低强度超声波强化污水生物处理.课件

1、问 题2次投加比1次投加臭氧效果好而投量少？关于指标：光（光强、光能密度）、声（声强、功率密度）。第1页，共57页。检测超声功率超声信息载体能量载体金属探伤水下定位医学诊断微电子力学效应化学效应热效应生物效应高强度超声波间接强化生物处理低强度超声波直接强化生物处理超声波第2页，共57页。高强度超声波原理：废水中难降解的有机污染物在高强度超声波作用下发生化学键的断裂、水相燃烧、高温分解及自由基反应等，从而使其得到氧化降解；目的：降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机物，减少废水的生物毒性，常用作生物处理的预处理工艺。第3页，共57页。低强度超声波强化污水生物处理第4页，共57页。 主要内容研究

2、方向应用前景影响因素强化机理第5页，共57页。低强度超声波 促进传质，提高微生物活性 直接作用于生物反应器，提高生物反应的效率生物、物理与环境的学科交叉目前研究尚处于起步阶段第6页，共57页。低强度超声波的强化机理超声波机械传质作用 加热作用 空化作用第7页，共57页。加热作用加热作用：超声波在介质内传播过程中，其能量不断地被传播介质吸收而使介质的温度升高在生物反应过程中，加热作用不是主要作用方式，但是重要的影响因素之一强化机理第8页，共57页。机械传质作用机械传质作用：超声波可使介质质点进入振动状态，从而增强液态介质的质点运动，加速质量传递作用。在声强作用下振动的气泡，在其界面层周围相对于微

3、声流会产生液体的圆周运动，从而有利于反应底物进入酶生物催化剂的活性部位及其产物进入介质中的传质作用，提高了生物反应的速度。 强化机理第9页，共57页。空化作用空化作用：液体中气泡在声强作用下发生的一系列动力学过程。在压力波的作用下，液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化，当对液体施加足够的负压时，分子间距离超过保持液体作用的临界分子间距，就会形成空穴，即空化泡。声强大于10W/cm2 -瞬态空化， 声强小于10W/cm2 -稳态空化强化机理第10页，共57页。瞬态空化瞬态空化：高声强条件下，空化泡迅速涨大并且破裂， 同时泡内产生高温和空压，导致自由基形成及产生强大冲击波和射流。应用：高强度超

4、声波降解废水中有机污染物 。破坏细胞结构或者使酶失活，不能直接用于强化生物处理过程 。强化机理第11页，共57页。稳态空化 稳态空化：低声强条件下，空化泡的大小变化是有规律而和缓的，并以非线性的方式在媒质中震荡若干个声周期，使其周围的酶或细胞颗粒受到微声流作用下的切应力的作用，这种空化即为稳态空化 。强化机理第12页，共57页。稳态空化对细胞产生的破坏很小，并能有效促进可逆渗透，加强细胞内外物质运输，减少次生代谢产物的积累对微生物代谢的抑制作用，促进代谢产物的合成。可直接作用于生物反应器，通过增强微生物活性来提高生物处理效率低强度超声波强化污水生物处理的理论基础强化机理第13页，共57页。Ch

5、anges of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation第14页，共57页。其 他发酵过程中溶解性CO2 （ DCO2 ）的浓度过高，会对细胞生长产生抑制作用，低强度超声波辐照可以有效降低DCO2的溶解度，从而促进细胞生长 低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率 超声波促进微生物酶产生变异 强化机理第15页，共57页。 对照反应器中活性污泥的电镜照片 图 6 设置超声波反应器中活性污泥的电镜照片设置超声波反应器中活性污泥的电镜照片 第16页，共57页。低强度超声波强化的影响因素 影响因素影响方式频率频率不宜过高，多选用20-50kHz

6、功率存在最佳超声功率，过大则生物活性降低时间和间隔辐照时间不宜过长，间隔时间不宜过短其他影响因素温度、溶解性气体、悬浮粒子、反应器的结构和微生物的特性等 ，互相影响第17页，共57页。液体中包含的气核满足高斯分布，设液体中具有最大数目的气核半径为R0，则当超声频率等于具有R0半径气核的共振频率时，促进生物活性的效果最好，低于此频率或高于此频率均有所下降。频率高，空化阈增大，声空化过程难以发生频率高，声波的传播衰减增大，增加了能量消耗因此，超声频率多选用20-50kHz。超声频率影响因素第18页，共57页。芦荟树脂细胞经不同强度超声辐照后15天内细胞重量的增加率。20kHz1W和2W的超声波显著

7、促进细胞增长， 5W和10W对细胞增长产生抑制作用，3W对细胞增长作用不明显。超声功率影响因素第19页，共57页。不同超声波功率对脆壁克鲁维氏酵母菊糖酶的活力的影响超声波强度10W以下，酶的活力随着超声波强度的增加而增加，大于10W，酶的活力迅速下降，15W部分酶失活。20kHz超声功率影响因素第20页，共57页。辐照时间不同超声处理时间对啤酒酵母细胞数目及干重的影响细胞数目和干重随辐照时间的延长而增加，45min时效果最好，60min时有所下降。影响因素32.5kHz30w第21页，共57页。低强度超声波强化污水生物处理第22页，共57页。强化有机废水生物处理菌种: Saccharomyce

8、s cerevisiae C-2324处理废水：葡萄糖模拟废水反应装置：2个5L的密闭圆柱形反应器，其中一个反应器底部装有超声波系统，进行对照试验。实验系统连续运行，保证严格厌氧。反应器如图所示：第23页，共57页。反应器的构造与运行第24页，共57页。低强度超声波对生物活性的影响消光度：反映生物量浓度。在超声辐照以及停止期间，持续升高。相应生物量浓度从0.12 g/ L升高到0.4g/L。葡萄糖浓度，从0.8降低到0.5g/L超声密度：0.3w/L超声辐照后可能引起微生物膜通量的改变和酶的变化。第25页，共57页。超声辐照频次的影响消光度和葡萄糖浓度基本上没有变化可能的原因：超声辐照只能强化

9、细胞内新陈代谢过程中的一些步骤，而对其他步骤反而会产生抑制作用，因此持续的辐照对微生物活性没有强化效果。第26页，共57页。高强度超声波的作用采用12w/L超声进行辐照，并与无超声波进行对照，葡萄糖浓度和细胞个数都基本相同 高强度超声对生物活性没有强化效果第27页，共57页。低强度超声波对酒精产量的影响加入超声辐照后，酒精浓度增至18-30g/L无超声辐照，酒精浓度为3-12g/L采用低强度超声辐照可加速发酵反应，提高酒精的产量。第28页，共57页。超声波在反应器中的分布反应器的顶部和侧面会发生反射，造成部分区域超声波的叠加或抵消。听音器测量水中超声波的分布第29页，共57页。强化果汁生产废水

10、生物处理处理废水：果汁生产厂废水，COD=20000mg/L，NO3-N=200mg/L，COD采用好氧方法进行处理，NO3-N采用厌氧过程。污泥取自某城市污水厂，总量1L，加入200L污水。每次反应结束，将反应器中污水全部倒掉，留下约1L的污泥。第30页，共57页。SBR反应器：300L超声波发生器：8.6L热交换器反应器的构造与运行第31页，共57页。超声密度对好氧葡萄糖降解的影响25kHz 超声密度为0.5w /L时，没有明显的强化效果； 超声密度为1-2 w/L时，降解速率最快； 超过1-2w/L，降解速率反而降低。第32页，共57页。好氧COD降解的最佳超声波密度无超声波强化最佳减弱

11、破坏 最佳超声波强度是一个很窄的范围，要进行谨慎选择。1.5第33页，共57页。超声密度对厌氧NO3-N转化的影响 与好氧葡萄糖超声降解情况相似。 最佳超声密度为0.9w/L。第34页，共57页。厌氧NO3-N降解的最佳超声波密度无超声波强化最佳减弱破坏 比好氧COD降解所需最佳超声密度有所下降0.9第35页，共57页。经济分析（德国马克）分析项目无超声波1.5w/L超声波反应器造价10.3m3:109604.6m3: 5472曝气5.3kw:128152kw:7264超声波设备-15kw:69444总投资2377582180运行费用0.089/m30.44m3第36页，共57页。对经济分析的

12、分析该超声波强化污水生物处理实验采用的是每次将反应器中的悬浮污泥完全循环一遍，因此所需要的超声波发生器的投资及其所消耗的电能较高，费用昂贵，不具有实际应用价值。 因此，需要开发新的高效超声波辐射反应器第37页，共57页。Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation我们研究发现：45kHz, 0.3w/cm2, 超声10分钟第38页，共57页。 Changes of AS activity after repeated ultrasonic treatment with 8h and 24h irradiation cycle

13、8小时重复超声一次24小时重复超声一次第39页，共57页。 Schematic diagram of changes of AS activity in bioreactor with ultrasonic irradiation cycle of 8h and 24h 第40页，共57页。 Comparison of COD removal in the R1 and R2 system with and without ultrasonic treatment 第41页，共57页。强度0.3W/cm2，8h取10%的活性污泥，辐照10min返回反应器：COD去除率提高5%好氧呼吸速率(Ox

14、ygen Uptake Rate, OUR) 表示的污泥活性可提高12%污泥的增长率比对照反应器降低了11%左右第42页，共57页。对照反应器和设置超声波反应器对实际污水COD去除效果的比较项目第1天第2天第3天/ mg L-1去除率/ %COD/ mg L-1去除率/ %COD/ mg L-1去除率/ %进水458.74-461.11-408.39-对照反应器出水55.9487.8055.5687.9550.3587.67设置超声波反应器出水33.5792.6833.3392.7727.9293.15设置超声波出水比对照出水降低的百分比 / %404044第43页，共57页。苯酚对设置超声波

15、反应器和对照反应器进出水COD及污泥活性的影响时间/d进水苯酚/ mg L-1进水COD/ mg L-1出水COD / mg L-1OUR / mg (g min)-1R1R2R1R2119.143633220.981.18242.357129220.881.06379.270230250.780.934279.8167052410.580.78第44页，共57页。 低温和室温条件下超声辐射对污泥活性的影响（a:OUR；b:DHA）（US：超声波强化处理；RT：room temperature 室温；LT：low temperature低温）低温和室温条件下设置超声波处理对COD去除的影响第4

16、5页，共57页。应 用初沉池曝气池二沉池 传统生物处理法：处理量大，效率高，费用低廉，应用广泛。 水质水量变化大，或者含有难降解的物质 ，处理效果不佳北方地区冬季气温较低，生物处理效率不高 不需额外的土建设施，易于实现。超声波第46页，共57页。强化膜-生物活性炭工艺处理微污染水源水处理废水：微污染水源水,COD=4.75mg/L强化生物处理工艺：膜-生物活性炭工艺。反应器有效容积30L。系统内水力停留时间1.5h，溶解氧为4-6mg/L，第47页，共57页。反应器的构造与运行水箱鼓风机超声波发生器超声波换能器一体式生物膜反应器膜组件出水反应器连续运行。超声波每24小时处理20分钟第48页，共

17、57页。超声波的处理效果随时间变化规律曲线Re: 有机物去除率提高的百分比。提高传质速度促进胞外酶的分泌及变异 选择每24小时处理一次的间隔时间第49页，共57页。超声波功率的选择45kHz 膜生物反应器工艺净化微污染水，最佳超声功率0.33W/L.0.33w/L0.16w/L0.5w/L第50页，共57页。第51页，共57页。超声波对有机负荷的影响有所增加明显增加 适当强度超声波可显著提高生物活性，增强有机负荷率。第52页，共57页。超声波对TTC-脱氢酶活性的影响样品生物活性炭对照生物活性炭 脱氢酶活性（gTF/cm3h-1） 3.662.46 TTC脱氢酶活性反映了微生物的活性。 低强度超声辐照可以提高膜生物反应器中生物活性炭活性第53页，共57页。超声波对出水中有机物分子量的影响29.41%UV254InfluentWaterEffluent watersamplecontrol0.45m-50KD4.12%25%11.76%10KD-50KD6.19%004KD-10 KD8.24%75%58.82%4KD-1 KD35.05%01 KD46.39%00 生物降解作用是小分子物