超声波污泥减量工艺_赢现金捕鱼

超声波污泥减量工艺

泉源:/ 作者:余氯检测仪 工夫:2019-03-19

  [择要]超声波处置是一种新兴的、无效的用以增强污泥的可生化性的机器预处置办法,而且关于一切污水处置设备中污泥的处置和处理都非常无效果。超声波处置是经过扰乱污泥原有的物理、化学和生感性质来进步其可消化才能。崩解的水平取决于声处置的参数以及污泥的特性,因而,最佳参数的评价因声处置设置装备摆设和受处置污泥的差别而有所区别。超声波处置的实验设备标明,生物气体的产量进步了50%,别的能量衡算表现取得的净能量与超声波安装的电耗的均匀比率是2.5。这篇综述总结了超声波处置污泥的长处、超声波处置参数对处置结果的作用、污泥特性关于污泥裂解的影响及由此带来的厌氧消化器中生物气体产量的进步。由于很多研讨者关于计量单元的表达的不确定以及数据的不行应用,对这些研讨后果停止比拟黑白常庞大的。为了评价污泥处置处理的最经济可行和情况可行的预处置办法,将超声波处置和其他预处置的选择停止比拟是很有须要的。超声波处置的最佳参数随污泥特性的差别而变革。

  1. 弁言

  21世纪产业化与都会化的疾速开展招致了污水处置零碎的污泥产量到达了不行办理的数目。污泥的办理是污水处置零碎的次要题目,它占了零碎运转总用度的60%并且关于污泥处理的执法法例变得越来越严厉。随着环球变温暖天气变革的加剧,来自废弃物处置范畴的温室气体排放取得了更多的存眷。在加拿大,废弃物处置范畴的温室气体排放从1990年到2006年进步了15%。加拿大现有的污水处置零碎发生的干污泥量是670,000 Mg/y,并估计产率在未来还会持续进步。焚化、陆地投弃、地皮应用和堆肥是过来数十年来罕见的污泥处理办法。由于经济上的制约和对情况的负面影响,这些罕见的污泥处理办法曾经不再牢靠。鉴于情况上和经济上的制约,捕鱼赢现金有需求寻觅可继续的经济可行的技术来停止污泥的处置和处理。随着在污泥处置方面的普遍研讨,很多研讨者提出污泥的厌氧消化是无效的可继续的污泥处置技术。厌氧消化技术的长处黑白常宏大的,此中包罗物料的增加、臭气的去除、增加致病菌、更少的能耗以及更明显的由甲烷而带来的能量接纳。

  污泥的厌氧消化是在没有氧元素存在的状况下,将可降解无机物变化成甲烷和二氧化碳的一系列庞大的微生归天学进程。从基质到生物气体的变化途径由三种差别范例细菌的作用将其分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化四个阶段。第一类细菌包罗水解细菌和酸化细菌,它们将庞大的基质(碳水化合物、脂类和卵白质等)水解成溶解性的单体(单糖、脂肪酸和氨基酸等)继而水解为CO2 、H2、无机酸和酒精。第二类代谢细菌是可以将复杂的单体和脂肪酸变化为乙酸,H2和CO2的产氢产酸菌。第三类是产甲烷细菌,它们能应用CO2 、H2和乙酸来消费CH4和CO2。这个从基质到CH4和CO2的完好的微生物消化进程是非常迟缓的,需求很长的停顿工夫。特殊地,细胞内生物聚合物的溶解和向低分子量固体可降解无机质的转化(如污泥的水解)是一个速率限定步调。传统的厌氧消化进程的四个阶段如图1所示。

  传统厌氧消化处置较低的微生物转化率招致了反响器中很高的水力停顿工夫和较大的消化器容积,这也是传统厌氧消化技术的要害妨碍地点。可生物降解无机物质的不行应用和较低的消化速率常数使得污泥的预处置很有须要。污泥的预处置可以使细菌的细胞壁决裂以促进细胞内物质向液相的开释,以此进步污泥的可生物降解性,并经过低落停顿工夫和进步生物气体产量来增强厌氧消化的服从。随着种种污泥预处置技术的开展,此中包罗热力学的、化学的、机器的、生物性的、物理的和种种联合技术如物理化学的、生物—归天的、机器—化学的和热力学—化学等方面,污泥的可生物降解性可以经过肯定的方法失掉增强。但是,经济上的制约限定了这些技术在理论实验上的使用。

  为了树立最佳的经济可行的预处置技术以进步污泥的可消化性,全世界的研讨者睁开了普遍的研讨。超声波处置是一种新兴的有远景的机器式污泥裂解技术。它有很多内涵的长处如明显的污泥裂解率(> 95%),生物可降解性的进步,生物固体质量的提拔,生物气体中甲烷量的进步,无需添加化学剂,更少的停顿工夫以及污泥量的增加。别的,单元超声波能量(1kW)的耗费能发生7kW的能量。以甲烷产量进步结果权衡的预处置技术的服从的次序是,超声波剖析 >主动窑热处置 > 水浴热处置 > 冷冻。本文展示了关于超声波预处置污泥以增强厌氧消化的普遍性的综述,并比拟了实行室实验和理论范围实验的后果。

  2. 超声波处置

  在过来,声波被使用在反潜艇的和平中,招致了很多鱼类被声波所杀去世,人们从中想到了用超声波的办法来毁坏微生物细胞。Hughes与Nyborg[16]另有Alliger[17]研讨了超声波作用于微生物细胞的机理并发明,长久地表露在超声波中可以使细胞壁变薄从而招致细胞质向外开释。超声波是频率高于20kHz的周期性声波。差别频率的超声波的使用如图2所示。

  依据频率的差别,可将其分为三个地区:功率超声(20—100kHz),高频超声(100kHz—1MHz)和超声诊断(1—500MHz)。超声波在医学上的使用最早呈现在二战中,超声波被用于替代人手对骨折的病人停止推拿[18]。随着技术的提高,超声波(>20Hz)被使用于种种范畴。频率在20kHz到100kHz之间的超声波被使用于要求发作种种化学、物理变革的紧张的化学零碎中。在植物导航与通畅,固体外部裂缝的探测,水底定位,胎儿扫描,骨盆畸形检测,良性与恶性肿瘤医治等方面,1MHz到10MHz频率范畴的超声波均有普遍的使用。经过超声波处置使微生物细胞决裂可取得细胞内的物质[22-24]。Hogan等[25]还对超声波使用于市政污泥的裂解停止了进一步的评价。在20Hz与20kHz之间的声波是可以听得见的,而听觉随着团体和年事的差别而有所差异。低于20Hz到0.001Hz的声波用于地动学[26],医学和追踪地壳中岩石和煤油的构成。

  2.1 超声波引发的空泛景象

  超声波技术的根本目标是毁坏微生物细胞的细胞壁,使细胞内的物质可以在厌氧消化中不时地被应用以降解为CH4和CO2。当超声波在污泥相中传达时,能发生压力和拉力,压力使微粒聚集而拉力则使离子别离,由于负压的继续存在在拉力地区会呈现巨大的气泡(即空穴)。这些吝啬泡不时变大到达了不波动的尺寸便会决裂,并发生打击波(在几微秒内到达5000℃和500个大气压)。这些气泡发生到决裂的进程便是所谓的空穴景象。空穴气泡的发生和决裂如图3所示。

  2.2 影响空穴景象的要素

  污泥的裂解服从次要取决于空穴景象,而影响空穴景象的要素可见表1。

  2.3 超声波发生与裂解机理

  超声波是靠磁致伸缩和压电两种技术发生的。在磁致伸缩技术中,电能经过衔接着震惊片的磁线圈转化成机器能(震惊)。在压电技术中,电能经过衔接着震惊片的压电晶体变化成高频率的电动能。将电能或机器能转化为声波的转换器是一个能加强震惊的机器缩小器。喇叭将超声波通报到液体中,以是undefined转换器、扩大器和喇叭是超声波设置装备摆设的次要部件。

  转换器、扩大器和喇叭在节点处被夹紧并联合在一同,在转换器和扩大器上是最罕见的联合点。别的,喇叭常被设计成半个波长的长度,不外依据实践使用也有设计成一个波长的。超声波的强度可以经过调理输出电压的方法停止控制,这是超声波处置中十分紧张的一项参数,它能决议震惊扩增的巨细。声能转化为热能的转化服从可以经过式(1)—(3)盘算。

  2.3.1 污泥的破解

  污泥破解的输出功率有很多表达方法,(a)破解度,(b)超声波剂量,(c)超声波密度和(d)超声波强度。各表达式见表2。

  捕鱼赢现金所揣测的污泥的超声波破解机理是,(a)水的机器剪切力;(b)在超声辐射下发生的OH、H、N和O等自在基的氧化作用;(c)污泥中挥发性疏水物质的热剖析;(d)活性污泥破解进程中温度的降低。

  超声处置中发生的空穴招致了少量微气泡的决裂,使得气泡四周的液相中发生了宏大的机器剪切力。气泡决裂所发生的低温使水剖析为性子活泼的氢离子和氢氧自在基,在高温地区这些粒子会重新联合成过氧化氢和氢气。由于挥发性疏水物质在污泥中的含量十分低,因而其作用也常可疏忽。思索到温度关于溶解的影响,污泥在低温下的溶解速率十分迟缓。因而,捕鱼赢现金可以以为,污泥的破解次要经过两个途径完成,水的机器剪切力和氢氧自在基的氧化作用。

  Wang[49]等人对氢氧自在基和水力机器剪切力对污泥破解的影响停止了评价。在超声处置之前参加undefinedNaHCO3 来测定氢氧自在基的影响。NaHCO3的参加能使污泥中氢氧离子的氧化服从有稍微的提拔,但也招致了污泥pH值的降低。这标明了氢氧自在基对污泥溶解的促进作用是薄弱的。因而,污泥的破解次要是依托空穴气泡发生的机器剪切力完成的。此进程服从于一阶反响式。总的反响常数u可以经过(4)式盘算。

  2.4 超声波破解的评价

  超声波能使微生物絮体疏散并将大颗粒的无机物剖析为更小标准的颗粒。高压力波发生的剪切力能毁坏细胞壁以使胞内物质开释到液相中,这个进程使得污泥的物理、化学、生物等性子在超声波预处置中发作了改动。因而,污泥的破解水平是依据污泥的物理、化学、生物等性子的变革确定的。

  2.4.1 物感性量变化

  污泥的物感性质参数对厌氧消化有紧张的影响,以是声处置后物理参数的测定关于厌氧消化的操纵至关紧张。别的,物感性质目标是污泥破解服从的评定规范。断定超声破解水平的技术次要有颗粒粒径剖析,污泥沉降性测定,物质构成测定,显微镜成像,浊度测定以及污泥的脱水功能。颗粒粒径剖析依据颗粒的巨细有差别的办法,次要有筛分法、沉降法、电臭氧感到法、显微镜法和激光衍射法等。超声波能将污泥颗粒破解至十分小的尺寸,而激光衍射法常被用来剖析颗粒粒径。污泥的浊度随着声处置参数的降低而变革,并经过捕鱼赢现金丈量,以NTU计量。污泥的脱水才能依据其毛细管上升工夫和污泥比阻测定。

  2.4.1.1 颗粒尺寸

  颗粒的溶解率是由污水中颗粒的巨细尺寸确定的,颗粒的溶解率影响着消化进程中甲烷的产量。超生预处置能明显地减小污泥中颗粒的粒度,而影响其服从的要素有处置工夫,声波密度,声波功率,污泥体积和污泥性子等。随着处置工夫的延伸颗粒的粒径逐步减小,如颠末0.49min和1.6min的声处置颗粒巨细从165undefinedundefinedμm辨别减小为135μm和85undefinedundefinedμm。类似的,Biggs和Lant[68]发明颠末5分钟的声处置微粒的粒径从125mm减小到10mm。Gonze等一开端也察看到类似的减小趋向,但他们发明经声处置超越10分钟后,颗粒巨细随着处置工夫的推移而逐步变大。

  在高处置工夫下颗粒巨细的增大是由颗粒的重絮凝形成的。随着处置工夫的添加,由于细胞溶解而开释的胞内聚合物逐步增多,这些物质关于絮凝非常有利。这些生物聚合物像胶水一样将生物絮体粘合在一同,并构成羟基和羧基基团。undefinedundefined微粒均匀尺寸的减小作用也会随着声波强度的增大而加强。在强度为0.52W/mL和0.33W/mL的条件下,颗粒均匀尺寸从51μm辨别减小为15μm和19μm。低功率程度对絮体尺寸的减小没有影响,而进步功率程度,絮体尺寸的减小作用会随着声波强度和处置工夫的增大而加强。显微镜检测标明,颠末60分钟的声处置,絮体的构造完好性遭到毁坏,尔后不论怎样进步处置工夫和功率程度都无法破解絮体。由此可见污泥的破解存在着一个最佳的功率程度和处置工夫。

  Chu等[71]研讨了声处置对平凡污泥和絮凝化污泥的作用结果。颠末声处置,絮凝化污泥的颗粒减小结果较之平凡污泥强50%。声处置会使污泥的均匀外表电荷增加。声处置会将絮体颗粒联系成很多带负电的小粒子。比方,经过絮凝作用污泥的zeta电位从-14mV进步到18mV,接着声处置又使zeta电位低落至+4mV。Mao等[12]研讨了声处置对初沉污泥和二沉池污泥颗粒粒径减小的结果。颠末20分钟的处置,二沉池污泥粒径减小了85%而初沉污泥减小了71%,这是由于二沉池污泥含有更多的生物质,初沉污泥含有的可降解性细胞物质更少。

  进步声波密度异样可以进步破解服从。在大声波密度下更多的颗粒被破解(undefined4W/mL时为73%,2W/mL时为60%)。Bougrier等[47]研讨了粒径范畴为0.4μm到1000μm的活性污泥颗粒经超声波处置的结果。他们察看到,粒径小于1μm的颗粒随着比能的降低所占的比例也添加了。但是,粒径大于100undefinedμm的颗粒占的比例由于重絮凝作用也有所添加。Akin等[66]研讨了差别总固体浓度(TS)下的污泥中超声波处置对颗粒尺寸的影响。在低TS污泥中颗粒尺寸减小的结果更分明,若要在高TS污泥中到达类似的结果则需求更高的超声波密度。

  声处置对颗粒巨细的作用可以经过平均系数(dp60/dp10)和undefineddp10来停止比拟。有材料标明,超声波处置能进步污泥的平均系数并随着比能的进步以逐步减小颗粒的尺寸。比方,在比能为7200kJ/L的状况下污泥的平均系数与dp10辨别从3.3和30.5μm变为17和1.2μm。大颗粒絮体(>4.4μm)比小颗粒絮体更易受声波的影响作用,这是由于大颗粒絮体表露在声波中的外表积更大,而小颗粒的粘附力更强。El-Hadj等[64]察看到随着输出比能的添加,小尺寸颗粒所占体积的比例超越了90%。粒径大于4.4μm的大颗粒体现得更易破解。Jin等[79]和Feng等[65]研讨了颗粒粒径散布对CST和SRF的影响,他们推导出颗粒粒径与CST/SRF间有很强的互相干系。dp90与CST之间的相干系数在0.8248与0.9436之间。超声波处置对小颗粒的破解更无效果。

  2.4.1.2 污泥的脱水才能

  超声波处置对污泥的脱水才能既有积极的作用也有悲观的作用。在低功率程度和短作用工夫的条件下能进步污泥的脱水才能,但由于缺乏细胞的溶解,也就低落了污泥破解的水平。FitzGerald等[80]研讨了差别声波强度对污泥脱水功能的影响发明了声处置与CST之间的相干性。Quarmby等[60]观察到污泥的脱水功能随着超声波强度的降低而低落,但是污泥的厌氧消化对其脱水功能有着积极的影响,也便是消化后的污泥的脱水功能因声处置而进步。随着处置工夫的延伸,污泥的脱水功能逐步低落(CST上升)。这是由于声处置后发生了更多的小颗粒物质,从而添加了总体的外表积以吸附更多的水。Gonze等[69]总结出随功率程度的低落及处置工夫的延长,污泥的CST是增加的(即污泥的脱水功能加强),但是在相反的功率程度下进步声处置工夫,CST的值会上升。这是由于在低功率和短作用工夫的条件下,絮体并不会变为更小的颗粒,而在低功率的状况下更有利于污泥的脱水。

  由于细胞溶解向液相中开释胞外聚合物(EPS)等生物聚合物,使得污泥的脱水功能随着超声波强度的加强而好转。研讨标明EPS会低落污泥的脱水功能。在声处置之前参加絮凝剂能进步污泥的脱水功能;絮凝剂的投加能使污泥的含水率低落80%。因而,声处置能在低落絮凝剂投加量20%—50%的同时进步污泥的脱水功能。比照了上述团体的实行后果,undefinedundefinedNa等[63]发明CST在比能为0—800kJ/L范畴内会线性上升,而之后随着比能的添加CST则逐步降落。出了输出比能外,CST的低落还受声处置工夫和污泥体积的影响。由于前述研讨者们所运用的比能低于Na等[63]所运用的,大概在高比能的条件下,污泥的脱水功能随其降低而加强。

  CST小于20秒的条件是有利于污泥的脱水的。污泥的脱水功能可以从联合水的方面停止表达,即污泥中联合水的组分降低则标明其脱水功能降落了。进步输出功率能使污泥的联合水身分进步。比方,在0.33undefinedW/mL的功率下,污泥的联合水组分进步了4倍并因而使污泥的脱水功能降落。原污泥的联合水比例为3.8kg/kg DS,在0.11 W/mL的功率条件下,联合水比例上升为5.9 kg/kg DS;当输出功率为0.33W/mL时,联合水的量进步到11.7 kg/kg DS。在高输出功率的条件下,污泥颗粒被破解为粒径更小的微粒,由于外表积的增大使得对水的吸附才能加强,因此进步了污泥中联合水的含量。

  很多研讨者研讨了污泥脱水功能与破解度之间的干系。污泥的破解度在2%到5%之间能进步其脱水功能。当破解度小于2%时,污泥絮体构造的变革非常有限,而当破解度高于5%时小尺寸微粒的增多会招致联合水身分的添加。undefinedFeng等[65]研讨了胞外聚合物浓度对污泥脱水功能影响。取得精良的污泥脱水功能的最佳操纵条件是输出功率为undefined800 kJ/kg TS,胞外聚合物浓度为400–500 mg/L颗粒尺寸范畴为80—90μm。当输出功率在undefinedundefined4400 kJ/kg TS以下时,污泥的脱水功能有薄弱的进步,而功率超越undefined4400 kJ/kg TS后脱水功能明显降落。有报道指出,EPS与CST的相干系数为0.9576,EPS与SRF的的相干系数为0.8314。类似的,Wang等[62]也发明了EPS与CST间的相干系数为0.9233.Houghton和Stephenson[89]指出EPS与CST之间是二阶相干的,其相干系数为0.9687。

  Feng等[65]研讨了比能对EPS开释的影响发明进步比能可以添加EPS在溶液中的开释。污泥中EPS浓度的上升会进步污泥的粘度。别的,EPS会在过滤介质外表构成一层很薄的隔绝层,招致污泥脱水功能的降落。

  2.4.1.3 污泥的沉降功能

  污泥的沉降功能随比能的降低而变革。Feng等[46]提出进步活性污泥沉降功能的最佳输出功率为1000 kJ/kg TS。当功率超越5000 kJ/kg TS时,由于絮体的完全毁坏以及EPS浓度的上升,污泥的沉降功能开端好转。活性污泥絮体的沉降速率普通为5m/h到30m/h。Chu等[61]总结出超声波处置对污泥的沉降功能没有分明的影响,这与超声波处置能改动颗粒尺寸等已有的实际相违犯。Feng等[46]研讨了物质构成构造的变革并总结出单元输出功率与TDS之间有很强的相干性。Show等[41]给出了取得精良污泥沉降功能的最佳固体浓度条件,其最佳条件为固体身分比例为2.3%到3.2%。

  2.4.1.4 污泥的显微镜检测

  超声波处置能破解污泥絮体并溶解微生物的细胞壁。对污泥破解前后的微生物停止显微镜成像剖析可以用来估量污泥的破解水平。显微镜成像剖析可以提供经超声波破解后的污泥在细胞级巨细的信息。捕鱼赢现金可以测定在差别超声作用工夫下絮体构造的变革以及微生物细胞壁的毁坏状况。进步作用工夫会使絮体及细胞壁完全被毁坏。比方,2min的作用工夫能使絮体的构造明显的毁坏但并没对微生物细胞形成毁坏;10min的作用工夫下絮体被完全破解为丝状构造;颠末30min的超声处置,可以察看到很多细胞壁被毁坏。Dewil等[85]总结指出超声波处置可以减小絮体的均匀尺寸并发生丰厚的别离的细胞。与上述很多研讨相反地,Feng等[46]察看到即便在很高的功率26000 kJ/kg TS条件下,絮体构造和微生物细胞都没有被完全毁坏。这标明,超声波处置对破裂微生物有很分明的作用,但破裂的服从怎样并不清晰。在这方面的很多研讨另有待停止。

  2.4.1.5 浊度的变革

  污泥的浊度随比能的降低而降低。在低频率的条件下有较高的污泥破解服从,此时微粒尺寸的减小会招致污泥浊度的降低。El-Hadj等[64]指出,在5000 kJ/kg TS以下的条件中,污泥悬浮液的浊度有所降落,当功率条件大于5000 kJ/kg TS时,浊度会猛烈降低。输出功率小于1000 kJ/kg TS时由于不克不及失掉少量的微粒,因而污泥的浊度并没有降低,这标明破解污泥的最小输出功率应该是1000 kJ/kg TS。

  物理参数的剖析可以直接的反应出污泥破解的服从。但是,超声处置参数以及它们所影响的污泥物理参数之间的干系仍有待研讨。在实践使用中,物理参数的改动是评价污泥破解服从的最次要要素。超声波处置对污泥物感性参数的影响的研讨总结如表3所示。

  2.4.2 化学评价法

  污泥是包括了种种微生物的庞大基质,这些微生物的细胞壁的强度各不相反。化学评价次要是在数目上存眷于污泥破解的服从。“破解度”这个参数是由Kunz和Wagner[94]为了定量表达污泥的破解服从而提出的。其公式如(5)(6)所示。

  2.4.2.1 溶解性COD评价法

  超声波处置可以破坏细胞和胞外物质,无机碎片和污泥中的EPS。污泥中的SCOD浓度由于固体相的溶解及液相中无机物和EPS浓度的降低而降低。因而,SCOD能作为污泥破解服从的评价参数。除此之外,氨氮、硝氮和EPS的浓度也是污泥声处置的紧张的化学评价参数。简直一切研讨者都运用了SCOD来作为评价污泥破解服从的参数。但是,由于影响污泥破解服从的要素有许多,要对这些研讨后果停止比照是很困难的。超声波处置关于污泥中的总COD没有影响,以是可以用SCOD/TCOD来表达超声波处置后无机物质从固相开释到液相的状况。Tiehm等[33],Rai等[98],Bougrier等[47]运用了经Muller修正的破解度开评价破解服从。

  Shimizu等[6]剖析了差别作用工夫下活性污泥的溶解性。要取得75—80%的溶解率,需求超声波处置90分钟,最少需求30到40分钟的处置工夫才干取得50%的溶解率。Tiehm等[13]指出,颠末96秒的超声波处置,破解度进步了30%。随着声波强度的进步,污泥中SCOD的浓度有所降低。有研讨表现,破解度和声波强度之间存在着线性干系。高强度下发生更强的机器剪切力使得微生物细胞壁决裂,从而进步了COD的溶解,这也就进步了破解度。

  进一阵势,Wang等[31]研讨了作用工夫对污泥破解度影响并发明污泥中溶解性COD,卵白质,碳水化合物的浓度随着处置工夫的添加而降低。由于超声波处置能使絮体及细胞壁决裂而开释出种种无机物质,因而会招致COD,卵白质,碳水化合物等浓度的上升。卵白质占了细菌干重的50%到60%。与卵白质添加相比,察看到的COD和碳水化合物浓度的降低是绝对较小的。污泥的溶解率是由预处置前后悬浮液中卵白质,碳水化合物和COD的无机物质的浓度来界说的。

  破解服从还可以用开释出的身分如卵白质,多糖和DNA的停止评价。超声波处置可以破坏絮体,溶解微生物细胞而招致EPS和其他物质的释出。这些物质的释出服从在超声处置进程中并不是一直如一的。卵白质的释出高于多糖和DNA。在20分钟的处置工夫内,其释出的服从增大,在此之后卵白质的开释减慢。多糖和DNA的释出也有类似的纪律。别的,进步声波强度会使使出的DNA改性。

  关于污泥破解的结果,最佳的输出功率为50kJ/kg TS。更高的功率有能够会减缓卵白质,多糖和DNA的释出。有报道指出污泥的超声波处置会进步液相中钙离子和镁离子的浓度。降低的服从刚开端增大,随着工夫渐渐减小。污泥破坏发生的小颗粒吸取了钙和镁离子从而低落了二者在液相中的浓度。处置进程中释出的钙镁离子与生物聚合物(卵白质)有关。

  Nels等[48]评价了总固体浓度对破解度的影响。降低TS的浓度,SCOD的溶解会招致一个最佳条件的呈现。液体中更高的固体量会发生更多的空穴位以及机器剪切力,当超越了最佳浓度时声波会因吸取作用而削弱。在较高的输出功率下取得的破解度较低,以是,与之相比超声波密度的影响更为明显。

  在差别的TS浓度条件下,悬浮液中卵白质的浓度均随输出功率的降低而降低。其浓度降低趋向也是一开端很快,随着处置工夫推移而渐渐减缓。在高TS状况下,污泥中空穴作用的削弱倒霉于卵白质的释出。随着超声波密度的降低,悬浮液中SCOD的释出添加。在恒定的输出功率下,最佳TS浓度为2.3%到3.2%。为了评价此范畴,提出了指数D,其盘算如式(7);

  有文献提供了一个用来评价破解度的新参数,kW h/kg SCOD,它思索到了污泥特性和溶解服从。运用这一新参数对污泥的超声波处置停止评价,最佳的操纵参数辨别是TS在20到30g/L之间,声波强度为158—251W/cm2以及作用工夫为5到15分钟。Feng等[46]发明SCOD与输出功率间是正相干的。

  Tiehm等[33]研讨了超声波频率、单元输出功率及实际空穴气泡尺寸对污泥破坏度的影响。随着频率的降低,破解度逐步低落。当气泡半径大于4μm时,破解度成对数性添加。

  Chu等[61]研讨了输出功率和溶液温度上升的影响作用,他们察看到当输出功率辨别为0.11W/mL和undefined0.33W/mL时,其相应溶解的COD辨别占悬浮液的2%和20%。在0.33W/mL的条件下,BOD/TCOD的值从66%上升至80%。

  超声波处置对温度的影响并没有一个确定的后果。低温会使饱和蒸汽压降低招致气泡更难决裂因此低落了空穴的强度,便低落了破解服从。Huan等[88]剖析了温度对污泥超声处置的影响作用。经过延伸处置工夫来进步污泥的温度可以进步超声波的服从。

  在差别的功率程度下对溶液相温度的影响作用停止剖析标明,随着功率程度和处置工夫的添加,溶液相温度逐步降低并招致SCOD/COD比值的降低。剖析超声波密度对污泥破坏的影响可以察看到,SCOD的溶解率随声处置工夫的增长而低落。

  Gronroos等[97]剖析了高电压短停顿工夫和低电压长停顿工夫两种条件对污泥破坏的影响作用并发明,SCOD的释出在二者中并没有区别。污泥中干固体含量的降低能进步破解度,这是由于有更高浓度的微生物可以被破坏。影响取得最大DS值的要素有反响器尺寸,转换器型号,污泥的粘度,污泥的温度和聚合物浓度等。依据变电压函数模子,可以总结出功率和处置工夫的影响大于其与能量密度的影响,也便是说,低密度低处置工夫比高密度永劫间更为无效。经过假定超声波处置污泥的破解度的降低随着处置工夫和超生密度的添加而逐步减缓,可以推导出这一函数模子:

  有人对初沉污泥和二沉污泥在超声处置中其溶解性的影响停止了剖析。SCOD在二沉污泥中有更好的溶解,同时还察看到在初沉污泥和二沉污泥中SCOD与处置工夫存在着线性相干性。在相反的输出功率条件下,随着超声波密度增大,SCOD的浓度也随之降低。Bougrier等[47]剖析了比能对COD溶解性的影响。当比能在0到8000undefinedkJ/kg TS的范畴内,溶解率有所上升,尔后进步比能溶解率反而降落。此中最佳溶解性呈现在10000undefinedkJ/kg TS的条件下。

  2.4.2.1.1 污泥超声波破坏的动力学模子

  经过树立动力学模子,可以研讨声处置参数和污泥特性关于SCOD溶解性的影响。假定SCOD是因变量,而自变量为污泥浓度,pH,超声波强度,处置工夫和超声波密度。那么,SCOD的溶解度和破坏率可经过式(9)(10)盘算。

  磁动力学模子可以应用多元线性回归法停止剖析。Wang等[49]表现,各个参数关于SCOD溶解性的权重干系次序为:pH > 污泥浓度 > 超声波强度 > 超声波密度。

  声处置工夫对生物质的钝化作用有很大的影响。有研讨标明,生物质的钝化发作在10分钟的声处置后。类似的,Chu等[61]指出在低声波密度的条件下处置20分钟会呈现生物质的钝化。上述两个研讨都可以阐明,污泥的钝化取决于超声波密度。别的,Zhang等[56]察看发明,在0.1到1.5W/mL的范畴内污泥的破坏度和细胞的溶解与超声波密度之间存在着线性干系。

  污泥的超声破坏招致SCOD,卵白质和核酸浓度的降低。这些物质浓度的降低可以经过下式表现:

  Zhang等[56]在评价破坏度和溶解性固体的增加的影响时发明二者堆叠了,这表示了这两个参数可以互相替换。VS和COD代表了污泥中的无机物质,以是悬浮无机物的添加与VS的增加是有联系关系的。破坏度随着比能的降低而降低。Nels等[63]察看到在比能为undefined12000kJ/kg TS,DS比例为34.4 g/kg of WAS的条件下破坏度可以失掉最大32%的提拔。

  2.4.2.2 卵白质评定法

  卵白质是细菌体的紧张构成物质,其在活细胞中有着种种差别的功用,比方作为生化反响的催化剂。在污水活性污泥中,70—80%的胞外无机碳以卵白质或糖类的方式存在。Wang等[62]经过卵白质的测定已停止污泥破坏度的定量剖析。Akin等[66]测定了评价盘算污泥破坏度所需的各系数的值。

  Wang等[81]丈量了差别声处置工夫下液相中卵白质的释出量。他们发明在经超声波降解的污泥的液相中,卵白质浓度与DNA和多糖相比占次要局部。在处置的钱20分钟内卵白质的释出率十分高,20分钟的处置后DNA和多糖的浓度开端降落。Feng等[46]察看到进步能量输出可以使卵白质浓度降低。但是,卵白质的丈量还不遍及,以卵白质的丈量来盘算污泥,超声波破坏服从的办法还没有被很好地承受。以是,COD丈量由于其操纵的复杂易行,仍将持续作为评定超声波破坏服从的办法。

  2.4.2.3 NH3评定法

  超声波处置可以进步污泥样品中无机氮和氨氮的浓度。以是,NH3评定法异样可以用来评价破坏度。Bougrier等[47]剖析了声处置对无机氮溶解的影响。在比能为1undefinedundefined5000kJ/kg TS的条件下,无机氮的溶解率为40%而最大溶解率呈现在比能为1000undefinedundefined0kJ/kg TS的状况里。随着输出比能和污泥中TS组分的降低,氨氮浓度随之降低。氨氮浓度的降低是由于细菌细胞的破裂使得细胞内的无机氮开释到液相中,继而被水解为氨。

  Feng等[46]发明了在差别输出功率条件下经超声处置后铵氮和氮浓度的变革。当超声波的功率大于5000kJ/kg TS时硝氮的浓度上升,而由于空穴发生的羟基自在基使得在相反条件下氨氮浓度的降低比硝氮更大。捕鱼赢现金需求理解氮数据和厥后的厌氧消化测试的相干性来弄明确超声波处置的影响及氨在液相中的释出。以后,还没有具有压服力的结论来评定超声波处置污泥的破坏服从。浩繁研讨者对各化学参数的定量盘算罗列在表4中。

  2.4.2.4 生物学评定法

  超声波处置能使絮体破裂并毁坏细菌的细胞壁。细胞壁的毁坏可以经过生物学的办法来停止测定。少量的活性污泥包括了好氧和兼性细菌。好氧速率(OUR)可以用来描绘微生物运动。比方,假如OUR=0,那么一切的细胞都被破坏了即破坏度是100%。以是,超声处置污泥的破坏服从可以经过OUR来测定。Rai等[98]提出了不活泼度(undefinedDDOUR)来评价破坏度。undefinedDDOUR 的表达式见式(17):

  有研讨发明,当输出功率进步到40kJ/kg TS时,DDOUR 非常疾速地降低,尔后输出功率的降低减缓了DDOUR 的降低速率。Chu等[61]应用异养菌平板计数和OUR配合评价超声波破坏服从。随着声处置工夫的增长,异养菌的存活率低落。随着输出比功率的降低,比耗氧速率随之降低并到达最优值。尔后随着微生物的钝化,比耗氧速率反而降落。

  在低的超声波密度下,絮体破裂了但细胞并没有溶解,以是SOUR一开端是上升的。Akin研讨发明最大的不活泼度是65%,而在10kW/g TS的比功率及2%TS比例的条件下,该不活泼度降落为60%。Huan等[88]在污泥微生物活性和破坏度之间停止了评价。其研讨标明,在微生物活性降低前有些细菌的细胞壁曾经遭到毁坏,当破坏度到达40%或以上时细胞开端呈现溶解并招致了微生物活性的降落。SOUR与破坏度之间的类似干系可以表达为DDSOUR=-3.75DD2COD + 0.75DDCOD + 0.21 。

  3. 超声波处置对厌氧消化中污泥的可降解性及产甲烷量的影响

  超声波处置的次要目标是进步污泥在厌氧消化中的可降解性以及在低HRT条件下添加其产甲烷量。数十年来,很多研讨者都在评价超声波处置参数对污泥可降解性及进步产甲烷量的作用。关于进步产甲烷量的预处置服从的次序是超声溶解 > 主动窑热预处置 > 水浴热预处置 > 冷冻.污泥中细胞内聚合物的溶解和水解转化为更低分子量物质的进程是一个速率限定步调,通常地,庞大无机物的水解是经过胞外酶的催化完成的。超声波处置会诱发空穴,空穴可以使细胞壁溶解并向液相中释出胞内物质。以是影响空穴构成的声处置参数将会影响到污泥的消化。在厌氧消化进程中进步VS的增加量可以间接变化为产甲烷量的进步。

  3.1 对污泥可消化才能和甲烷的影响

  很多人研讨了声波密度、强度和处置工夫对污泥破坏及可消化才能进步的影响作用。Shimizu等[6]在研讨超声波处置关于延续式消化反响器中厌氧消化污泥的影响作用时发明,在较短的HRT条件下经超声波处置的污泥的产气率进步了。在2.5天的停顿工夫条件下,可消解性进步到60%,气体转化服从进步到40%。活性污泥的消化速率和聚合物的水解速率都遵照一阶动力学,其速率常数辨别是0.16/天和1.2/天。与单相厌氧消化零碎相比,两相厌氧消化中活性污泥转化为甲烷气体的服从更高。

  Tiehm等应用差别HRT(22天,26天,12天和8天)条件下的批式实行研讨超声波处置对厌氧消化污泥的影响。颠末预处置后,厌氧消化中的VS增加百分比拟之未经预处置的要超过跨过不少,辨别为50.3%和45.8%。出水中VS浓度比传统的厌氧消化出水要低10%左右。有研讨发明污泥经超声波处置后,可以进步其VS的增加量和厌氧消化中的产宇量。超声波处置可以进步污泥的可降解性,也就延长了停顿工夫。Nels等研讨发明可以讲停顿工夫从16天延长为4天。与参照组相比拟发明,4天停顿工夫的VS降解率进步了30%。

  Tiehm等[33]剖析了处置工夫和超声波频率的影响作用指出,随着二者在预处置中的添加,消化污泥的VS增加量也逐步添加。比方,空缺组样品的VS增加量为21.5%,而经30分钟超声处置的样品中此数据进步到27.3%,绝对于空缺组进步了27%。随着处置工夫的延伸,污泥的产宇量和睦体中甲烷的含量同时上升。进步声波频率会使得破坏度低落并低落VS的可降解性。

  Wang等[31]也研讨了超声处置工夫对污泥破坏及随后的厌氧消化的影响作用。经过进步处置工夫可以使甲烷的含量上升。当处置工夫辨别为10分钟,20分钟,30分钟和40分钟时,甲烷含量辨别进步了12%,31%,64%和69%。以是,进步活性污泥厌氧消化服从的最佳预处置工夫应该是30分钟。卵白质,碳水化合物和不饱和脂肪酸等在厌氧消化中的降解遵照着相反的趋向。这些无机物质的浓度在最后的24小时内降低,随后其浓度逐步低落。污泥的产甲烷才能与其不饱和脂肪酸浓度间接相干。随着HRT的降低,甲烷的单元产量是降落的。单元产甲烷量的上升是由于微粒净外表积和庞大无机物的溶解的添加。经过研讨超声波密度对污泥产甲烷量的影响发明,在19天的厌氧消化后,经超声处置的污泥的产甲烷量是空缺组的8到17倍。

  Bougrier等[47]研讨了单元输出功率对产宇量的影响。随着单元输出功率的降低,生物气体产量也随之降低。但是,关于更高的输出功率条件(7000和15000 kJ/kg TS)下,二者的产宇量简直是相反的。关于未处置的污泥,其97%的生物气体产量来自于微粒物质,而在超声处置污泥中此比例仅为60%。生物气总量的添加是由于污泥中的固体微粒在超声波的作用下溶解,更便于细菌的应用。

  Mao和Show[73]研讨了超声波处置关于水解,酸化和甲烷化及其干系的影响。超声波处置与酸化反响速率并没有什么干系,但是它可以为酸化反响提供缓冲作用。颠末差别声波密度处置的污泥其水解速率辨别进步19—75%。以是,超声波处置关于水解酸化的促进作用次要是体现在其关于水解庞大无机物的促进上。这一促进作用可以添加消化进程中可产甲烷的生物质量,从而加重在反响初期对产甲烷化的限定。

  3.2 实践使用

  由于在实践使用中其尺寸从实行巨细到实践巨细的变革,污泥的超声波处置关于污泥在厌氧消化中COD增加量的促进作用遭到了制约。Sonic公司身缠了一套可以增强厌氧消化的实践使用尺寸的超声波零碎。活着界各地都有该零碎的测试和实践使用。在英国的Wessex,装置了一套超声波处置零碎用以处置市政与产业混淆污泥。未预处置污泥的TS和VS增加量辨别为40%和50%,而处置后可到达60%和70%。类似的,在英国、美国和澳大利亚的很多中央都装置了SonixTM零碎。在这些安装上观察到的生物气体产率均提拔了40—50%,VS的金丝增加量进步了30—50%。表5总结了超声波处置关于污泥可消解性的进步作用的浩繁研讨。

  Barber[11]展现了分流式超声波设置装备摆设的细节,此设置装备摆设能使生物气产量进步20—50%,VS增加量进步20—50%,并进步污泥的脱水功能。经过对一个典范的实践尺寸超声波设置装备摆设停止能量和物料衡算后表现,能量的取得多于能量的耗费,也便是说,在思索了能量丧失的状况下,耗费1kW的超声波可以发生7kW的电能。Xie等[115]评价了实践尺寸超声波设置装备摆设处置混淆污泥的结果。在严厉控制造作条件的状况下,生物气体产量进步了15—58%,其均匀升幅为45%。能量衡算标明,超声波设置装备摆设中能量的均匀净取得与电能耗费的比率是2.5。

  4. 将来瞻望

  污泥的超声波降解对污泥的物理、化学和生物功能有很大影响。捕鱼赢现金可以经过评价物理、化学和生物要素得出超声波降解的服从。物理要素包罗污泥的颗粒巨细、混浊度和脱水功能。这些都市遭到超声波和超声波要素的影响。在超声波降解进程中污泥的颗粒巨细会逐步减小,但抵达某个点后,由于重新絮凝,颗粒的巨细反而会增大。污泥特性和超声波降解要素的差别会招致污泥颗粒巨细的减小水平差别。因而,超声波降解要素和污泥特性的最优选择应该针对详细的案例停止。这可以经过零碎的物料和能量守恒盘算失掉。

  化学要素的评价愈加定量化。在实践使用中,化学要素在超声波降解服从的评价中是最紧张的。随着超声波降解的停止,污泥的SCOD、卵白质和氨浓度会添加。增长到肯定水平后,超声波降解再停止下去,对这些溶解作用要素也简直没有影响。在短工夫内运用高强度超声波与在长保存工夫下运用低强度超声波所到达的结果是一样的。关于泉源差别的污泥,应该在短工夫内用高强度的超声波,而对统一泉源的污泥,用低强度超声波停止永劫间的作用结果会比拟好。

  超声波降解是一种新兴的污泥前处置技术,可以进步污泥的可生化降解性。但要完成大范畴的使用,还需求更多深化的研讨以进步甲烷的产率。固然这个范畴有超越50份的出书物,但是依然没有通用的办法来评价这种预处置工艺的服从。很多作者曾经表达出在差别的单位中超声波降解要素的作用。捕鱼赢现金需求对评价的办法停止标准,才干比拟差别作者给出的后果。由于气穴是超声波降解发生的一个根本景象,以是影响气穴的要素对超声波降解也会有很大影响。捕鱼赢现金需求对超声波降解进程中每个要素所占的影响位置停止评价,包罗它们对瓦解水平的影响。作者们曾经依据COD增溶和污泥瓦解的水平来评价超声波降解服从的作用,但对COD增溶和详细的能量输出以及超声波降解密度和超声波降解这几方面的作用还没有清晰的看法。同时,捕鱼赢现金也需求评价这些要素之间的互相干系。研讨者们曾经依据VS的增加量和甲烷产量的添加来评价超声波降解的作用,但对服从的评价依然不行靠。超声波降解惹起的污泥粘性的添加以及它对AD的影响也必需停止评价。

  捕鱼赢现金需求更深化地探求长久气穴和波动气穴关于污泥的可生化降解功能和甲烷含量增长的影响。AD最次要的一个缺陷便是会招致碱度添加。因而超声波降解进程中钙离子和镁离子的开释有很大的影响。从污泥絮凝物开释出来的钙离子和镁离子数目之间的互相干系以及它们对AD的影响也是评价AD服从的一个要素。超声波降解进程和AD中生物聚合物的添加以及与污泥消化性的互相干系也需求停止评价。超声波降解处置抵消化控制每一个步调的影响和结果改进异样也十分紧张。污泥pH对污泥瓦解服从有很大影响。以是污泥pH对污泥瓦解和AD的影响也需求停止纪录。污泥pH和超声波降解要素和AD服从之间的互相干系在实践使用中是需求弄清晰的。评价任何预处置工艺服从的一个规范办法是评价工艺的净能量均衡和盘算净的碳浪费量。

  5. 结论

  污泥的超声波降解预处置对污泥在厌氧消化进程中的可生化降解功能具有很大的意义。它进步了生物气的产量以及甲烷在生物气中的含量。实行表现在AD中超声波降解能使污泥减量和生物气产量失掉很大的进步,在实践使用中能展现31%的污泥减量,同时还能进步污泥的脱水功能。污泥的超声波降解减速复合无机物向可降解物质变化的进程,同时促进产氢细菌的生长。大少数研讨者都以为超声波的密度比超声波降解工夫更为紧张。动力学模子研讨标明各要素影响作用排序如下:pH>污泥浓度>超声波降解强度>超声波密度。物料和能量均衡盘算表现,运用1kW的超声波能量可以发生大约7kW的电能。因而,经过增加消化器的范围以及在较少的停顿工夫下运转,捕鱼赢现金可以补偿更大数目的投资和运转用度。这对污水处置厂的污泥办理具有严重意义。

  生物气的产率与COD的溶液化净比坦白接成比例干系。COD溶液化添加,甲烷产量也随着添加。这同时要求增加反响器的停顿工夫,也就大大减小了反响器的范围。超声波降解可以会添加挥发性固体的增加量,也就进步了AD中污泥的降解服从。依据物料和能量均衡优化操纵运转要素,对质明超声波降解使用可行性至关紧张。

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