超声波在城市剩余活性污泥中的传输特性的模拟及实验研究

发布时间：2020-05-13 15:57

【摘要】：由于超声波在污泥悬浮液中发生超声空化效应时将产生高温(5000K)、高压(50MPa)并伴随强烈的冲击波产生高强度剪切力的极端的物理环境,高强度剪切力可以破坏污泥的结构等特性,使污泥后续的厌氧消化处理的速度加快,因此,超声波破解污泥是一种非常有前途的污泥预处理方法,但是,其高能耗的瓶颈问题制约着该技术的快速发展。为打破能耗瓶颈,推动超声破解污泥技术在我国的大规模应用,本文从工程热物理的角度出发,以城市浓缩剩余活性污泥为研究对象,围绕超声波在污泥中的传输特性进行了一序列相关的理论推导、数值计算、数值模拟以及实验的研究,主要研究内容及结论如下: ①建立了球形污泥颗粒的超声波传播模型,推导出了粘滞波吸收系数和热波吸收系数,并在考虑剩余活性污泥悬浮液的流变特性的基础之上,推导出了超声波在污泥中传播时的粘滞吸收系数,这是本文的第一个创新点。 粘滞波吸收系数和热波吸收系数均与污泥颗粒介质的体积百分比浓度有关,根据污泥以及水的相关物性参数,可以求出粘滞波吸收系数和热波吸收系数。当粘滞波波长与污泥颗粒尺寸大致相等时,粘滞吸收损失最大。在低频时,污泥颗粒与水之间的温度差会在声波通过的时间内达到平衡,在高频时,只有位于污泥颗粒的表面部分参与热传导过程,当热波波长与污泥絮凝体尺寸相接近时,则整个污泥悬浮颗粒都会参与热传导的损失机理。 超声波在污泥中传播时的粘滞吸收系数与污泥的塑性粘度有关,而且由于污泥的塑性粘度随浓度的变化而变化的特性导致粘滞吸收系数具有不确定性。 ②从工程热物理的角度出发,基于能量平衡的基础之上,对空化泡在第一次崩溃末期的能量特性通过数值计算进行了详细的研究。提出了在空化泡不同的热力学状态下采用不同的热物理模型来描述空化泡的崩溃过程的方法,并首次给出了超声波在第一次崩溃过程中的等温过程与绝热过程的热力学状态的界定准则和分界点的位置,这是本文的第二个创新点。 超声空化泡在崩溃末期的能量转换特性是合外力功、动能、温度、压力、泡内外温差传热在崩溃点即空化泡最小半径值点均具有同时刻性,正是由于合外力功与动能在崩溃点降低到最小值,为崩溃点的温度、压力以及温差传热增加到最大值提供了能量保障,实现了能量的传递与转换。空化泡被压缩至初始半径值点,该点为等温过程与绝热过程的分界点,该点之前的过程属于热力学等温过程,该点之后至崩溃点(即空化泡最小半径值点)是属于动力学绝热过程,因此,在空化泡不同的热力学状态下采用不同的热物理模型来描述空化泡的崩溃过程更为适合。 ③采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,首次对超声波在剩余活性污泥中传播时最能代表其能量特性的声强的传播特性,在各种模拟工况下进行了数值模拟研究,研究结果可以为超声波处理污泥的声化学反应容器的设计及其优化提供理论参考,这是本文的第三个创新点。 对于圆柱体和方形体容器来说,声强的空间分布区域呈现出类似“圆柱体”的形状,这说明声强的空间分布具有一定的集中性。超声波发射面面积的大小对声强的空间分布有直接的影响。功率的增加只是整体增加了声场中各点的声强值。对于单个探头的圆柱形容器半径的改变和长方体容器的长宽改变时,二者声强具有相似的变化趋势,声强的分布空间区域也成类似“圆柱体”的形状;当高度不变时,随容器半径(或长宽)的减少,声强的分布空间区域的“圆柱体”的高度的增加体现在声强的衰减距离增大,而且声强值强的空间分布区域逐渐增多并且离发射面更远一些,同时单位距离的声强衰减速度逐渐降低。通过比较可知,当相关参数相等或相近时,对于单个探头的声化学反应器来说,圆柱体容器比长方体容器更适合于作声化学反应容器,球形容器不适合做声化学反应容器。多探头超声波发射面布置时,需要考虑声场中声强的覆盖区域,以及超声波的有效作用区域。 ④对超声波声强在浓缩剩余活性污泥中的传播特性进行了实验研究,采用基于能量转换与守恒原理的超声波热探头法,通过测量超声场中的温度变化来表示超声波在污泥中传播时的声强值的大小。 通过改变超声波探头发射面的位置、改变超声波的频率、改变超声波的输入功率以及改变超声波的持续作用时间等参数,在各种实验工况下进行了实验。实验结果指出,在一定的频率及功率下,声强在探头发射面附近骤然下降之后的曲线的变化趋势是比较平缓的逐渐趋于一定值左右,这是因为在超声波发射面附近发生了强烈的超声空化导致超声波声强值的降低速度很快;相同频率下存在最佳功率使轴线上各点的声强值均达到各自点的最大值;在其它参数相同时,并非功率值越大其声强值就一定越大,声强值的大小对超声波的频率及功率均具有选择性,存在最佳的频率值和功率值;随着超声波持续作用时间的增加,多数的声强曲线的变化趋势类似正弦曲线,而且声强值变化的总体趋势是增加的。
【图文】：

超声波预处理可以提高污泥的生物可降解性，进而增加污泥的脱水量，减少剩余活性污泥的产量。活性污泥絮凝体中的菌胶团是一种亲水性物质，菌胶团中的含水量占整个污泥中含水量的 25％左右，由于菌胶团结构一般难以被破坏，所以造成污泥采用一般方法难以脱水，但是采用适当强度的超声波处理可以破坏菌胶团结构，使其中的水分释放出来成为容易去除的自由水，而且还可以保持污泥较大的颗粒，，使其沉降性能有所提高。菌胶团结构被破坏，必然导致细菌的细胞壁被破坏，因此，菌胶团里面大量的有机物将被释放出来，从而容易被微生物所分解，这样可以缩短污泥厌氧消化的时间，同时减少污泥厌氧消化设备的体积。超声波活性污泥处理技术的综合利用工艺流程见图 1.1 所示。二沉池的活性污泥一部分回流到曝气池，另一部分通过超声波处理之后，提高其生物降解性之后，污泥的自身氧化率得到提高，然后再回流与污水混合，促进细胞的隐性生长，达到减量的目的；同时，剩余的活性污泥经过超声波处理之后，可减少其含水量并加快其厌氧消化速度，最后使机械脱水的污泥体积量大大减少，而且污泥的有害病菌也被大量消除，同时起到减量化和稳定化的作用。

由于表面张力，毛细作用力以及菌胶团内价阳离子架桥等使污泥颗粒具有一定强度，因此，单个以水为连续介质的水中时，一平面超声波纵波水平入射下现象。颗粒介质球的密度与水接近，该小球会在超声波声压的区和压缩区，即经历膨胀压缩，导致小球在一定程度内反射，该辐射包括两部分，①由于压缩、膨胀以及来回运动而产生粘滞波辐射，即由于小球所处位置存在压力梯方向上来回摆动，造成与水介质的相对运动产生摆动辐污泥颗粒球本身受到压缩膨胀，以及污泥颗粒球表面与产生温度梯度而产生热波损失。，对于单颗剩余活性污泥的球形颗粒的超声波传播模型泥中以平面纵波方式传播并水平入射到单个球形污泥颗产生粘滞波和热波，其传播模型如下图所示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703

【参考文献】

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1 曹秀芹,陈s

本文编号：2662192