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1、个人资料整理仅限学习使用高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解处理新方法的研究内容摘要摘 要：怎样经济高效的处理高浓度、难降解有机废水问题，多年来一直是人们探索的问题。本文通过研究提出了一种相对经济安全高效的处理高浓度、难降解有机废水“ 超声聚焦裂解 ” 新方法；即通过动态加压溶气 +超声聚焦裂解 +絮凝气浮的方法来提高废水处理效果。通过研究分别构建了超声聚焦裂解和絮凝气浮动力学模型，并通过实验研究，为经济高效地处理高浓度、难降解有机废水探索了一条新途径。关键词 高浓度、难降解有机废水；超声聚焦裂解新方法中图分类号： X505 文献标识码： A 文章编号正文文字大小：大中小高浓度、难降解有机废水超
2、声聚焦裂解处理新方法的研究 (2. 南京航空航天大学机电学院南京 江苏 210096 摘 要：怎样经济高效的处理高浓度、难降解有机废水问题，多年来一直是人们探索的问题。本文通过研究提出了一种相对经济安全高效的处理高浓度、难降解有机废水“ 超声聚焦裂解 ” 新方法；即通过动态加压溶气 +超声聚焦裂解 +絮凝气浮的方法来提高废水处理效果。通过研究分别构建了超声聚焦裂解和絮凝气浮动力学模型，并通过实验研究，为经济高效地处理高浓度、难降解有机废水探索了一条新途径。关键词 高浓度、难降解有机废水；超声聚焦裂解新方法中图分类号： X505 文献标识码： A 文章编号0 前言近年来国内外一些水处理专家围拢着
3、高浓度、难降解有机废水问题，研究了许多新方法。如湿式裂解法，其裂解效果虽然很好，但是因为牵涉到高温、高压反应过程复杂，因此，一直未能很好地推广应用；又如反渗透法，处理后的水质较好，但存在着膜易污染、设备一次性投资大等问题。多年来，课题组一直在探索经济高效的处理高浓度、难降解有机废水方法。受超声乳化、超声清洗的启发，拟通过动态加压溶气+超声聚焦裂解 +絮凝气浮的方法来达到经济高效的处理高浓度、难降解有机废水的目的。1 超声裂解作用机理1.1 液体的结构强度从生物学中可知，适当强度的超声波可以对DNA 等生物大分子进行裂解，大量的实验证明破裂主要是由超声空化引起的。同样，可以利用超声空化方法对污水
4、中一些难降解的分子进行超声裂解。纯净的液体分子之间的吸引力很大，纯水在20时结构强度的理论值为3250kg/cm2 。但是经实验表明，对一般液体其实际结构强度通常在250500 kg/cm2，这种现象用气泡核学说来解释。由于热度的不均匀或其它原因溶解在液体中的微气泡，于是在声波负压的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀变大而产生空化，其冲击水波能在其周围产生上千个大气压力，对水中某些物质产生裂解作用。设一个半径为的空化泡在液体中保持平衡，在没有外力作用时泡内外压力处于平衡状态：1）式中： 泡内压力， Pa ； 泡内蒸汽压力， Pa； 泡内气体压力 , Pa 。 泡外压力， Pa；
5、 流体静压力， Pa； 空化泡表面张力，Pa。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用当有外力作用时，即令流体内的压力时导致空化泡半径由，此时的气压为：2）泡内新的压力为： 3 ）如果 ，泡外的作用压力将因空化泡表面张力减小而变为：4）如果此时空化泡仍处于平衡，有：5）上式表明，流体静压力 ）与空化泡半径的三次方 ）成反比，即该值的微小下降将会导致空化泡半径的急剧增大，与极小临界流体静压值对应的空化泡半径，叫做临界半径以表示。为估计值取式 5）对 的微分。取 取代 ，在临界流体静压时，式5）的 用
6、取代有：6）把式 5）的 值代入 6）后有： 这个功应等于液体移向空泡收缩空间时所获得的动能为：收缩情况见图1 所示。(10 式中： 污水密度 , kg/m3 。 液体移动的体积，m3； 液体移动速度， m/s 。从图 1，可以推出式 (11）(11 设污水是不可压缩的，空化泡收缩的体积 ）等于液体充填体积 ），则有：12 ）将式 12 ）二边除以并整理后代入 9）式：13 ）从上式，可以看到外力所作的功等于污水本身的动能，经整理后可得到：14 ）对上式右边取到 0 的积分，即可得到空泡崩溃所需要的时间为：15 ）当有声场作用污水时，污水中的压力为： 16）而式中： 声压， Pa ； 声压振幅
7、， Pa。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用2 强化处理效果的措施通过对超声裂解作用机理的理论研究，可以看出：超声空化作用的结果是液体中微气泡的瞬间崩溃空化），微气泡的数量越多，其空化产生的能量就越大，但是微气泡数量越多，需要消耗的能量就越大。因此，增加微气泡的数量，提高超声波场强是处理高浓度、难降解有机废水问题的关键技术。但是，要使废水达到排放标准，需进一步完善工艺过程，本课题增加化学絮凝气浮工序。2.1 动态加压溶气由于空气属于难溶于水的气体，其扩散是受液膜控制的，由于其亨利系数很小，单靠
8、一味的提高溶气压力来提高污水中溶气量显然是不经济的。本课题将填料装入一个网筒，通过电动机带动其转动，以加剧液相紊动程度，从而提高传质速率。1空气溶解效率与传质系数的关系而空气的传递速率与推动力成正比，即 17 ）式中： 传质推动力。空气溶解属于液膜控制，以液相浓度差表示，； 液相总传质系数。填料罐中气液两相实际接触面积以表示，则18 ）式中 填料层高度； 空罐截面积； 填料的有效比表面。则式 17 ）可改写成下式 19 ）式中 空气溶解速率。将式 18 ）代入 19 ）得 20）2空气溶解和溶气时间的关系将式 16 ）写成微分方程 21 ）式中 水中空气的浓度； 水中空气的饱和溶解度； 液相总
9、传质系数； 溶气时间。将式 20 ）代入式 21）后则式 21 ）可变为：22 ）式中 进口水中溶解空气量； 加压水流量。通过式 。23 ）式中 聚焦超声波的声压； 超声换能器产生的声压； 振幅放大系数； 圆锥形聚能器大端面半径； 圆锥形聚能器小端面半径；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用 聚能器的长度； 超声波的圆频率； 超声波在聚能器中的传播速度。从式 式中 带气絮粒上浮速度，cm/s； 带气絮粒的质量，g； 时间， s。 阻力，与水的流动状态有关。(25 式中 带絮气粒密度，gcm3；
10、重力加速度， cm/s2 ； 带气絮粒体积， cm3 。26 ）式中 水的密度， g/cm3 。在雷诺数 时 得28 ）设絮体在静止液体中上升，且其大小、形状、重量恒定，絮粒上升时，它将加速至液体的摩擦阻力等于作用在絮粒上的浮力的一瞬间为止，此后匀速上浮，加速度，絮粒上浮速度：29 ）3 实验研究3.1 实验装置为了验证理论研究，本课题研究设计一套“ 高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解化学絮凝气浮处理实验装置 ” 其工艺流程如图5 所示。3.2 实验研究为了研究高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解化学絮凝气浮处理效果和影响因素，课题组选择发酵工业废水作为研究对象，下面主要介绍酒精废水和柠檬酸废水
11、实验情况。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用1酒精废水水质自然澄降澄清液）pH 值=46 COD/mg•。L-1=1000035000 2柠檬酸废水pH 值=4.55.5 水质 60KHz 时其去除率增加缓慢，这说明过高振动频率并不能获得明显的处理效果。3 药剂种类和投加量对COD 去除率的影响本实验的目的一是选择投加药剂的种类，二是选择药剂投加量。1#药剂为无机复合混凝剂；2#药剂为高分子复合絮凝剂。实验结果如图9 所示。从实验结果，可以看出单独使用1#药剂，药剂量为1.2mg/L
12、 时， COD 最大去除率为65% ；单独使用2#药剂，药剂量为1.2mg/L 时， COD 最大去除率为72% ；1#药剂与 2#药剂按 1：1 联合使用，药剂量为1.5mg/L 时(即 1#药剂 0.9mg/L ，2#药剂 0.6mg/L ，COD 最大去除率可达87% 。4超声聚焦裂解污水处理系统实验系统实验参数如下：溶气压力 0.5MPa ；溶气时间 7min ；超声频率 60KHz ；1#药剂 0.9mg/L ，2#药剂 0.6mg/L 联合使用。实验情况分别如表1 所示。表 1 超声聚焦裂解污水处理实验(COD 去除率 工序 CODcr(mg/L 进水 出水 去除率 2500035
13、000 465560 0.98 0.98 酒精废水1000025000 485520 0.950.97 2500038000 525580 0.970.98 3结论通过对高浓度、难降解有机废水超声聚焦裂解的理论和实验研究，得出的结论如下：本文通过对影响超声聚焦裂解工艺主要影响因素，污水的结构强度、空化阈、空化泡崩溃时间以及化学絮凝气浮工艺的研究，分别构建了其反应过程动力学模型。本文通过采取动态加压溶气方式增加微气泡的数量；通过超声聚焦方式提高超声波的场强；采用一种高效化学絮凝气浮工序完善工艺过程。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用通过实验研究对工艺参数进一步优化，同时证明了超声聚焦裂解方式对高浓度、难降解有机废水处理是可行的，而且是一种经济高效的新方法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页