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,共58頁，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，減少廢水的生物毒性，常用作生物處理的預(yù)處理工藝。第3頁,共58頁，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,共58頁，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,共58頁，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,共58頁，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,共58頁，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,共58頁，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)入振動狀態(tài)，從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，加速質(zhì)量傳遞作用。在聲強(qiáng)作用下振動的氣泡，在其界面層周圍相對于微聲流會產(chǎn)生液體的圓周運(yùn)動，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,共58頁，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)生的一系列動力學(xué)過程。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而變化，當(dāng)對液體施加足夠的負(fù)壓時，分子間距離超過保持液體作用的臨界分子間距，就會形成空穴，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,共58頁，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)化生物處理過程。強(qiáng)化機(jī)理第11頁,共58頁，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)中震蕩若干個聲周期，使其周圍的酶或細(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,共58頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)態(tài)空化對細(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，通過增強(qiáng)微生物活性來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,共58頁，2024年2月25日，星期天ChangesofOURandDHAofASafterultrasonicirradiation第14頁,共58頁，2024年2月25日，星期天其他發(fā)酵過程中溶解性CO2（

DCO2）的濃度過高，會對細(xì)胞生長產(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

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,共58頁，2024年2月25日，星期天

對照反應(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,共58頁，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,共58頁，2024年2月25日，星期天液體中包含的氣核滿足高斯分布，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，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,共58頁，2024年2月25日，星期天蘆薈樹脂細(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，5W和10W對細(xì)胞增長產(chǎn)生抑制作用，3W對細(xì)胞增長作用不明顯。超聲功率影響因素第19頁,共58頁，2024年2月25日，星期天不同超聲波功率對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,共58頁，2024年2月25日，星期天輻照時間不同超聲處理時間對啤酒酵母細(xì)胞數(shù)目及干重的影響細(xì)胞數(shù)目和干重隨輻照時間的延長而增加，45min時效果最好，60min時有所下降。影響因素32.5kHz30w第21頁,共58頁，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,共58頁，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5L的密閉圓柱形反應(yīng)器，其中一個反應(yīng)器底部裝有超聲波系統(tǒng)，進(jìn)行對照試驗。實(shí)驗系統(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,共58頁，2024年2月25日，星期天反應(yīng)器的構(gòu)造與運(yùn)行第24頁,共58頁，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波對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,共58頁，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)新陳代謝過程中的一些步驟，而對其他步驟反而會產(chǎn)生抑制作用，因此持續(xù)的輻照對微生物活性沒有強(qiáng)化效果。第26頁,共58頁，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，并與無超聲波進(jìn)行對照，葡萄糖濃度和細(xì)胞個數(shù)都基本相同高強(qiáng)度超聲對生物活性沒有強(qiáng)化效果第27頁,共58頁，2024年2月25日，星期天低強(qiáng)度超聲波對酒精產(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,共58頁，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)面會發(fā)生反射，造成部分區(qū)域超聲波的疊加或抵消。聽音器測量水中超聲波的分布第29頁,共58頁，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,共58頁，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,共58頁，2024年2月25日，星期天超聲密度對好氧葡萄糖降解的影響25kHz超聲密度為0.5w/L時，沒有明顯的強(qiáng)化效果；超聲密度為1-2w/L時，降解速率最快；超過1-2w/L，降解速率反而降低。第32頁,共58頁，2024年2月25日，星期天好氧COD降解的最佳超聲波密度無超聲波強(qiáng)化最佳減弱破壞最佳超聲波強(qiáng)度是一個很窄的范圍，要進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇。1.5第33頁,共58頁，2024年2月25日，星期天超聲密度對厭氧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,共58頁，2024年2月25日，星期天厭氧NO3-N降解的最佳超聲波密度無超聲波強(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,共58頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)濟(jì)分析（德國馬克）第36頁,共58頁，2024年2月25日，星期天對經(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)用價值。因此，需要開發(fā)新的高效超聲波輻射反應(yīng)器第37頁,共58頁，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,共58頁，2024年2月25日，星期天ChangesofASactivityafterrepeatedultrasonictreatmentwith8hand24hirradiationcycle8小時重復(fù)超聲一次24小時重復(fù)超聲一次第39頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

SchematicdiagramofchangesofASactivityinbioreactorwithultrasonicirradiationcycleof8hand24h第40頁,共58頁，2024年2月25日，星期天ComparisonofCODremovalintheR1andR2systemwithandwithoutultrasonictreatment第41頁,共58頁，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%污泥的增長率比對照反應(yīng)器降低了11%左右第42頁,共58頁，2024年2月25日，星期天對照反應(yīng)器和設(shè)置超聲波反應(yīng)器對實(shí)際污水COD去除效果的比較第43頁,共58頁，2024年2月25日，星期天苯酚對設(shè)置超聲波反應(yīng)器和對照反應(yīng)器進(jìn)出水COD及污泥活性的影響第44頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

低溫和室溫條件下超聲輻射對污泥活性的影響（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COD去除的影響第45頁,共58頁，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,共58頁，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)水力停留時間1.5h，溶解氧為4-6mg/L，第47頁,共58頁，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小時處理20分鐘第48頁,共58頁，2024年2月25日，星期天超聲波的處理效果隨時間變化規(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小時處理一次的間隔時間第49頁,共58頁，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,共58頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共58頁，2024年2月25日，星期天超聲波對有機(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,共58頁，2024年2月25日，星期天超聲波對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,共58頁，2024年2月25日，