水下爆炸法破解剩余污泥的模拟与实验研究

摘要

剩余污泥破解是污泥减量化和资源化的重要手段之一。以往的污泥破解方法均存在高能耗、高成本的问题。水下爆炸在短时间内能够产生强烈的冲击破解作用，产生一系列的物理化学效应。研究证明水下爆炸冲击波确实对细菌有灭活作用，高温和氧化剂对有机大分子有降解作用。而且梯恩梯(TNT)和黑索金(RDX)等某些炸药的成本低廉易得。因此，本研究对水下爆炸技术在破解剩余污泥的机制进行了模拟和实验的研究。
　　首先，本研究采用水下爆炸的经典理论和模拟软件等工具，进行了多组模拟分析，运用ANSYS-AUTODYN模拟软件研究有限空间内水下爆炸冲击波的特征，以及工况变化对冲击波波峰压力值的影响。
　　在半径为1m的圆形水域中建立容器模型，探讨了不同炸药种类(TNT和RDX)、不同网格划分、不同边界条件、不同炸药药球形状、不同起爆点位置以及不同装药量(10g、30g、50g、70g)对水下爆炸模拟的影响。然后，在半径为0.5m的圆形水域容器模型中，进行了不同装药量(10g、30g、50g、70g)的模拟，探讨了容器尺寸对水下爆炸冲击波峰值变化的影响。在数值模拟中，炸药采用TNT和RDX的JWL方程，水采用SHOCK方程。本研究只研究水下爆炸的第一个阶段，即爆炸冲击波衰减阶段，对剩余污泥的影响。
　　本研究针对模拟结果，进行了初步的爆炸破解污泥实验。实验容器为钢制爆炸圆罐，罐中悬挂剩余污泥原液袋(2L)，原液袋中放置炸药及引爆装置。爆炸过后进行破解液回收，检测破解液中的各项参数。
　　剩余污泥爆炸破解研究首先进行了不同装药量(10g、70g)的TNT和RDX对20g/L污泥的爆炸破解，然后在同一装药量(70g)的TNT和RDX下对不同浓度的(20g/L、30g/L、40g/L、50g/L)污泥进行破解实验，研究水下爆炸冲击波在上述两种工况下对污泥的破解效果。结果表明，对于20g/L浓度的剩余污泥，随着装药量的增加，破解液中溶解性化学需氧量(Soluble Chemical Oxygen Demand，SCOD)、蛋白质、肽聚糖均明显增长，粒径大小明显下降。而且10gRDX的破解效果与70gTNT的破解效果相近。在70g装药量不变的情况下，随着剩余污泥原液浓度的增加，破解液中SCOD、蛋白质、肽聚糖均随之增加，粒径大小随之下降。但以破解液中SCOD、蛋白质、肽聚糖浓度值与原液中各相应参数的比值为评价指标时，破解效果并不会始终增加，且达到最高点后呈现出下降的趋势。爆炸破解前后污泥粒径的数据表明，一定污泥浓度下粒度中径会随着装药量的增加而减小，但同样装药量下TNT爆炸破解后的污泥粒径中值要大于RDX爆炸破解后的污泥粒径中值。在70g的装药量下，无论是TNT还是RDX，爆炸破解后污泥的粒径中值均在20μm左右，且不随污泥原液浓度的改变而变化。

目录

论文说明

声明

摘要

缩写检索表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景、目的和意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 剩余活性污泥的产生及性质

1．2．1 剩余活性污泥的产生

1．2．2 剩余活性污泥的性质

1．3 国内外剩余活性污泥处理、处置发展概况

1．3．1 剩余活性污泥的主要处理方式

1．3．2 国内外污泥预处理技术的研究现状

1．4 水下爆炸研究领域发展的历史和现状

1．4．1 水下爆炸理论分析的发展现状

1．4．2 水下爆炸数值模拟的发展现状

1．4．3 爆炸冲击波处理剩余污泥的进展

1．5 课题的研究内容

1．6 课题来源

第2章 水下爆炸的基本理论

2．1 水下爆炸的物理现象

2．1．1 冲击波的产生和传播

2．1．2 水下爆炸冲击波相关的经验公式

2．2 水下爆炸模拟软件——AUTODYN介绍

2．2．1 AUTODYN程序简介

2．2．2 AUTODYN软件的算法简介

第3章 水下爆炸的数值模拟研究

3．1 水下爆炸的模拟概述

3．1．1 计算模型

3．1．2 状态方程

3．2 装药量对水下爆炸冲击波峰值影响的数值模拟

3．2．1 半径为1m水域的TNT爆炸模拟分析

3．2．2 半径为1m水域的RDX爆炸模拟分析

3．3 网格划分对水下爆炸冲击波影响的数值模拟

3．4 边界条件对水下爆炸冲击波反射波的影响的数值模拟

3．5 球形炸药的端点起爆和中心点起爆的数值模拟

3．6 相等质量下不同药球形状对水下爆炸影响的数值模拟

3．6．1 球体装药

3．6．2 正方体装药

3．6．3 相同质量的等边球体和立方体在水下爆炸的数值分析

3．7 不同水域尺寸对水下爆炸数值模拟计算的影响

3．7．1 TNT 0．5m水域的模拟分析

3．7．2 RDX 0．5m水域的模拟分析

3．7．3 0．5m与1m水域的水下爆炸模型对比分析

3．8 本章小结

第4章 水下爆炸破解剩余污泥的实验研究

4．1 实验装置

4．2 实验材料

4．2．1 剩余污泥

4．2．2 实验爆源

4．3 药品与试剂

4．4 分析仪器

4．5 检测项目与分析方法

4．5．1 溶解性化学需氧量(SCOD)测定方法(重铬酸钾法)

4．5．2 蛋白质测定方法(福林酚试剂法)

4．5．3 肽聚糖测定方法(D-葡萄糖胺测定法)

4．5．4 粒径测定方法

4．6 实验结果分析

4．6．1 炸药装药量对剩余污泥的破解影响

4．6．2 剩余污泥的浓度对水下爆炸的破解影响

4．7 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果