 广州大坦沙处理厂 1 56 6 8 01 2 0 1 5 01 8 0 0 07 5 8 00 0 7 西安市污水处理厂 7 12 6 04 9 05 2 0 0 09 50 1 0 杭州四堡污水处理厂 2 32 0 05 5 01 5 0 0 06 3 0 0 7 苏州市成东污水处理厂 2 5 32 47 6 0 09 2o 0 8 成都市污水处理厂 52 2 6 03 6 0 0 7 00 。0 6 兰州七里河处理厂 2 62 2 05 0 81 29 7 厦门市污水处理厂 61 5 0 2 5 03 0 0 3 5 05 0 0 06 00 0 9 上海松江污水处理厂 1 ，8 2 o2 0 0 2 5 0 4 0 0 6 0 01 4 6 0 09 6 o 0 7 邯郸市东部污水处理厂 6 0 61 0 02 2 01 5 0 08 00 o i 唐山市新区污水处理厂 5 54 4 01 0 0 01 3 1 4 08 00 1 3 南京市镀金村处理厂0 5 1 9 03 5 0 3 7 0 0 09 80 3 0 大连开发区水质净化厂 32 0 0 3 5 05 0 0 1 0 0 06 3 0 0 09 8 9 90 0 9 1 1 。4 污泥处理、处置方法概述 城市污水处理厂的生产主要分为两部分，即污水处理和污泥处理。污水 处理厂以生物处理为主，通过微生物的生命活动实现对污染物的降解和去除。 从消除污染物角度看，只有对污泥进行了彻底的处理后，污水处理的目的才 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 真正达到，否则只能看作是污染从液相到固相( 或半固相) 的转化。 污泥的处理与处置是两个不同的概念。处理主要是为了实现污泥的稳定 化、无害化和减量化，处置主要是实现污泥的利用与资源化。从流程来看， 污泥的处理在前，处置在后。污泥的处理方法主要包括：浓缩、消化、预处 理( 药剂处理、热处理) 、脱水、干燥等【2 j 。污泥的处理目的与操作单元如表 1 3 所示。 表1 - 3 污泥的处理目的与操作单元【2 】 处理目的单元操作 浓缩 消化 药品调理 热处理 脱水 干燥 焚烧 处置 重力式、气浮式、离心式、反浸透式、蒸发式 厌氧、好氧 石灰，盐铁、硫酸铝、高分子絮凝剂 高温高压式，低温加压式、冷冻融通式 重力式、真空式、毡式、离心式、加压式 自然式、回转炉式、多段炉式、气流式、流动床式 多段炉、回转炉、流动床炉、喷射式荧烧炉、a s t 法湿式氧化法、 热分解燃烧路 填埋、投弃海洋、肥料、资源化 目前，国内外对污泥的处置及回用方法主要有以下几种【4 9 ，1 0 】：海洋处置、 卫生填埋、污泥焚烧、污泥干化和热处理、污泥农用、污泥消化产沼气以及 一些小范围的污泥利用方法，包括污泥制砖、污泥制生化纤维板、污泥制陶 粒等。 污泥的各种处置方法各有优缺点【9 ”1 ”。投海是固废一种处置方法， 已有多年历史，但是生物固体产生量巨大，毒性和重金属种类多，含量丰富， 倒入海洋势必造成严重的甚至是灾难性后果。因此该方法近年来已被国际禁 止。卫生填堙对污泥的无毒无害化处理成本低，并可以增加城市建设用地。 然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如：填坑中的有害物质会通过雨 水的浸蚀和渗漏作用污染地下水环境，填埋处理所需时间较长等。而且，适 宜污泥填埋的场所因城市污泥大量的产出而显得越来越有限。污泥焚烧的 优点是既解决了污泥的出路问题又充分地利用了污泥中的能源，可以迅速和 较大程度地使污泥达到减量化，而且污泥不需要作灭菌处理，缺点是成本较 高，污泥中的重金属随着烟尘的扩散而污染空气。污泥农用可大量处置污 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 泥，而且充分利用了污泥中的n 、p 、k 等营养物质，但是因为人们对污泥农 用的安全性存有疑虑，很大程度上限制了污泥农用。污泥工业化利用由于 产品销路不畅，暂时还不可能成为污泥处置的一条主要途径，但随着科学技 术的不断发展，随着人们对再生产品认识的改变，污泥工业化利用的比例会 有所增加。利用污泥消化产沼气使污泥处理基本实现稳定化、无害化、减 量化、资源化四个目标。一方面发酵后产生的沼气可用于发电，是一种可再 生能源；另一方面，剩余的熟污泥可根据其成分特点用于农业、燃料等行业， 或填埋处理。从沼气发电的成本估算可知，沼气发电是大中型污水厂的最佳 方案，不但为处理厂解决了部分能源而且在经济上具有很大的效益。 1 1 5 我国污泥的处理现状及存在的问题 总的来讲，我国城市污水厂的污泥处理工艺很不完善，污泥处理率很低。 从我国已建成运行的城市污水厂来看，污水污泥处理工艺可归纳为1 8 种工艺 流程，如表1 4 所示。 表1 - 4 我国已建城市污水处理厂污水污泥处理工艺i l 】 污泥处理流程应用比例， 1 浓缩池一最终处置 2 双层沉淀池污泥一最终处置 3 双层沉淀池污泥一千化场一最终处置 4 ，浓缩池一消化池一湿污泥池一最终处置 5 浓缩池一消化池一机械脱水一最终处置 6 浓缩池一湿污泥池一最终处置 7 浓缩池一两相消化池一湿污泥池一最终处置 8 浓缩池一两级消化池一最终处置 9 浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 0 初沉池污泥一消化池一千化场一最终处置 1 1 初沉池污泥一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 2 接触氧化池污泥一千化场一最终处置 1 3 浓缩池一消化池一千化场一最终处置 1 4 浓缩池一千化场一最终处置 1 5 初沉池污泥一浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 6 浓缩池一机械脱水一最终处置 躬驺加弧铂舯强加稻驺弘强：兮站朋 m l z e 吼h l z 殳l l l l 屯l h 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 7 初沉池污泥一好氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 18 浓缩池一厌氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 2 7 0 1 3 5 ，从上表可以看出，污泥经浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂占上 述城市污水厂的2 5 6 8 不具有污泥稳定处理的污水厂占5 5 7 0 ；不具有 污泥干化脱水处理的污水厂约占4 8 6 5 这说明我国7 0 以上的污水厂中 不具有完整的污泥处理工艺。污泥经浓缩、消化后，尚有约9 5 9 7 含水 率，体积仍然很大。这样庞大体积的污泥如果不经过污泥的干化脱水处理， 将为运输及后续处置带来许多不便i l j 。 1 2 污泥减量化技术 减少剩余污泥产量的技术主要基于生物处理工艺中的微生物代谢原理。 剩余污泥的产量与微生物利用有机物合成自身的作用、内源呼吸作用以及微 型动物对细菌的捕食作用有关。前一部分使剩余污泥的量增加，后两部分使 剩余污泥的量减少【1 5 1 。污泥减量化是2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的 新概念，是在剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。概括起来说，污泥 减量化技术是通过物理、化学和生物等手段，使整个生物处理系统中污泥产 量减少的技术。大致上分为四类：围绕降低细菌合成量的代谢解偶联技术、 维持代谢技术、增强微生物隐性生长的各种溶胞技术和强化微型动物捕食细 菌的技术【1 6 1 。 当生物细胞溶解，生物体中的有机碳也作为微生物的生长底物并重复上 述新陈代谢过程时，污水处理过程中的污泥产量就会减少。这种微生物基于 自身细胞溶解产物的生长方式称为隐性生长【l ”生物体的分解关键在于破解 污泥絮体，促进微生物细胞的溶解，使污泥中颗粒态c o d 转变为溶解态的 c o d 。目前，促进细胞溶解的方法有：高温( 4 0 1 8 0 ) ；酸、碱处理； 施加机械压力，如超声波，碾磨器、高速搅拌器等产生强大压力破碎细胞 壁；添加酶制剂；高级氧化和这些溶胞技术的联合应用，如热一化学处 理、碱一超声波处理等1 1 6 】。其中超声波技术由于具有无污染、能量密度高、 分解速度快等特点在污泥处理领域正引起人们越来越多的关注。 1 3 厌氧消化概述 1 3 。1 污泥厌氧消化原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 厌氧消化就是在无氧的条件下，由兼性茵和专性厌氧菌( 甲烷菌) 降解 有机物，分解的最终产物为二氧化碳和甲烷的过程。此过程非常复杂，当前 较为公认的理论模式是将厌氧消化分为液化、产酸和产甲烷三个阶段。第一 阶段是在水解菌和发酵细菌的作用下，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 产氢产乙酸菌的作用下，将第一阶段的产物转化为氢、二氧化碳和乙酸；第 三阶段是甲烷化过程，甲烷菌将产酸阶段的产物乙酸等吸入胞内进行代谢， 产生甲烷、水和二氧化碳。其中，水解是厌氧消化的限制步骤i l 乳”。其消化 模式见图1 1 。 4 第一阶段 生成乙酸与脱氢生成甲烷 第二阶段第三阶段 图1 1 有机物厌氧消化模式【1 5 】 一寺渺能量 m 。 哇+ 譬一寻飓+ 绷+ 噎一我+ 詈鹇谎量 警= y 一屯 ( 1 ，) 出、西7 4、7 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中，霉为底物去除率，七为单位质量底物的最大利用率；s 为可降解 讲 的底物量；k 。为半速率常数：譬为细菌增值率；x 为细菌浓度；y 为细菌 出 产率：丸为细菌死亡速率系数。 1 3 2 污泥厌氧消化存在的问题 在我国，污泥厌氧消化中应用最为广泛的是中温消化技术，它存在着反 应速度慢，停留时间长，池体体积庞大等缺点。主要是因为剩余污泥中大多 数有机物质存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是稳定的半刚性结构， 起保护细胞的作用。细胞壁属于难降解惰性物质，其破解较为困难，这也就 导致了污泥厌氧消化需要较长的停留时间。为了加速厌氧消化的速率，缩短 污泥停留时间，减少污泥量和消化池体积，国内外对污泥的预处理技术进行 了多项研究。污泥预处理的目的就是破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体 结构发生变化，细胞内的内含物溶出，进入水相，在胞外酶的作用下加速水 解为小分子化合物，提高厌氧消化的效率，提高产气量f 2 0 l 。 1 4 超声波技术概述 频率大于2 0 k h z 的声波，因超出人耳可闻的上限而被称为超声波。超声 波因其波长短而具有束射性强和易于通过聚焦集中能量的特点。超声波是一 种波动形式，因此它可作为探测与负载信息的载体或媒介；同时超声波又是 一种能量形式，当其强度超过一定值时，就可以通过它与传声媒质的相互作 用去影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构。 当把超声波看成一种波动形式用于作为信息载体时，它是一种检测工 具，这时，超声波被射入媒质后，再设法接收其回波或渗透波，从接受波的 幅度、相位或频谱特性等变化来获取有关传声媒质本身的某种信息。此时， 要极力避免超声波可能对媒质造成的影响或破坏，为此，应尽量使用小振幅 的声波。这类应用可称为“被动应用”。当超声波作为一种能量形式用于作用、 影响或改变煤质时，常常使用大振幅的所谓功率超声。此时需要的是对声波 作用后的媒质变化做出考察、分析，而对与媒质作用后的声波接收不再成为 必要，这类应用可称为超声波的。主动应用”| 2 q 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 1 超声波的生物作用机理 超声的生物效应即是超声对生物组织产生的作用。超声的生物效应与超 声波的声强、频率和作用时间，以及生物体的结构与功能状态有关，且在声 强低的情况下效应是可逆的，而声强超过一定的阈值时会产生不可逆效应。 超声生物效应按其作用机理可分为：机械效应、热效应、弥散效应、空化效 应及触变效应等吲。 机械效应 超声在媒质中传播时，超声振动引起生物组织中各质点受到交替变化的 压缩和伸张产生的正压和负压，其位移、速度、加速度、压强等力学量所引 起的效应，称为超声的机械效应。质点大的离子落后于质点小的离子，离子 之间便发生相对运动，产生摩擦而形成能量。驻波场中的机械效应主要是由 于运动速度差引起的，它在机械效应中甚至比压力变化所起的作用还要大。 当声强较低时，生物体在超声作用下产生弹性振动；但声强过高时，生物体 机械振动超过其弹性极限，而造成细胞或组织的断裂或粉碎。 超声机械效应可引起机体若干反应。超声振动引起组织细胞内物质运 动，从而显示出一种细微的按摩作用；可引起容积的变化，产生细胞浆的流 动，细胞质颗粒振荡、旋转、摩擦；可刺激细胞半渗透膜的弥散过程，引起 扩散速度和膜渗透性的变化；促进新陈代谢，改变蛋白合成率，提高再生机 能等超声机械效应，使细胞内部结构发生变化，导致细胞一系列功能变化。 热效应 超声热效应即是机械能在生物体中被吸收转变为热能的转换过程。热效 应枫理有以下几方面：1 ) 超声通过机体时，声能密度在介质中损耗( 吸收) 而产热；2 ) 超声通过介质时，由疏密交替的压力变化压缩相位中产热；3 ) 不同组织界面上超声能量的反射而产热。除此之外，在不同组织介质中形成 的驻波，引起质点、离子的摩擦等也是产热的另一原因。超声温热效应可增 强血液循环，加强代谢，改善局部组织营养，增强酶的活力。 弥散效应 适当剂量超声可增强生物半透膜渗透作用，促进物质交换，进而加速代 谢，改善组织营养。 触变作用 超声波作用引起生物组织结合状态改变，如引起粘滞性下降，造成血浆 变稀血球沉淀等，当声强过高时，触变效应是不可逆变化，会对生物组织造 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 成损伤。 空化效应 空化发生时，液体处于强大负压作用之下，拉力超过内聚力对则出现微 小空泡。溶有空气的液体，拉力使气体过饱和，气体形成气泡逸出为假性空 化。不含气体的液体被拉力牵开形成空腔为真性空化。空腔内有局部高温、 高压、发光、放电等现象。这些都是促使理化反应的因素，因此认为超声的 理化效应多与空化效应密切相关。空化产生需要一定的强度，另外，产生空 化的频率不能太高。 根据空化泡的变化，空化现象又可分为瞬态空化与稳态空化。在较高声 强下较易导致空化泡的破裂，发生瞬态空化。然而两种空化现象在超声波处 理时几乎同时存在。空化泡破裂时发出的冲击波能引起空化泡周围物质的机 械破坏作用，同时也引起围绕小泡的液体物质的剧烈流动，即徽声流现象的 发生。低速微声流可使空化泡周围的物质混匀，而高速的微声流能对周围物 质产生剪切作用，足以破坏大分子以至于细胞。 1 4 2 超声空化原理 空化是超声理论的核心，指的是液体中的微小气泡核在超声波作用下被 激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。负着 在固体杂质、微尘或是容器表面上及细缝中的微气泡或气泡，或因结构不均 匀造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体等都可以构成这种 微小泡核。 当声波在媒质中传播时，它将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振 动。在声波压缩相时间内，分子闻的平均距离减小；而在稀疏相内，分子间 距将增大，对于强度为i 的声波，它作用于媒质的声压为p 。；p s i n c o t ，p 为 声压振幅，为声波的角频率，且i = p a 2 2 p c ，p 、c 分别为媒质的密度及声 速。因此，在声波的负压相( 即稀疏相) 内，媒质收到的作用力为( p h p 。) ， p h 为流体静压力。倘若声强足够大。使液体收到的相应负压力亦足够强，那 么分子间的平均距离就会增大到超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性， 导致出现空腔或空穴。一旦空穴形成。它将一直增长至负声压达到极大值( 一 p a ) 。但是在相继而来的声波正压相内这些空穴又将被压缩，其结果是一些空 化泡将进入持续振荡；而另外一些空化泡将完全崩溃。因此，我们可以将空 化分为两种类型，郎稳态空化和瞬态空化【2 l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 1 4 2 1 稳态空化 稳态空化主要是指那些内含气体与蒸汽的空化泡的动力学行为。这种空 化过程可在较低声场下发生。在声波作用下稳态空化气泡常常表现为非线型 振荡，而且振荡可以延续许多个声波周期。稳态空化泡存在时间较长，因此 通过气泡与液体的界面除有液体蒸汽凝聚之外，还可以发生气体质量扩散。 此外，由于在声波膨胀相能内气泡在振荡过程中增大，这种现象称为定向扩 散，定向扩散伴随气泡表面张力减小，则有可能使气泡转向瞬态气泡，继而 发生崩溃。当然在声波的连续作用下，气泡也可能继续增长，直到浮上液面 而逸出。就稳态空化泡而言，只有当空化泡的共振频率f r 与声波频率f 8 相等 时，才发生最大的能量耦合，产生明显的空化效应。如果f f r ，气泡将作 复杂的持续振荡；而当厶 0 3 w ，锄3 ) 和较长的处理时 间p l o m m ) 。 1 4 5 2 国内研究现状 在国内，越来越多的学者也开始了超声波处理污泥的研究，如：天津大 学、重庆大学、东华大学、南京工业大学等，他们在实验室里完成了许多试 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 验，对超声波处理污泥的可行性、优化条件和机理都有了一定的认识。 天津大学的王芬，季民1 4 6 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使5 与l 污泥的性能，并比较了超声破解2 种含固率污泥的效果。结果表明，在一定声能密度下，s c o d 增加值随时间 延长线性增长。即在一定试验时间范围内，污泥破解反应相对于时间符合一 级反应动力学规律。在相同比能耗下，破解含固率为l 污泥的s c o d 增加 值明显大于含固率为o 5 污泥值。若后续污泥处理工艺采用厌氧消化技术， 则推荐破解含固率为1 的污泥。超声破解污泥后，污泥温度会升高，相同 声能密度下，破解两种不同含固率污泥的温度升高值相近。此外，他们即l 还通过投加自由基消除剂n a h c 0 3 屏蔽自由基氧化作用的方法，研究了超声 破解污泥的主要途径以及各途径对超声破解污泥的贡献。结果发现，声能密 度为o 0 9 6 w m l 时，超声破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羟基氧化几 乎不起作用；声能密度为o 3 8 4 w m l 时，水力剪切力与自由基氧化在超声破 解污泥反应中所占的比例分别为8 0 8 5 与1 9 1 5 ；声能密度为o 7 2 w m l 时，水力剪切力与自由基氧化在超声破解污泥反应中所占的比例分别为7 4 1 4 与2 5 8 6 。所以，超声破解污泥的主要作用途径是水力剪切力的机械作 用。 天津大学的杨洁、季民1 4 8 在实验室试验中，控制超声波声能密度分别为 2 w m l 和1 3 6 w m l ，超声破解时间分别为5 m i n 、1 0 m i n 和1 5 r a i n ，并通过 改变污泥投配率控制消化时间。试验结果表明，在两种声能密度下，污泥超 声破解后进行厌氧消化，生物产量随破解时间和投配率的增加而增加。同时， 污泥超声破解还可以提高有机物的去除率，并且随投配率的增加有机物去除 率不降低反而上升。当破解时间和投配率相同时，在2 w m l 声能密度下， 厌氧消化的甲烷比产率和v s s 去除率高于1 3 6 w m l 声能密度下厌氧消化甲 烷比产率和v s s 去除率。 南京工业大学的沈劲锋、殷绚等【4 9 l 采用超声波技术分解石化污水厂剩余 活性污泥，考察了超声波对污泥后续厌氧消化的影响。研究表明，超声波可 有效分解污泥，加速污泥的水解速度，提高污泥厌氧消化效率。在2 0 0 0 w m 2 超声声强下处理6 0 m i n 的污泥，厌氧消化2 5 d 累积产气量比未处理污泥气量 提高了6 0 以上。厌氧消化1 0 d ，有机物去除率达到4 0 ，比未处理污泥提 前约l o d 完成厌氧消化。他们1 5 0 】还将发酵罐容积放大1 0 倍，经超声波处理 的污泥2 5 天累积的总产气量比未经超声波处理的污泥总产气量提高了约2 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 5 课题的研究目的、主要内容、意义 1 5 1 研究目的 本课题以广州大坦沙污水处理厂污泥减量化处理项目为试验依托，针对 现今我国污水厂剩余污泥处理效果不理想的情况，采用现场试验与理论分析 相结合的方法，研究污泥超声波处理技术与污泥减量化、厌氧消化反应之问 的关系，认识超声波的作用机理，最终综合分析超声波处理城市污水厂剩余 污泥的技术可行性。 1 5 2 研究的主要内容 ( 1 ) 污泥超声破解时间对污泥及其上清液特性的影响。 ( 2 ) 超声处理对污泥s s 、v s s 及含水率的影响。 ( 3 ) 不同超声振幅对污泥特性的影响。 ( 4 ) 超声波直接作用污泥对其脱水性能的影响。 ( 5 ) 通过将经过超声波预处理后的污泥打回反应池，观察污泥能否达 到减量化的目的，并监测出水水质的情况。 ( 6 ) 污泥经过超声波处理后，能否使厌氧消化进行得更为彻底，能否 增加产气量。 ， 1 5 3 研究意义 国内现有的大中型污水处理厂大多都建有污泥消化池，但是很少的能正 常运行，并且厌氧消化的效率很低，很多消化池都处于停用状态，污水厂污 泥的处理问题已经成为污水厂亟待解决的问题。通过现场中试的研究，一方 面为污泥的减量和资源化利用提供了新的思路和一定的实践基础，另一方面， 为超声波预处理污泥的实际应用起到了一定的推进作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第2 章实验内容与方法 2 1 广州大坦沙污水厂概况 广州大坦沙污水处理厂位于珠江畔，是广州市建造的第一座大型城市污 水处理厂，自运行以来，出水水质稳定达标。大坦沙污水厂共有三期，目前 日处理城市污水近5 5 x 1 0 4 m 3 。该厂采用a 2 0 工艺，每天脱水污泥产量约3 0 0 t ， 含水率7 8 左右。粗略估算，这相当于6 6 0 0 m 3 含水率9 9 的污泥。由于该 厂没有污泥消化池，剩余污泥浓缩后直接到脱水问脱水，投加絮凝剂是重要 的保障手段。为处置污泥，厂里每年花费很大的资金，占生产成本的相当部 分，其中和污泥有关的成本构成主要包括污泥脱水过程的电耗药耗以及泥饼 外运产生的费用。 2 2 试验内容介绍 本试验的目的是通过超声波装置处理污泥，寻找出最佳工作参数，了解 超声波作用原理，并且检验其是否能够使污泥减量的同时改善污泥脱水性能， 以及能否缩短污泥厌氧消化时间和提高产气量。因此，本试验分为三个阶段： 第一阶段，超声波的污泥静态处理，观察超声波处理对污泥上清液c o d 、 击破率、口h 和温度随超声处理时间的变化规律，找出最佳处理时间；然后在 最佳处理时间下，研究超声波处理对污泥特性的影响，并结合理论分析超声 波作用污泥的机理。 第二阶段，部分剩余污泥经超声波处理后被打回反应池，以验证超声波 装置对污泥减量的实际效果，并观察其对污水处理出水指标的影响。 第三阶段，超声波处理污泥对污泥厌氧消化的影响，验证此处理是否能 促进短厌氧消化，提高产气量。 2 3 分析项目和实验方法 l 、c o d 首先取污泥样用离心机进行离心脱水，取上清液稀释若干倍后，采用重 铬酸钾法测定 2 、t n 首先取污泥样用离心机进行离心脱水，3 0 分钟后，取上清液稀释若干倍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 后，采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法检测t n 值。 3 、1 1 p 首先取污泥样用离心机进行离心脱水，3 0 分钟后，取上清液过滤( 孔径 0 4 5 衄1 ) 、稀释，再采用钼酸铵分光光度法确定含磷量。 4 、b o d s 首先取污泥样用离心机进行离心脱水，3 0 分钟后，取上清液在2 0 c 下 培养5 天，分别测定样品培养前后的溶解氧。 5 、总悬浮固体( s s ) 和挥发性固体( v s s ) 取定量的污泥，用离心机在转速4 5 0 0 r p m 下离心2 0 r a i n 后，将离心管内 上清液过滤后，再将离心管内的沉淀移至滤纸上，并用蒸馏水少许洗涤离心 管，使沉淀全部经滤纸过滤。将滤纸转移至坩锅内，放入烘箱，在1 0 5 ( 2 下 烘干至恒重后，取出测定s s 值，然后放入马费炉内，在6 0 0 0 下灼烧1 l l ，取 出测定v s s 值。 6 、污泥含水率 称取适量污泥于恒重的蒸发皿中，在恒温水浴上蒸于后移至1 0 5 1 2 的烘 箱中，继续干燥2 3 h ，取出并放入干燥器中冷却，半小时后称重。 污泥含水率( ) ：兰与巫1 0 0 式中，矽污泥样品质量，g o 暇蒸发皿质量，g ； 烘干后污泥样品加蒸发皿的质量，g 。 7 、污泥的比阻 污泥比阻是国内外广泛采用的衡量污泥过滤性能的综合指标。它是指单 位过滤面积上，滤饼单位干固体质量所受的阻力。因此。污泥比阻是表示污 泥阻抗固液分离倾向的指标，比阻越大，说明污泥脱水性能越差。： y ：2 p a 2 b m 式中：，污泥比阻，m k g ； p 过滤压力，n m 2 ； b 污泥性质系数，s m 6 ； 滤液动力粘度，p a s ； 国单位体积滤液产生的滤饼干重，k g m 3 。 测试方法： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 根据卡门( c a r m a n ) 公式，在压力一定的条件下过滤时，t v 与v 成直 线撩舌= 丽a o ) ry + 鲁 式中，矿滤液体积，m 3 f 过滤时间，s p 过滤压强，k g m 2 ，包括作用在泥饼和过滤介质上的压强； 彳啦滤面积，m 2 滤液的动力粘滞度k g s m 2 国滤过单体积滤液在过滤介质截留的干固体重量，泥饼干重 滤液总体积，k g 矗 ， ，比阻，即单位过滤面积上单位干重滤饼所具有的阻力，m k g 或s 2 g 震，过滤介质的阻抗，1 m 2 以t v 对y 作图可得一直线，设该直线斜率为b ， 则矗= i t a t r ( 2 p a 2 ) ，比阻r = 2 p a 2 b ( u o , ) 。 8 、挥发性脂肪酸( a ) 取适量污泥混合液用离心机在转速为4 5 0 0 r p m 下离心3 0 m i n 后，取上清 液5 m l 稀释到5 0 m l 作为水样。将稀释的水样置于5 0 0 m l 圆底烧瓶中，用 蒸馏水稀释到2 0 0 r a l ，再加2 5 m l 浓h 2 s 0 4 ，接上冷凝管进行蒸馏，蒸馏出 1 5 0 m l 液体，将蒸出液加热至9 5 ，以酚酞为指示剂趁热立即用o 1 n 标准 n a o h 溶液滴定至粉红色，记录用量。计算公式如下： 挥发性脂肪酸( 以乙酸计，m g a , ) = ( kx c x l 0 0 0 x 1 0 x 6 0 ) ( v x 0 7 ) 式中：k 滴定用去的标准n a o h 溶液毫升数 y 污泥水样的毫升数 9 、碱度： 取2 5 m l 的污泥上清液于1 0 0 m l 烧杯中，插入p h 电极，打开磁力搅拌 器。边搅拌边用滴定管加入o 1 m o l l 盐酸至p h 计读数为4 4 ，记录盐酸标准 溶液毫升数，按下式计算总碱度。 矿， 总碱度= 等5 0 0 5 ( r a g l ) ( 以c a c