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1、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）。,检测超声,功率超声,信息载体,能量载体,金属探伤,水下定位,医学诊断,微电子,力学效应,化学效应,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,超声波,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。,低强度超声波强化 污水生物处理,主要内容,研究方向,应用前景,影响因素,
2、强化机理,低强度超声波,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,低强度超声波的强化机理,超声波,机械传质作用,加热作用,空化作用,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 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,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
3、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。,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， 声强小于10W/cm2 -稳态空化,强化机理,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 。,
4、强化机理,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 。,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。 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,Changes of OUR and DHA of AS after ultrasonic irradiation,其 他,发酵过程中
5、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 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,对照反应器中活性污泥的电镜照片,图 6 设置超声波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,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。 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
6、，增加了能量消耗 因此，超声频率多选用20-50kHz。,超声频率,影响因素,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。,20kHz,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。,超声功率,影响因素,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,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。,20kHz,超声功率,影响因素,辐照时间,不同超声处理时间对啤酒酵母细胞数目及干重的影响,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
7、降。,影响因素,32.5kHz,30w,低强度超声波强化 污水生物处理,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：,反应器的构造与运行,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。,葡萄糖浓度，从0.8降低到0.5g/L,超声密度：0.3w/L,超声辐照后可能引起微生物膜通量的改变和酶的变
8、化。,超声辐照频次的影响,消光度和葡萄 糖浓度基本上 没有变化,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，因此持续的辐照对微生物活性没有强化效果。,高强度超声波的作用,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,采用低强度超声辐照可加速发酵反应，提高酒精的产量。,超声波在反应器中的分布,反应器的顶部和侧面会发生反射，造成部分区域超声波的叠加或抵消。,听音器测量水
9、中超声波的分布,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，NO3-N=200mg/L， 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。,SBR反应器：300L,超声波发生器：8.6L,热交换器,反应器的构造与运行,超声密度对好氧葡萄糖降解的影响,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。,好氧COD降解的最佳超声波密度,无超声波,强化,最佳,减弱
10、,破坏,最佳超声波强度是一个很窄的范围，要进行谨慎选择。,1.5,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。,厌氧NO3-N降解的最佳超声波密度,无超声波,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,0.9,经济分析（德国马克）,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。,因此，需要开发新的高效超声波辐射反应器,Changes of OUR and DHA of AS after ultr
11、asonic irradiation,我们研究发现：,45kHz, 0.3w/cm2, 超声10分钟,Changes of AS activity after repeated ultrasonic treatment with 8h and 24h irradiation cycle,8小时重复超声一次,24小时重复超声一次,Schematic diagram of changes of AS activity in bioreactor with ultrasonic irradiation cycle of 8h and 24h,Comparison of COD removal in
12、the R1 and R2 system with and without ultrasonic treatment,强度0.3W/cm2，8h取10%的活性污泥，辐照10min返回反应器： COD去除率提高5% 好氧呼吸速率(Oxygen Uptake Rate, OUR) 表示的污泥活性可提高12% 污泥的增长率比对照反应器降低了11%左右,对照反应器和设置超声波反应器对实际污水COD去除效果的比较,苯酚对设置超声波反应器和对照反应器进出水COD及污泥活性的影响,低温和室温条件下超声辐射对污泥活性的影响（a:OUR；b:DHA） （US：超声波强化处理；RT：room temperatur
13、e 室温；LT：low temperature低温）,低温和室温条件下设置超声波处理对COD去除的影响,应 用,初沉池,曝气池,二沉池,传统生物处理法：处理量大，效率高，费用低廉，应用广泛。 水质水量变化大，或者含有难降解的物质 ，处理效果不佳,北方地区冬季气温较低，生物处理效率不高,不需额外的土建设施，易于实现。,超声波,强化膜-生物活性炭工艺处理微污染水源水,处理废水：微污染水源水,COD=4.75mg/L 强化生物处理工艺：膜-生物活性炭工艺。反应器有效容积30L。系统内水力停留时间1.5h，溶解氧为4-6mg/L，,反应器的构造与运行,水箱,鼓风机,超声波发生器,超声波换能器,一体式生
14、物膜反应器,膜组件,出水,反应器连续运行。超声波每24小时处理20分钟,超声波的处理效果随时间变化规律曲线,Re: 有机物去除率提高的百分比。,提高传质速度,促进胞外酶的分泌及变异,选择每24小时处理一次的间隔时间,超声波功率的选择,45kHz,膜生物反应器工艺净化微污染水，最佳超声功率0.33W/L.,0.33w/L,0.16w/L,0.5w/L,超声波对有机负荷的影响,有所增加,明显增加,适当强度超声波可显著提高生物活性，增强有机负荷率。,超声波对TTC-脱氢酶活性的影响,TTC脱氢酶活性反映了微生物的活性。 低强度超声辐照可以提高膜生物反应器中生物活性炭活性,超声波对出水中有机物分子量的影响,生物降解作用是小分子物质去除的主要因素，说明设置超声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。,0,29.41%,（K1、K2 阀门；P1、P2 流量计；M1、M2 压力计） 传统活性污泥法中超声波辐射系统安装示意图,K1、K2阀门；V1、V2、V3 泵 SBR工艺中超声波辐射处理器的安装示意图,建立和完善超声波强化污水生物处理方法， 工艺设计参数，运行控制措施,研究方向,了解超声波对细胞、酶、基 因、生物大分子作用的机制,开发经济高效的 超声波反应器,
