低强度超声波强化污水生物处理

0.1
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Time (h)
2020/11/20
Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation
其他
❖ 发酵过程中溶解性CO2 （ DCO2 ）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 降低DCO2的溶解度，从而促进细胞生长
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Time (h)
2020/11/20
源自文库
Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation
OUR ( mg (g min)-1 ) OUR ( mg.(g.min)-1 )
声强小于10W/cm2 ----稳态空化
强化机理
2020/11/20
瞬态空化
❖ 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 生强大冲击波和射流。
❖ 应用：高强度超声波降解废水中有机污染物 。
❖ 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 。
❖ 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
2020/11/20
强化机理
机械传质作用
❖ 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。
❖ 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 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。
25kHz
❖ 超声密度为0.5w /L时，没有明显的 强化效果；
❖ 超声密度为1-2 w/L时，降解速率 最快；
❖ 超过1-2w/L，降 解速率反而降低。
2020/11/20
好氧COD降解的最佳超声波密度
无超声波
1.5
强化 最佳 减弱 破坏 ❖ 最佳超声波强度是一个很窄的范围，要进行谨慎选择。
2020/11/20
❖ 促进传质，提高微生物活性 ❖ 直接作用于生物反应器，提高生物反应的效率 ❖ 生物、物理与环境的学科交叉 ❖ 目前研究尚处于起步阶段
2020/11/20
低强度超声波的强化机理
空化作用
超声波
加热作用
2020/11/20
机械传质作用
加热作用
❖ 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
2020/11/20
高 强 度 超 声 波 的 作 用
2020/11/20
采用12w/L 超声进行辐 照，并与无 超声波进行 对照，葡萄 糖浓度和细 胞个数都基 本相同
❖ 高强度超声对生物活性没有强化效果
低强度超声波对酒精产量的影响
加入超声辐照后， 酒精浓度增至18-
30g/L
无超声辐照，酒精浓度 为3-12g/L
器底部装有超声波系统，进行对照试验。实验系统连续 运行，保证严格厌氧。反应器如图所示：
2020/11/20
反 应 器 的 构 造 与 运 行
2020/11/20
低强度超声波对生物活性的影响
消光度：反映生物量浓 度。在超声辐照以及停 止期间，持续升高。相 应生物量浓度从0.12 g/ L升高到0.4g/L。
❖ 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
❖ 低强度超声波强化污水生物处理的理论基础
强化机理
2020/11/20
OUR (mg(gmin)-1)
DHA (ug(mgh)-1)
0.7
44
DHA
0.6
OUR
42
OUR control
0.5
40
38 0.4
36 0.3
34
0.2 32
❖ 频率高，空化阈增大，声空化过程难以发生
❖ 频率高，声波的传播衰减增大，增加了能量消耗
❖ 因此，超声频率多选用20-50kHz。
影响因素
2020/11/20
超声功率
20kHz
❖ 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。
2020/11/20
❖ 1W和2W的 超声波显著促进 细胞增长， 5W 和10W对细胞增 长产生抑制作用， 3W对细胞增长 作用不明显。
2020/11/20
DHA (ug (mg h)-1) DHA ( ug (mg h)-1)
after 1st US exposure
44
after 2nd US exposure
after 3rd US exposure
after 4th US exposure
42
regression line
时间和间隔 辐照时间不宜过长，间隔时间不宜过短
其他 影响因素
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 ，互相影响
2020/11/20
超声频率
❖ 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R0，则当超声频率等于具有R0半径 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。
❖ 因此，需要开发新的高效超声波辐射反应器
2020/11/20
DHA (ug(mgh)-1)
我 们 研 究 发 现：
OUR (mg(gmin)-1)
0.7
44
DHA
0.6
OUR
42
OUR control
0.5
40
45kHz, 0.3w/cm2, 38 0.4
超声10分钟
36
0.3
34
0.2 32
0.1
❖ 细胞数目和干重随辐照时 间的延长而增加，45min时效 果最好，60min时有所下降。
2020/11/20
30w 影响因素
低强度超声波强化 污水生物处理
2020/11/20
强化有机废水生物处理
❖ 菌种: Saccharomyces cerevisiae C-2324 ❖ 处理废水：葡萄糖模拟废水 ❖ 反应装置：2个5L的密闭圆柱形反应器，其中一个反应
超声密度对厌氧NO3-N转化的影响
❖ 与好氧葡萄糖 超声降解情况相 似。 ❖ 最佳超声密度 为0.9w/L。
2020/11/20
厌氧NO3-N降解的最佳超声波密度
无超声波
0.9
强化 最佳 减弱 破坏 ❖ 比好氧COD降解所需最佳超声密度有所下降
2020/11/20
经济分析（德国马克）
分析项目 反应器造价
8小时重复超声一次
1.8
1st US
2nd US
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 control 1/6h
8h 1/6h 8h
Time ( h )
3rd US a:OUR
1/6h 8h
24小时重复超声一次
1.8
1st US
2nd US
3rd US
1.6
a:OUR
1.4
1.2
1.0
2020/11/20
强化机理
空化作用
❖ 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 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 空穴，即空化泡。
❖ 声强大于10W/cm2 ----瞬态空化，
超声密度：0.3w/L
2020/11/20
葡萄糖浓度，从0.8降低 到0.5g/L
❖ 超声辐照后可能引起微生物膜通 量的改变和酶的变化。
超
声
消光度和葡萄
辐 照 频
糖浓度基本上 没有变化
次
的 影 ❖ 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
响 此持续的辐照对微生物活性没有强化效果。
曝气 超声波设备
总投资 运行费用
无超声波 10.3m3:10960 5.3kw:12815
---23775 0.089/m3
1.5w/L超声波 4.6m3: 5472 2kw:7264 15kw:69444
82180 0.44m3
2020/11/20
对经济分析的分析
❖ 该超声波强化污水生物处理实验采用的是每次将反应 器中的悬浮污泥完全循环一遍，因此所需要的超声波 发生器的投资及其所消耗的电能较高，费用昂贵，不 具有实际应用价值。
强化机理
2020/11/20
稳态空化
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 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 为稳态空化 。
2020/11/20
强化机理
稳态空化
❖ 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 生物代谢的抑制作用，促进代谢产物的合成。
control
40
38
36
34
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Time ( h )
(a)
44
after 1st exposure
after 2nd exposure
after 3rd exposure
42
control
40
38
36
34
0
20
40
60
80
100
❖ COD采用好氧方法进行处理，NO3-N采用厌氧过程。 ❖ 污泥取自某城市污水厂，总量1L，加入200L污水。每次
反应结束，将反应器中污水全部倒掉，留下约1L的污泥 。
2020/11/20
反应器的构造与运行
SBR反 应器： 300L
2020/11/20
热交换器
超声 波发 生器：
8.6L
超声密度对好氧葡萄糖降解的影响
2020/11/20
❖ 采用低强 度超声辐照 可加速发酵 反应，提高 酒精的产量。
超
声听
声 波
波音 的器 分测
在
布量 水
反
中
应
超
器
中
的
分 ❖ 反应器的顶部和侧面会发生反射，造成部分区域超
布 声波的叠加或抵消。
2020/11/20
强化果汁生产废水生物处理
❖ 处理废水：果汁生产厂废水，COD=20000mg/L，NO3N=200mg/L，
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 control 1/6h 8h 24h 1/6h 8h 24h 1/6h 8h 24h
Time ( h )
Changes of AS activity after repeated ultrasonic treatment with 8h and 24h irradiation cycle
2020/11/20
高强度超声波
❖ 原理：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 自由基反应等，从而使其得到氧化降解；
❖ 目的：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 处理工艺。
2020/11/20
低强度超声波
800
700
0.5% 1%
600
500
400
300
200
100
0
0
8
influent R2 effluent
R1 effluent Re (COD)
3%
5%
10% 20%
8
7
6
30%
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
16
24
32
40
48
56
Time (d)
Comparison of COD removal in the R1 and R2 system with and without ultrasonic treatment
影响因素
超声功率
20kHz
❖ 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
2020/11/20
❖ 超声波强度 10W以下，酶的 活力随着超声波 强度的增加而增 加，大于10W， 酶的活力迅速下 降，15W部分酶 失活。
影响因素
辐照时间
32.5kHz
❖ 不同超声处理时间对 啤酒酵母细胞数目及干重 的影响
Time (h)
(b)
Schematic diagram of changes of AS activity in bioreactor with ultrasonic irradiation cycle
of 8h and 24h
2020/11/20
COD (mg L-1)
Re (COD) (%)
❖ 低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率 ❖ 超声波促进微生物酶产生变异
强化机理
2020/11/20
2020/11/20
对照 反应 器中 活性 污泥 的电 镜照
片
设置 超声 波反 应器 中活 性污 泥的 电镜 照片
低强度超声波强化的影响因素
影响因素 频率 功率
影响方式 频率不宜过高，多选用20-50kHz 存在最佳超声功率，过大则生物活性降低
问题
• 2次投加比1次投加臭氧效果好而投量少？ • 关于指标：光（光强、光能密度）、声（声
强、功率密度）。
2020/11/20
超声波
信息载体
检测超声 功率超声
能量载体
金属探伤 水下定位 医学诊断
微电子
化学效应 力学效应 热效应 生物效应
高强度超声 波间接强化 生物处理
低强度超声 波直接强化 生物处理