低强度超声波强化污水生物处理

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1、问问 题题检测超声检测超声功率超声功率超声信息载体信息载体能量载体能量载体金属探伤金属探伤水下定位水下定位医学诊断医学诊断微电子微电子力学效应力学效应化学效应化学效应热效应热效应生物效应生物效应高强度超声高强度超声波间接强化波间接强化生物处理生物处理低强度超声低强度超声波直接强化波直接强化生物处理生物处理v原理原理：废水中难降解的有机污染物在高强度超声波：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；自由基反应等，从而使其得到氧化降解；v目的目的：降解水中的化学污染物，尤其是难降

2、解的有：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机物，减少废水的生物毒性，常用作生物处理的预处理工艺。处理工艺。研究方向应用前景影响因素强化机理v 促进传质，提高微生物活性促进传质，提高微生物活性v 直接作用于生物反应器，提高生物反应的效率直接作用于生物反应器，提高生物反应的效率v生物、物理与环境的学科交叉生物、物理与环境的学科交叉v目前研究尚处于起步阶段目前研究尚处于起步阶段机械传质作用 加热作用 空化作用v加热作用：超声波在介质内传播过程中，其能量不加热作用：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断地被传播介质吸收而

3、使介质的温度升高v在生物反应过程中，加热作用不是主要作用方式，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但是重要的影响因素之一强化机理v机械传质作用：超声波可使介质质点进入振动状态，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。从而增强液态介质的质点运动，加速质量传递作用。v在声强作用下振动的气泡，在其界面层周围相对于微在声强作用下振动的气泡，在其界面层周围相对于微声流会产生液体的圆周运动，从而有利于反应底物进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入酶生物催化剂的活性部位

4、及其产物进入介质中的传质作用，提高了生物反应的速度。质作用，提高了生物反应的速度。强化机理v空化作用：液体中气泡在声强作用下发生的一系列动力空化作用：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。空穴，即空化泡。v声强大于声强大于10W/cm2-瞬态空化，瞬态空化，声强小于声强小于10W/cm2 -稳态

5、空化稳态空化强化机理v瞬态空化：高声强条件下，空化泡迅速涨大并且破裂，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。大冲击波和射流。v应用：高强度超声波降解废水中有机污染物应用：高强度超声波降解废水中有机污染物。v破坏细胞结构或者使酶失活，不能直接用于强化生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处理过程。强化机理 稳态空化：低声强条件下，空化泡的大小变稳态空化：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化是有规律而和缓的，并以非线性的方式在

6、媒质中震荡若干个声周期，使其周围的酶或细胞颗粒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为稳态空化。强化机理v对细胞产生的破坏很小，并能有效促进可逆渗透，加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生物代谢的抑制作用，促进代谢产物的合成。v可直接作用于生物反应器，通过增强微生物活性来提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高生物处理效率v低强度超声

7、波强化污水生物处理的理论基础低强度超声波强化污水生物处理的理论基础强化机理048121620242832364044480.10.20.30.40.50.60.7 OUR OUR controlTime(h)OUR(mg(gmin)-1)3032343638404244 DHADHA(ug(mgh)-1)Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiationv发酵过程中溶解性发酵过程中溶解性CO2（DCO2）的浓度过高，会对）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细胞生长产生抑制作用，低强度超声波辐照可以有效降

8、低降低DCO2的溶解度，从而促进细胞生长的溶解度，从而促进细胞生长 v低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率 v超声波促进微生物酶产生变异超声波促进微生物酶产生变异 强化机理 影响因素影响因素影响方式影响方式频率频率频率不宜过高，频率不宜过高，多选用多选用20-50kHz功率功率存在最佳超声功率，过大则生物活性降低存在最佳超声功率，过大则生物活性降低时间和间隔时间和间隔辐照时间不宜过长，间隔时间不宜过短辐照时间不宜过长，间隔时间不宜过短其他其他影响因素影响因素温度、溶解性气体、悬浮粒子、反应器的温度、溶解性气体、悬浮粒子、反应器的结构和微生物的

9、特性等结构和微生物的特性等，互相影响，互相影响v液体中包含的气核满足高斯分布，设液体中具有最大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数目的气核半径为R0，则当超声频率等于具有，则当超声频率等于具有R0半径半径气核的共振频率时，促进生物活性的效果最好，低于气核的共振频率时，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。此频率或高于此频率均有所下降。v频率高，空化阈增大，声空化过程难以发生频率高，空化阈增大，声空化过程难以发生v频率高，声波的传播衰减增大，增加了能量消耗频率高，声波的传播衰减增大，增加了能量消耗v因此，超声频率多选用因此，超声频率多选用20-50

10、kHz。影响因素芦荟树脂细胞经不同强度超声辐照后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。天内细胞重量的增加率。20kHz1W和和 2W 的的超声波显著促进超声波显著促进细胞增长，细胞增长，5W和和10W对细胞增对细胞增长产生抑制作用，长产生抑制作用，3W对细胞增长对细胞增长作用不明显。作用不明显。影响因素不同超声波功率对脆壁克鲁维氏酵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母菊糖酶的活力的影响超 声 波 强 度超 声 波 强 度10W以下，酶的以下，酶的活力随着超声波活力随着超声波强度的增加而增强度的增加而增加，大于加，大于10W，酶的活力迅速下酶的活力迅速下降，降

11、，15W部分酶部分酶失活失活。20kHz影响因素不同超声处理时间对不同超声处理时间对啤酒酵母细胞数目及干重啤酒酵母细胞数目及干重的影响的影响细胞数目和干重随辐照时细胞数目和干重随辐照时间的延长而增加，间的延长而增加，45min时效时效果最好，果最好，60min时有所下降。时有所下降。影响因素32.5kHz30w强化有机废水生物处理强化有机废水生物处理v菌种菌种:Saccharomyces cerevisiae C-2324v处理废水：葡萄糖模拟废水处理废水：葡萄糖模拟废水v反应装置：反应装置：2个个5L的密闭圆柱形反应器，其中一个反应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

12、照试验。实验系统连续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：运行，保证严格厌氧。反应器如图所示：消光度：反映生物量浓消光度：反映生物量浓度。在超声辐照以及停度。在超声辐照以及停止期间，持续升高。相止期间，持续升高。相应生物量浓度从应生物量浓度从0.12 g/L升高到升高到0.4g/L。葡萄糖浓度，从葡萄糖浓度，从0.8降低降低到到0.5g/L超声密度：超声密度：0.3w/L超声辐照后可能引起微生物膜通超声辐照后可能引起微生物膜通量的改变和酶的变化。量的改变和酶的变化。消光度和葡萄消光度和葡萄糖浓度基本上糖浓度基本上没有变化没有变化可能的原因：超声辐照

13、只能强化细胞内新陈代谢过程可能的原因：超声辐照只能强化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。此持续的辐照对微生物活性没有强化效果。采用采用12w/L超声进行辐超声进行辐照，并与无照，并与无超声波进行超声波进行对照，葡萄对照，葡萄糖浓度和细糖浓度和细胞个数都基胞个数都基本相同本相同 高强度超声对生物活性没有强化效果高强度超声对生物活性没有强化效果加入超声辐照后，加入超声辐照后，酒精浓度增至酒精浓度增至18-30g/L无超声辐照，酒精浓度无超声辐照，酒精浓度为为3-12g/L采用低强采

14、用低强度超声辐照度超声辐照可加速发酵可加速发酵反应，提高反应，提高酒精的产量。酒精的产量。反应器的顶部和侧面会发生反射，造成部分区域超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。声波的叠加或抵消。听音器测量水中超听音器测量水中超声波的分布声波的分布强化果汁生产废水生物处理强化果汁生产废水生物处理v处理废水：果汁生产厂废水，处理废水：果汁生产厂废水，COD=20000mg/L，NO3-N=200mg/L，vCOD采用好氧方法进行处理，采用好氧方法进行处理，NO3-N采用厌氧过程。采用厌氧过程。v污泥取自某城市污水厂，总量污泥取自某城市污水厂，总量1L，加入，加入200L污水。每

15、次污水。每次反应结束，将反应器中污水全部倒掉，留下约反应结束，将反应器中污水全部倒掉，留下约1L的污泥。的污泥。SBR反反应器：应器：300L超声超声波发波发生器：生器：8.6L热交换器热交换器25kHz 超声密度为超声密度为0.5w/L时，没有明显的时，没有明显的强化效果；强化效果；超声密度为超声密度为1-2 w/L时，降解速率时，降解速率最快；最快；超过超过1-2w/L，降解，降解速率反而降低。速率反而降低。无超声波无超声波强化强化最佳最佳 减弱减弱破坏破坏 最佳超声波强度是一个很窄的范围，要进行谨慎选择最佳超声波强度是一个很窄的范围，要进行谨慎选择。1.5NO3-N 与好氧葡萄糖超与好氧

16、葡萄糖超声降解情况相似。声降解情况相似。最佳超声密度为最佳超声密度为0.9w/L。NO3-N无超声波无超声波强化强化 最佳最佳 减弱减弱破坏破坏 比好氧比好氧COD降解所需最佳超声密度有所下降降解所需最佳超声密度有所下降0.9分析项目分析项目无超声波无超声波1.5w/L超声波超声波反应器造价反应器造价10.3m3:109604.6m3:5472曝气曝气5.3kw:128152kw:7264超声波设备超声波设备-15kw:69444总投资总投资2377582180运行费用运行费用0.089/m30.44m3对经济分析的分析v该超声波强化污水生物处理实验采用该超声波强化污水生物处理实验采用的是每次

17、将反应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。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因此，需要开发新的高效超声波辐射反应器048121620242832364044480.10.20.30.40.50.60.7 OUR OUR controlTime(h)OUR(mg(gmin)-1)3032343638404244 DHADHA(ug(mgh)-1)control1/6h8h1/6h8h1/6h8h0

18、.00.20.40.60.81.01.21.41.61.83rd US2nd USOUR(mg(g min)-1)Time(h)1st US a:OURcontrol 1/6h8h24h1/6h8h24h1/6h8h24h0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.83rd US2nd USOUR(mg.(g.min)-1)Time(h)1st USa:OUR05101520253035404550556065343638404244(a)DHA(ug(mg h)-1)Time(h)after 1st US exposure after 2nd US exposure after

19、 3rd US exposure after 4th US exposure regression line control020406080100343638404244(b)DHA(ug(mg h)-1)Time(h)after 1st exposure after 2nd exposure after 3rd exposure control 08162432404856010020030040050060070080030%20%10%5%3%1%0.5%influent R1 effluent R2 effluent Re(COD)Time(d)COD(mg L-1)-4-3-2-1

20、012345678Re(COD)(%)02468101210203040506070 R1 effluent R2 effluent COD/mg.L-1Time(d)3004005006007008009001000 influentCOD /mg.L-1/%US+RTRTUS+LTLT0.00.10.20.30.40.50.6 aOUR/mg(g min)-1US+RTRTUS+LTLT05101520bDHA/ug(mg h)-1初沉池初沉池曝气池曝气池二沉池二沉池 传统生物处理法：处理传统生物处理法：处理量大，效率高，费用低廉，量大，效率高，费用低廉，应用广泛。应用广泛。水质水量变化大

21、，或者水质水量变化大，或者含有难降解的物质含有难降解的物质，处，处理效果不佳理效果不佳北方地区冬季气温较低，生北方地区冬季气温较低，生物处理效率不高物处理效率不高 不需额外的不需额外的土建设施，易土建设施，易于实现。于实现。强化膜强化膜-生物活性炭工艺处理微污染水源水生物活性炭工艺处理微污染水源水v处理废水：微污染水源水处理废水：微污染水源水,COD=4.75mg/Lv强化生物处理工艺：膜强化生物处理工艺：膜-生物活性炭工艺。生物活性炭工艺。反应器有效容积反应器有效容积30L。系统内水力停留时间。系统内水力停留时间1.5h，溶解氧为，溶解氧为4-6mg/L，水箱水箱鼓风机鼓风机超声波超声波发生

22、器发生器超声波超声波换能器换能器一体式生物一体式生物膜反应器膜反应器膜组件膜组件出水出水反应器连续运行。超声波反应器连续运行。超声波每每24小时处理小时处理20分钟分钟0.005.0010.0015.0020.0025.0030.000246810 12 14 16 18 20 22 24Time(h)Re(%)Re:有机物有机物去除率提高去除率提高的百分比。的百分比。提高传质速度提高传质速度促进胞外酶的分泌及变异促进胞外酶的分泌及变异 选择每选择每24小时处理一次的间隔时间小时处理一次的间隔时间45kHz 膜生物反应器工艺净化微污染水，最佳超声功率膜生物反应器工艺净化微污染水，最佳超声功率0

23、.33W/L.0.33w/L0.16w/L0.5w/L0.000.501.001.502.002.503.003.50020406080100120daysq(mg/g d-1)setting loadcontrol load5W10W有所增加有所增加明显增加明显增加 适当强度超声波可显著提高适当强度超声波可显著提高生物活性，增强有机负荷率。生物活性，增强有机负荷率。样品样品生物活性炭生物活性炭对照对照生物活性炭生物活性炭 脱氢酶活性脱氢酶活性（gTF/cmgTF/cm3 3h h-1-1）3.662.46 TTC脱氢酶活性反映了微生物的活性。脱氢酶活性反映了微生物的活性。低强度超声辐照可以提

24、高膜生物反应器中生物活性炭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29.41%29.41%UVUV254254InfluentInfluentWaterWaterEffluent waterEffluent watersamplesamplecontrolcontrol0.450.45m-50KDm-50KD4.12%4.12%25%25%11.76%11.76%10KD-50KD10KD-50KD6.19%6.19%0 00 04KD-10 KD4KD-10 KD8.24%8.24%75%75%58.82%58.82%4KD-1 KD4KD-1 KD35.05%35.05%0 01 KD1 KD46.39%46.39%0 00 0 生物降解作用是小分子物质去除的主要因素，说明设置超生物降解作用是小分子物质去除的主要因素，说明设置超声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。029.41%超声波循环泵K2K1P111P2M1M2SBRV2V3V1K1超声波K2建立和完善超声波强化污水生物处理方法，建立和完善超声波强化污水生物处理方法，工艺设计参数，运行控制措施工艺设计参数，运行控制措施了解超声波对细胞、酶、基了解超声波对细胞、酶、基因、生物大分子作用的机制因、生物大分子作用的机制开发经济高效的开发经济高效的超声波反应器超声波反应器