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1、高强度超声波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。第1页/共56页低强度超声波强化污水生物处理第2页/共56页 主要内容研究方向应用前景影响因素强化机理第3页/共56页低强度超声波v 促进传
2、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生生物、物理与环境的学科交叉物、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第4页/共56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5页/共56页加热作用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
3、但是重要的影响因素之一强化机理第6页/共56页机械传质作用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。强化机理第7页/共
4、56页空化作用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-稳态空化稳态空化强化机理第8页/共56页瞬态空化v瞬态空化：高声强条件下，空化泡迅
5、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。强化机理第9页/共56页稳态空化 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媒质中震荡若干个声周期，使其周
6、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。强化机理第10页/共56页稳态空化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低强度超声波强
7、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第11页/共56页Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation第12页/共56页其 他v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
8、促进微生物酶产生变异 强化机理第13页/共56页 对照对照对照对照反应反应反应反应器中器中器中器中活性活性活性活性污泥污泥污泥污泥的电的电的电的电镜照镜照镜照镜照片片片片 图 6 设置超声波反应器中活性污泥的电镜照片设置设置设置设置超声超声超声超声波反波反波反波反应器应器应器应器中活中活中活中活性污性污性污性污泥的泥的泥的泥的电镜电镜电镜电镜照片照片照片照片 第14页/共56页低强度超声波强化的影响因素 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
9、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特性等结构和微生物的特性等，互相影响，互相影响第15页/共56页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
10、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20-50kHz。超声频率影响因素第16页/共56页v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。20kHzv1W和和2W的的超超声声波波显显著著促促进进细细胞胞增增长长，5W和和10W对对细细胞胞增增长长产产生生抑抑制制作作用用，3W对对细细胞胞增增长长作用不明显。作用不明显。超声功率影响因素第17页/共56页v不同超声波功率对脆壁克鲁维氏
11、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v超超 声声 波波 强强 度度10W以以下下，酶酶的的活活力力随随着着超超声声波波强强度度的的增增加加而而增增加加，大大于于10W，酶酶的的活活力力迅迅速速下下降降，15W部部分分酶酶失活失活。20kHz超声功率影响因素第18页/共56页辐照时间v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v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第19页/共5
12、6页低强度超声波强化污水生物处理第20页/共56页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 cerevisiaeC-2324v处理废水：葡萄糖模拟废水处理废水：葡萄糖模拟废水v反反应应装装置置：2个个5L的的密密闭闭圆圆柱柱形形反反应应器器，其其中中一一个个反反应应器器底底部部装装有有超超声声波波系系统统，进进行行对对照照试试验验。实实验验系系统统连连续续运行，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：第21页/共56页反应器的构造与运行第22页/共56页低强度超声波对生物活性的影响消光度：反映生物量浓消光度：反映生物量浓度。在超声
13、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0.12g/L升高到升高到0.4g/L。g/L超声密度超声密度：0.3w/Lv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。第23页/共56页超声辐照频次的影响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v可能的原因：超声辐照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。
14、此持续的辐照对微生物活性没有强化效果。第24页/共56页高强度超声波的作用采用采用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v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第25页/共56页低强度超声波对酒精产量的影响加入超声辐照后，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/Lv采用低强采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。第26页/共56页超声波在反应器
15、中的分布v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。听听音音器器测测量量水水中中超超声声波波的的分分布布第27页/共56页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处处理理废废水水：果果汁汁生生产产厂厂废废水水，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污污泥泥取取自自某某城城市市污污水水厂厂，总总量量1L，加加入入200L污污水水。每每次次反应结束，将反应器中污水全部倒掉，留下约反应结束，将反应器中
16、污水全部倒掉，留下约1L的污泥。的污泥。第28页/共56页SBR反反应器：应器：300L超声超声波发波发生器：生器：8.6L热交换器热交换器反应器的构造与运行第29页/共56页超声密度对好氧葡萄糖降解的影响25kHzv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；v超声密度为超声密度为1-2w/L时，降解速率时，降解速率最快；最快；v超过超过1-2w/L，降降解速率反而降低。解速率反而降低。第30页/共56页好氧COD降解的最佳超声波密度无超声波无超声波强化强化最佳最佳 减弱减弱破坏破坏v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
17、范围，要进行谨慎选择。1.5第31页/共56页超声密度对厌氧NO3-N转化的影响v与好氧葡萄糖与好氧葡萄糖超声降解情况相超声降解情况相似。似。v最佳超声密度最佳超声密度为为0.9w/L。第32页/共56页厌氧NO3-N降解的最佳超声波密度无超声波无超声波强化强化 最佳最佳 减弱减弱破坏破坏v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第33页/共56页经济分析（德国马克）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-1
18、5kw:69444总投资总投资2377582180运行费用运行费用0.089/m30.44m3第34页/共56页对经济分析的分析v该该超超声声波波强强化化污污水水生生物物处处理理实实验验采采用用的的是是每每次次将将反反应应器器中中的的悬悬浮浮污污泥泥完完全全循循环环一一遍遍，因因此此所所需需要要的的超超声声波波发发生生器器的的投投资资及及其其所所消消耗耗的的电电能能较较高高，费费用用昂昂贵贵，不不具有实际应用价值。具有实际应用价值。v 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第35页/共56页Changes of OUR and DHA of AS Chan
19、ges of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiationafter ultrasonic irradiation我我我我们们们们研研研研究究究究发发发发现：现：现：现：45kHz,0.3w/cm45kHz,0.3w/cm2 2,超声超声超声超声1010分钟分钟分钟分钟第36页/共56页 Changes of AS activity Changes of AS activity after repeated ultrasonic treatment with 8h and 24h irradiation cycleafter repeated u
20、ltrasonic treatment with 8h and 24h irradiation cycle8 8小时重复超声一次小时重复超声一次小时重复超声一次小时重复超声一次2424小时重复超声一次小时重复超声一次小时重复超声一次小时重复超声一次第37页/共56页 Schematic diagram of changes Schematic diagram of changes of AS activity in bioreactor with ultrasonic irradiation cycleof AS activity in bioreactor with ultrasonic i
21、rradiation cycle of 8h and 24h of 8h and 24h 第38页/共56页 Comparison of COD removal in the R1 and R2 system Comparison of COD removal in the R1 and R2 system with and without ultrasonic treatment with and without ultrasonic treatment 第39页/共56页强度强度强度强度0.3W/cm20.3W/cm2，8h8h取取取取10%10%的活性污泥，辐照的活性污泥，辐照的活性污泥
22、，辐照的活性污泥，辐照10min10min返回反应器：返回反应器：返回反应器：返回反应器：CODCOD去除率提高去除率提高去除率提高去除率提高5%5%好氧呼吸速率好氧呼吸速率好氧呼吸速率好氧呼吸速率(OxygenUptakeRate,OUR)(OxygenUptakeRate,OUR)表示的污泥活性可提高表示的污泥活性可提高表示的污泥活性可提高表示的污泥活性可提高12%12%污泥的增长率比对照反应器降低了污泥的增长率比对照反应器降低了污泥的增长率比对照反应器降低了污泥的增长率比对照反应器降低了11%11%左右左右左右左右第40页/共56页对对对对照反照反照反照反应应应应器和器和器和器和设设设设
23、置超声波反置超声波反置超声波反置超声波反应应应应器器器器对对对对实际污实际污实际污实际污水水水水CODCOD去除效果的比去除效果的比去除效果的比去除效果的比较较较较项目项目项目项目第第第第1 1天天天天第第第第2 2天天天天第第第第3 3天天天天/mgL/mgL-1-1去除率去除率去除率去除率/%/%CODCOD/mgL/mgL-1 1去除率去除率去除率去除率/%/%CODCOD/mgL/mgL-1 1去除率去除率去除率去除率/%/%进水进水进水进水458.74458.74-461.11461.11-408.39408.39-对照反应器出水对照反应器出水对照反应器出水对照反应器出水55.945
24、5.9487.8087.8055.5655.5687.9587.9550.3550.3587.6787.67设置超声波反应器设置超声波反应器设置超声波反应器设置超声波反应器出水出水出水出水33.5733.5792.6892.6833.3333.3392.7792.7727.9227.9293.1593.15设置超声波出水比设置超声波出水比设置超声波出水比设置超声波出水比对照出水降低的百对照出水降低的百对照出水降低的百对照出水降低的百分比分比分比分比/%/%404040404444第41页/共56页苯酚对设置超声波反应器和对照反应器进出苯酚对设置超声波反应器和对照反应器进出苯酚对设置超声波反应器
25、和对照反应器进出苯酚对设置超声波反应器和对照反应器进出水水水水CODCODCODCOD及污泥活性的影响及污泥活性的影响及污泥活性的影响及污泥活性的影响时间时间时间时间/d/d进水进水进水进水苯酚苯酚苯酚苯酚/mg/mgL L-1-1进水进水进水进水CODCOD/mg/mgL L-1-1出水出水出水出水COD/mgLCOD/mgL-1-1OUR/mg(gmin)OUR/mg(gmin)-1-1R1R1R2R2R1R1R2R21 119.119.1436436333322220.980.981.181.182 242.342.3571571292922220.880.881.061.063 379
26、.279.2702702303025250.780.780.930.934 4279.8279.816701670525241410.580.580.780.78第42页/共56页 低温和室温条件下超声辐射对污泥低温和室温条件下超声辐射对污泥低温和室温条件下超声辐射对污泥低温和室温条件下超声辐射对污泥活性的影响（活性的影响（活性的影响（活性的影响（a:OURa:OURa:OURa:OUR；b:DHAb:DHAb:DHAb:DHA）（USUSUSUS：超声波强化处理；：超声波强化处理；：超声波强化处理；：超声波强化处理；RTRTRTRT：room temperature room tempera
27、ture room temperature room temperature 室温；室温；室温；室温；LTLTLTLT：low low low low temperaturetemperaturetemperaturetemperature低温）低温）低温）低温）低温和低温和低温和低温和室温条室温条室温条室温条件下设件下设件下设件下设置超声置超声置超声置超声波处理波处理波处理波处理对对对对CODCODCODCOD去去去去除的影除的影除的影除的影响响响响第43页/共56页应 用初沉池初沉池曝气池曝气池二沉池二沉池v传统生物处理法：处传统生物处理法：处理量大，效率高，费用低理量大，效率高，费用低廉
28、，应用广泛。廉，应用广泛。v 水质水量变化大，或水质水量变化大，或者含有难降解的物质者含有难降解的物质，处理效果不佳处理效果不佳v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v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。超声波超声波超声波超声波第44页/共56页强化膜强化膜-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强强化化生生物物处处理理工工艺艺：膜膜-生生物物活活性性炭炭工工艺艺。反反应应器器有有效效容容积积30L。系系统统内内水水力力停停留留时时间间
29、1.5h，溶解氧为溶解氧为4-6mg/L，第45页/共56页反应器的构造与运行水箱水箱鼓风机鼓风机超声波超声波发生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v反反应应器器连连续续运运行行。超超声声波波每每24小小时时处处理理20分分钟钟第46页/共56页超声波的处理效果随时间变化规律曲线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v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第47页/共56页超声波功率的选择45kHzv膜生物反应器工艺净化微污染水，最
30、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0.33W/L.0.33w/L0.16w/L0.5w/L第48页/共56页第49页/共56页超声波对有机负荷的影响有所增加有所增加明显增加明显增加v适适当当强强度度超超声声波波可可显显著著提提高高生生物物活活性性，增增强强有有机机负负荷荷率率。第50页/共56页超声波对TTC-脱氢酶活性的影响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）3.662.46vTTC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。v低强度超声辐照可以提高膜生物反应器中生物活
31、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第51页/共56页超声波对出水中有机物分子量的影响29.41%29.41%UVUV254254InfluentInfluentWaterWaterEffluent waterEffluent watersamplesamplecontrolcontrol0.450.45m-50KDm-50KD4.12%4.12%25%25%11.76%11.76%1010KD-50KDKD-50KD6.19%6.19%0 00 04 4KD-10 KDKD-10 KD8.24%8.24%75%75%58.82%58.82%4 4KD-1 KDKD-1
32、KD35.05%35.05%0 01 1 KDKD46.39%46.39%0 00 0v 生生物物降降解解作作用用是是小小分分子子物物质质去去除除的的主主要要因因素素，说说明明设设置置超声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。超声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。029.41%第52页/共56页超声波循环泵K2K1P111P2M1M2（K1K1、K2K2 阀门；阀门；阀门；阀门；P1P1、P2P2 流量计；流量计；流量计；流量计；M1M1、M2M2 压力计）压力计）压力计）压力计）传统活性污泥法中超声波辐射系统安装示意图传统活性污泥法中超声波辐射系统安装示意图传统活性污泥法中超声波辐射系统
33、安装示意图传统活性污泥法中超声波辐射系统安装示意图第53页/共56页SBRV2V3V1K1超声波K2K1K1、K2K2阀门；阀门；阀门；阀门；V1V1、V2V2、V3V3 泵泵泵泵SBRSBR工艺中超声波辐射处理器的安装示意图工艺中超声波辐射处理器的安装示意图工艺中超声波辐射处理器的安装示意图工艺中超声波辐射处理器的安装示意图第54页/共56页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，运行控制措施研究方向了解超声波对细胞、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第55页/共56页感谢您的观看。感谢您的观看。第56页/共56页