污泥超声破解反应器工况优化与破解污泥中温厌氧消化能效分析

摘要

污泥厌氧消化是实现污泥减量化和资源化的最佳途径，污泥超声破解能提高厌氧消化速率，增大生物气产率。但目前我国没有专门用于污泥破解的超声波反应器，实验室用的微生物细胞破壁超声波反应器或超声清洗器破解污泥时，最大缺陷是能耗高。为推动污泥超声破解技术在我国的应用，本文从减少反应器能耗的角度出发，对污泥超声破解反应器的工作原理、工况参数、能耗分析进行了探讨和研究。 以实验室小型静态和动态试验为手段，采用热敏探头法和染色法测量不同频率超声波在蒸馏水中和不同浓度污泥中的声场分布和空化场分布。同时，针对超声场参数(频率和功率)、污泥性质(浓度、pH值和初始温度)和试验条件(曝气和搅拌)等对超声破解效果的影响，以污泥溶解性化学需氧量增加值(SCOD+)、污泥的破解度(DDSCOD)及污泥粒径分布等参数为评价指标，分析超声波频率、功率、污泥特性和试验条件对超声破解污泥效果的影响。 采用热敏探头法和染色法测量蒸馏水中三种频率(20kHz、28kHz和40kHz)超声波场和空化场分布。发现单一换能器作用时，任何频率超声波声强和空化强度沿换能器轴线成起伏状和葫芦状分布，且随距离增大而逐渐衰减，空化强度衰减较快；不同频率的声强大小和空化作用强弱各不相同，28kHz的声强和空化强度最强，40kHz次之，而20kHz最差；两个换能器同时作用时，超声波强度和空化强度沿换能器轴线变化趋势与单一换能器作用时相同，而沿两换能器中心线声强和空化强度在一定范围内都由于声波的干涉叠加原理有所增强，沿中心线的衰减速率减慢。综合分析，两个换能器同时作用时，反应器整体声场和空化场都比单一换能器的均匀。同时，采用热敏探头法测量不同频率超声波在污泥中的声场分布，发现超声波声强在换能器表面附近骤然降低，并沿换能器轴线随距离快速衰减。 分析评价超声波参数(频率和功率)对超声破解污泥效果影响。利用槽式超声反应器分析比较三种频率(20kHz、28kHz和40kHz)及频率组合对污泥破解效果的影响。发现比能耗相等时，单频率时，28kHz最佳；多频率组合时，换能器281kHz和40kHz平行相对布置效果最好。利用槽式超声波反应器和探头式超声波反应器分析多种功率(50W、400W、800W和1200W)及功率组合对污泥破解效果的影响。发现单功率作用，低功率长时间利于污泥超声破解，但速率较低，低功率组合可提高破解速率。组合功率模式中，低功率组合更利于污泥超声破解。另外，还发现污泥的初始温度、pH值和污泥浓度等参数污泥对破解效果有重要影响。增加间歇搅拌和曝气辅助条件也能增强污泥超声破解效果。为进一步验证超声破解污泥的实际应用效果，进行动态试验研究。结果发现相同浓度，相同体积比能耗时，动态破解效果远比静态的好。在本试验时间范围内，无循环扰动时，超声破解连续流污泥反应相对于水力停留时间符合一级反应动力学规律。 在超声破解污泥中温厌氧消化的能量效益研究中，分析了不同挥发性有机物含量污泥不同溶出率时，日总能耗、日生物气能量和日净能量与超声破解时间的关系。比较超声破解污泥与未破解污泥在不同投配率时的日净能量、比净能量和周期净能量。发现任何方式破解污泥中温厌氧消化净能量都随着污泥挥发性有机物含量的增大而增大。污泥挥发性有机物含量较低时，不宜采用中温厌氧消化工艺，更不宜增加超声破解工艺。污泥挥发性有机物含量较高时，槽式动态破解污泥促进厌氧消化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1能源短缺与消耗增长

1.1.1能源短缺

1.1.2能源消耗增长

1.2污泥特性及对环境的影响

1.2.1污泥问题是全世界面临的难题

1.2.2污泥特性及对环境的影响

1.3污泥厌氧消化

1.3.1污泥厌氧消化原理

1.3.2传统污泥厌氧消化工艺存在的问题

1.4污泥预处理技术研究发展现状

1.5超声波破解污泥机理和影响因素

1.5.1超声波破解污泥机理

1.5.2超声空化作用产生条件和影响因素

1.6超声波反应器类型

1.7本文主要目的及研究内容

1.8分析项目及方法

第二章蒸馏水媒质中超声波场及空化场分布特征研究

2.1超声波场及空化场测量方法

2.1.1直接测量方法

2.1.2间接测量方法

2.2试验装置与方法

2.2.1试验装置

2.2.2试验方法

2.3试验结果与分析

2.3.1热敏探头法测量声强

2.3.2染色法测量空化强度

2.3.3热敏探头法声场与染色法空化场综合分析

2.4本章小结

第三章超声波频率对破解污泥的影响

3.1试验装置与方法

3.1.1试验装置

3.1.2试验材料与方法

3.2试验结果与分析

3.2.1超声波频率对污泥破解效果的影响

3.2.2不同频率超声波在蒸馏水中的声场和空化场分布

3.2.3不同频率超声波在污泥中声强分布

3.2.4不同污泥浓度对超声波强度的影响

3.3本章小结

第四章超声功率对破解污泥的影响

4.1试验装置与方法

4.1.1试验装置

4.1.2试验材料

4.1.3试验方法

4.2试验结果与分析

4.2.1单功率模式

4.2.2双功率模式

4.2.3三功率模式

4.2.4综合分析

4.2.5比能耗对细胞破壁的影响

4.3本章小结

第五章污泥性质及试验条件对超声破解污泥的影响

5.1试验装置与方法

5.1.1试验装置

5.1.2试验材料

5.1.3试验方法

5.2试验结果与分析

5.2.1污泥初始温度对破解效果的影响

5.2.2污泥pH值对破解效果的影响

5.2.3污泥总固体浓度对破解效果的影响

5.2.4搅拌条件对破解效果的影响

5.2.5曝气条件对破解效果的影响

5.3本章小结

第六章污泥流态对超声破解污泥的影响

6.1试验装置与方法

6.1.1试验装置

6.1.2试验材料

6.1.2试验方法

6.2试验结果与分析

6.2.1静态试验

6.2.2动态试验

6.2.3水力停留时间对污泥粒径的影响

6.3本章小结

第七章超声破解污泥与未破解污泥厌氧消化能效分析

7.1天津地区干污泥热值

7.2污泥厌氧消化池的能量分析

7.2.1日净能量模型

7.2.2消化池各能量解析

7.2.3消化池热工计算

7.3消化池日净能量计算

7.3.1冬季工况日净能量计算

7.3.2夏季工况日净能量计算

7.4超声破解污泥厌氧消化日净能量分析

7.4.1冬季工况日净能量分析

7.4.2夏季工况日净能量分析

7.5超声破解污泥与未破解污泥厌氧消化净能量比较

7.5.1日净能量比较

7.5.2比净能量比较

7.5.2消化周期净能量比较

7.6本章小结

第八章结论与建议

8.1结论

8.2论文创新点

8.3进一步工作建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢