本文是一篇環(huán)境污染治理論文范文，選自期刊《環(huán)境污染與防治》。同類期刊推薦《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報》，該刊主要刊登農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的研究成果，包括新理論、新技術(shù)和新方法。設(shè)有專論與綜述、研究報告、研究快報、學(xué)術(shù)爭鳴。
　　【摘要】：作為聲學(xué)研究領(lǐng)域的重要組成部分，超聲在現(xiàn)代分離技術(shù)中的研究也取得了一定進(jìn)展。已日益顯示出其在各分離領(lǐng)域的重要性。

　　【關(guān)鍵詞】：超聲波,除垢,污泥處理

　　超聲技術(shù)是一種新興的、多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，在化工、食品、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究開拓了新領(lǐng)域，并從應(yīng)用上對上述工業(yè)產(chǎn)生重大影響。作為聲學(xué)研究領(lǐng)域的重要組成部分，超聲在現(xiàn)代分離技術(shù)中的研究也取得了一定進(jìn)展。已日益顯示出其在各分離領(lǐng)域的重要性。

　　1.超聲波技術(shù)機(jī)理

　　超聲波防垢器主要是利用超聲波強(qiáng)聲場處理流體，使流體中成垢物質(zhì)在超聲場作用下，其物理形態(tài)和化學(xué)性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢。超聲波的防垢機(jī)理主要表現(xiàn)在：

　�。�1）"空化"效應(yīng)

　　超聲波的輻射能對被處理液體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無數(shù)極微小的局部空穴，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的壓力峰，這一強(qiáng)壓力峰能使成垢物質(zhì)粉碎懸浮于液體介質(zhì)中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落。根據(jù)理論和實踐測算，用20KHz、50W/cm2的超聲波對1cm3液體輻射時，其發(fā)生空化事件的氣泡數(shù)為5×104/s，局部增壓峰值可達(dá)數(shù)百甚至上千大氣壓。

　�。�2）"活化"效應(yīng)

　　超聲波在液體介質(zhì)中通過空化作用，可以使水分子裂解為H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而OH與成垢物質(zhì)離子可形成諸如CaOH、MgOH等的配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對提高。也就是說，超聲波能提高流動液體和成垢物質(zhì)的活性，增大被水分子包裹著的成垢物質(zhì)微晶核的釋放。

　�。�3）"剪切"效應(yīng)

　　水分子裂解產(chǎn)生的活性H自由基的壽命比較長，它進(jìn)入管道后將產(chǎn)生還原作用，可以使生成的積垢剝落下來。而且因超聲波輻射在垢層和管壁上，加熱管上的吸收和傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，形成垢層與管壁界面上的相對剪切力，從而導(dǎo)致垢層產(chǎn)生疲勞而松脫。

　�。�4）"抑制"效應(yīng)

　　通過超聲波的作用，改變了污水的物理化學(xué)性質(zhì)，縮短了污泥的成核誘導(dǎo)期，刺激了微小晶核的生成。新生成的這些微小晶核，由于體積小、質(zhì)量輕、比表面積大，懸浮于液體中，生成比壁面大得多的界面，有很強(qiáng)的爭奪水中離子的能力，能抑制離子在壁面處的成核和長大，讓既定結(jié)構(gòu)的晶粒長大，因此減少了粘附于換熱面上成垢離子的數(shù)量，從而也就減小了積垢的沉積速率。實驗研究表明，當(dāng)污水的過飽和系數(shù)一定時，在同一超聲波參數(shù)下，超聲波作用時間越長，則污泥的成核誘導(dǎo)期越短。

　　2.超聲波對污泥絮體尺寸的影響

　　用超聲波對活性污泥的物理、化學(xué)和生物特性分別進(jìn)行了研究。采用的超聲波頻率是20kHz，作用時間是20～120min不等,未處理以前污泥絮體的平均粒徑是98.9μm。在0.11w/mL的聲能密度下,絮體尺寸幾乎沒有發(fā)生任何變化;在0.22w/mL的聲能密度下絮體粒徑明顯減少;在0.33w/mL的聲能密度下作用20min后絮體粒徑迅速減至22μm,經(jīng)120min減至4μm;在聲能密度為0.44w/mL時,經(jīng)20min后絮體直徑減至不足3μm,再延長時間則變化很小。分別考察了聲能密度為0.11w/mL和0.33w/mL的2種情況下超聲波對污泥絮體尺寸的影響。發(fā)現(xiàn)在0.11w/mL聲能密度下,絮體尺寸經(jīng)60min由31μm減至20μm,尺寸減小了35%;在0.33w/mL聲能密度下,不到20min,絮體尺寸減至14μm。

　　3.超聲波對不同細(xì)菌的影響

　　在0.33w/mL聲能密度下,經(jīng)40min超聲波處理后,異養(yǎng)菌減少了82%,而大腸桿菌減少了99%以上,并且溶解性COD經(jīng)60min作用后提高了12倍;而在0.11w/mL聲能密度下,作用時間較短時,異養(yǎng)菌和大腸桿菌變化不大,只有在60min以上才有明顯減少,而且不管作用時間長短,溶解性COD幾乎保持不變,這種現(xiàn)象揭示在較高聲能密度作用下,超聲波可以把細(xì)菌分解,并使相當(dāng)一部分固態(tài)COD轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)。同時,在0.11w/mL和0.33w/mL之間存在一個閾值,超過此閾值,細(xì)菌的分解才會發(fā)生。

　　目前,超聲波應(yīng)用于污泥處理及減量存在的主要問題是超聲處理運行參數(shù)優(yōu)化、超聲效率有待提高以及超聲反應(yīng)器的合理設(shè)計等。而且在進(jìn)一步研究中應(yīng)注意與污水處理工藝的合理組合,這樣才能發(fā)揮超聲波的特點,并為其在實際工程的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

　　4.超聲波分解污泥引起溫度上升的現(xiàn)象

　　在聲能密度為0.44w/mL時,2min內(nèi)污泥溫度超過了55℃。為了考察溫度對污泥分解的影響,他們把反應(yīng)器的溫度控制在15℃左右,實驗結(jié)果顯示聲能密度為0.11w/mL時,沒有出現(xiàn)固態(tài)COD轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鉅顟B(tài);如果不進(jìn)行溫度控制,大約有2%固態(tài)COD轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)。這種效應(yīng)在聲能密度為0.33w/mL時更為明顯。為此他們考慮了究竟是超聲波還是超聲波引起的熱效應(yīng)對溶解性COD釋放的作用。結(jié)果表明單獨在溫度高的情況下,不足以破壞絮體結(jié)構(gòu),所以他們認(rèn)為超聲空化和由此引起的溫度上升對于污泥分解是同樣重要的。

　　5.結(jié)語

　　綜上所述,在不同聲能密度、不同作用時間下,超聲波對其作用后的污泥分解程度、污泥絮體尺寸變化，以及伴隨污泥分解,溶解性COD釋放情況和相應(yīng)的溫度上升現(xiàn)象等研究,為掌握超聲波分解污泥的機(jī)理提供了研究基礎(chǔ)。超聲波功率一定時，頻率低、作用時間長，去污效果較好；超聲波頻率一定時，功率大、作用時間長，去污效果較好。同時，超聲波去污效果還與流體的流量與壓力、液體的粘度與溫度、超聲波電源發(fā)生器與超聲波換能器的距離（即傳輸電纜長度）、原已生成積垢的程度等因素有很大的關(guān)系。尤其是經(jīng)超聲作用后的污泥,顆粒態(tài)COD轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)COD,可充分利用這一特點并將其結(jié)合到污泥處理工藝中,提高污泥厭氧消化的能力;或結(jié)合到不同污水處理工藝中,形成微生物的隱性生長以達(dá)到污泥減量的目的，其推廣價值在環(huán)保節(jié)能、提高工效、降低成本等諸方面具有廣泛的意義。

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