低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理

關(guān)于低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理檢測(cè)超聲功率超聲信息載體能量載體金屬探傷水下定位醫(yī)學(xué)診斷微電子力學(xué)效應(yīng)化學(xué)效應(yīng)熱效應(yīng)生物效應(yīng)高強(qiáng)度超聲波間接強(qiáng)化生物處理低強(qiáng)度超聲波直接強(qiáng)化生物處理超聲波第2頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天高強(qiáng)度超聲波原理：廢水中難降解的有機(jī)污染物在高強(qiáng)度超聲波作用下發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂、水相燃燒、高溫分解及自由基反應(yīng)等，從而使其得到氧化降解；目的：降解水中的化學(xué)污染物，尤其是難降解的有機(jī)物，減少?gòu)U水的生物毒性，常用作生物處理的預(yù)處理工藝。第3頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化

污水生物處理第4頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容研究方向應(yīng)用前景影響因素強(qiáng)化機(jī)理第5頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波促進(jìn)傳質(zhì)，提高微生物活性直接作用于生物反應(yīng)器，提高生物反應(yīng)的效率生物、物理與環(huán)境的學(xué)科交叉目前研究尚處于起步階段第6頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波的強(qiáng)化機(jī)理超聲波機(jī)械傳質(zhì)作用

加熱作用

空化作用第7頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天加熱作用加熱作用：超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中，其能量不斷地被傳播介質(zhì)吸收而使介質(zhì)的溫度升高在生物反應(yīng)過(guò)程中，加熱作用不是主要作用方式，但是重要的影響因素之一強(qiáng)化機(jī)理第8頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天機(jī)械傳質(zhì)作用機(jī)械傳質(zhì)作用：超聲波可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，加速質(zhì)量傳遞作用。在聲強(qiáng)作用下振動(dòng)的氣泡，在其界面層周?chē)鄬?duì)于微聲流會(huì)產(chǎn)生液體的圓周運(yùn)動(dòng)，從而有利于反應(yīng)底物進(jìn)入酶生物催化劑的活性部位及其產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中的傳質(zhì)作用，提高了生物反應(yīng)的速度。

強(qiáng)化機(jī)理第9頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天空化作用空化作用：液體中氣泡在聲強(qiáng)作用下發(fā)生的一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在壓力波的作用下，液體中分子的平均距離隨著分子的振動(dòng)而變化，當(dāng)對(duì)液體施加足夠的負(fù)壓時(shí)，分子間距離超過(guò)保持液體作用的臨界分子間距，就會(huì)形成空穴，即空化泡。聲強(qiáng)大于10W/cm2----瞬態(tài)空化，聲強(qiáng)小于10W/cm2----穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)化機(jī)理第10頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天瞬態(tài)空化瞬態(tài)空化：高聲強(qiáng)條件下，空化泡迅速漲大并且破裂，同時(shí)泡內(nèi)產(chǎn)生高溫和空壓，導(dǎo)致自由基形成及產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波和射流。應(yīng)用：高強(qiáng)度超聲波降解廢水中有機(jī)污染物。破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者使酶失活，不能直接用于強(qiáng)化生物處理過(guò)程。強(qiáng)化機(jī)理第11頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天穩(wěn)態(tài)空化穩(wěn)態(tài)空化：低聲強(qiáng)條件下，空化泡的大小變化是有規(guī)律而和緩的，并以非線性的方式在媒質(zhì)中震蕩若干個(gè)聲周期，使其周?chē)拿富蚣?xì)胞顆粒受到微聲流作用下的切應(yīng)力的作用，這種空化即為穩(wěn)態(tài)空化。強(qiáng)化機(jī)理第12頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天穩(wěn)態(tài)空化對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的破壞很小，并能有效促進(jìn)可逆滲透，加強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸，減少次生代謝產(chǎn)物的積累對(duì)微生物代謝的抑制作用，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的合成?？芍苯幼饔糜谏锓磻?yīng)器，通過(guò)增強(qiáng)微生物活性來(lái)提高生物處理效率低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理的理論基礎(chǔ)強(qiáng)化機(jī)理第13頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天ChangesofOURandDHAofASafterultrasonicirradiation第14頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天其他發(fā)酵過(guò)程中溶解性CO2（

DCO2）的濃度過(guò)高，會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，低強(qiáng)度超聲波輻照可以有效降低DCO2的溶解度，從而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)

低強(qiáng)度、短周期的超聲波處理可促進(jìn)胞外酶的產(chǎn)率

超聲波促進(jìn)微生物酶產(chǎn)生變異

強(qiáng)化機(jī)理第15頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天

對(duì)照反應(yīng)器中活性污泥的電鏡照片

圖6設(shè)置超聲波反應(yīng)器中活性污泥的電鏡照片設(shè)置超聲波反應(yīng)器中活性污泥的電鏡照片第16頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化的影響因素

第17頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天液體中包含的氣核滿(mǎn)足高斯分布，設(shè)液體中具有最大數(shù)目的氣核半徑為R0，則當(dāng)超聲頻率等于具有R0半徑氣核的共振頻率時(shí)，促進(jìn)生物活性的效果最好，低于此頻率或高于此頻率均有所下降。頻率高，空化閾增大，聲空化過(guò)程難以發(fā)生頻率高，聲波的傳播衰減增大，增加了能量消耗因此，超聲頻率多選用20-50kHz。超聲頻率影響因素第18頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天蘆薈樹(shù)脂細(xì)胞經(jīng)不同強(qiáng)度超聲輻照后15天內(nèi)細(xì)胞重量的增加率。20kHz1W和2W的超聲波顯著促進(jìn)細(xì)胞增長(zhǎng)，5W和10W對(duì)細(xì)胞增長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，3W對(duì)細(xì)胞增長(zhǎng)作用不明顯。超聲功率影響因素第19頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同超聲波功率對(duì)脆壁克魯維氏酵母菊糖酶的活力的影響超聲波強(qiáng)度10W以下，酶的活力隨著超聲波強(qiáng)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超聲功率影響因素第20頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻照時(shí)間不同超聲處理時(shí)間對(duì)啤酒酵母細(xì)胞數(shù)目及干重的影響細(xì)胞數(shù)目和干重隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，45min時(shí)效果最好，60min時(shí)有所下降。影響因素32.5kHz30w第21頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化

污水生物處理第22頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天強(qiáng)化有機(jī)廢水生物處理菌種:SaccharomycescerevisiaeC-2324處理廢水：葡萄糖模擬廢水反應(yīng)裝置：2個(gè)5L的密閉圓柱形反應(yīng)器，其中一個(gè)反應(yīng)器底部裝有超聲波系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，保證嚴(yán)格厭氧。反應(yīng)器如圖所示：第23頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(yīng)器的構(gòu)造與運(yùn)行第24頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波對(duì)生物活性的影響消光度：反映生物量濃度。在超聲輻照以及停止期間，持續(xù)升高。相應(yīng)生物量濃度從0.12g/L升高到0.4g/L。葡萄糖濃度，從0.8降低到0.5g/L超聲密度：0.3w/L超聲輻照后可能引起微生物膜通量的改變和酶的變化。第25頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲輻照頻次的影響消光度和葡萄糖濃度基本上沒(méi)有變化可能的原因：超聲輻照只能強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)新陳代謝過(guò)程中的一些步驟，而對(duì)其他步驟反而會(huì)產(chǎn)生抑制作用，因此持續(xù)的輻照對(duì)微生物活性沒(méi)有強(qiáng)化效果。第26頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天高強(qiáng)度超聲波的作用采用12w/L超聲進(jìn)行輻照，并與無(wú)超聲波進(jìn)行對(duì)照，葡萄糖濃度和細(xì)胞個(gè)數(shù)都基本相同高強(qiáng)度超聲對(duì)生物活性沒(méi)有強(qiáng)化效果第27頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波對(duì)酒精產(chǎn)量的影響加入超聲輻照后，酒精濃度增至18-30g/L無(wú)超聲輻照，酒精濃度為3-12g/L采用低強(qiáng)度超聲輻照可加速發(fā)酵反應(yīng)，提高酒精的產(chǎn)量。第28頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲波在反應(yīng)器中的分布反應(yīng)器的頂部和側(cè)面會(huì)發(fā)生反射，造成部分區(qū)域超聲波的疊加或抵消。聽(tīng)音器測(cè)量水中超聲波的分布第29頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天強(qiáng)化果汁生產(chǎn)廢水生物處理處理廢水：果汁生產(chǎn)廠廢水，COD=20000mg/L，NO3-N=200mg/L，COD采用好氧方法進(jìn)行處理，NO3-N采用厭氧過(guò)程。污泥取自某城市污水廠，總量1L，加入200L污水。每次反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)器中污水全部倒掉，留下約1L的污泥。第30頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天SBR反應(yīng)器：300L超聲波發(fā)生器：8.6L熱交換器反應(yīng)器的構(gòu)造與運(yùn)行第31頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲密度對(duì)好氧葡萄糖降解的影響25kHz超聲密度為0.5w/L時(shí)，沒(méi)有明顯的強(qiáng)化效果；超聲密度為1-2w/L時(shí)，降解速率最快；超過(guò)1-2w/L，降解速率反而降低。第32頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天好氧COD降解的最佳超聲波密度無(wú)超聲波強(qiáng)化最佳減弱破壞最佳超聲波強(qiáng)度是一個(gè)很窄的范圍，要進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇。1.5第33頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲密度對(duì)厭氧NO3-N轉(zhuǎn)化的影響與好氧葡萄糖超聲降解情況相似。最佳超聲密度為0.9w/L。第34頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天厭氧NO3-N降解的最佳超聲波密度無(wú)超聲波強(qiáng)化最佳減弱破壞比好氧COD降解所需最佳超聲密度有所下降0.9第35頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天經(jīng)濟(jì)分析（德國(guó)馬克）第36頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)經(jīng)濟(jì)分析的分析該超聲波強(qiáng)化污水生物處理實(shí)驗(yàn)采用的是每次將反應(yīng)器中的懸浮污泥完全循環(huán)一遍，因此所需要的超聲波發(fā)生器的投資及其所消耗的電能較高，費(fèi)用昂貴，不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此，需要開(kāi)發(fā)新的高效超聲波輻射反應(yīng)器第37頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天ChangesofOURandDHAofASafterultrasonicirradiation我們研究發(fā)現(xiàn)：45kHz,0.3w/cm2,超聲10分鐘第38頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天ChangesofASactivityafterrepeatedultrasonictreatmentwith8hand24hirradiationcycle8小時(shí)重復(fù)超聲一次24小時(shí)重復(fù)超聲一次第39頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天

SchematicdiagramofchangesofASactivityinbioreactorwithultrasonicirradiationcycleof8hand24h第40頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天ComparisonofCODremovalintheR1andR2systemwithandwithoutultrasonictreatment第41頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天強(qiáng)度0.3W/cm2，8h取10%的活性污泥，輻照10min返回反應(yīng)器：COD去除率提高5%好氧呼吸速率(OxygenUptakeRate,OUR)表示的污泥活性可提高12%污泥的增長(zhǎng)率比對(duì)照反應(yīng)器降低了11%左右第42頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)照反應(yīng)器和設(shè)置超聲波反應(yīng)器對(duì)實(shí)際污水COD去除效果的比較第43頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天苯酚對(duì)設(shè)置超聲波反應(yīng)器和對(duì)照反應(yīng)器進(jìn)出水COD及污泥活性的影響第44頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天

低溫和室溫條件下超聲輻射對(duì)污泥活性的影響（a:OUR；b:DHA）（US：超聲波強(qiáng)化處理；RT：roomtemperature室溫；LT：lowtemperature低溫）低溫和室溫條件下設(shè)置超聲波處理對(duì)COD去除的影響第45頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用初沉池曝氣池二沉池傳統(tǒng)生物處理法：處理量大，效率高，費(fèi)用低廉，應(yīng)用廣泛。水質(zhì)水量變化大，或者含有難降解的物質(zhì)，處理效果不佳北方地區(qū)冬季氣溫較低，生物處理效率不高不需額外的土建設(shè)施，易于實(shí)現(xiàn)。超聲波第46頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天強(qiáng)化膜-生物活性炭工藝處理微污染水源水處理廢水：微污染水源水,COD=4.75mg/L強(qiáng)化生物處理工藝：膜-生物活性炭工藝。反應(yīng)器有效容積30L。系統(tǒng)內(nèi)水力停留時(shí)間1.5h，溶解氧為4-6mg/L，第47頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(yīng)器的構(gòu)造與運(yùn)行水箱鼓風(fēng)機(jī)超聲波發(fā)生器超聲波換能器一體式生物膜反應(yīng)器膜組件出水反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行。超聲波每24小時(shí)處理20分鐘第48頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲波的處理效果隨時(shí)間變化規(guī)律曲線Re:有機(jī)物去除率提高的百分比。提高傳質(zhì)速度促進(jìn)胞外酶的分泌及變異選擇每24小時(shí)處理一次的間隔時(shí)間第49頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲波功率的選擇45kHz膜生物反應(yīng)器工藝凈化微污染水，最佳超聲功率0.33W/L.0.33w/L0.16w/L0.5w/L第50頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天第51頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲波對(duì)有機(jī)負(fù)荷的影響有所增加明顯增加適當(dāng)強(qiáng)度超聲波可顯著提高生物活性，增強(qiáng)有機(jī)負(fù)荷率。第52頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，星期天超聲波對(duì)TTC-脫氫酶活性的影響TTC脫氫酶活性反映了微生物的活性。低強(qiáng)度超聲輻照可以提高膜生物反應(yīng)器中生物活性炭活性第53頁(yè),共58頁(yè)，2024年2月25日，