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第 37 卷 第 5 期 徐德龙等： 声空化工程初步 829

输安全性，同时不会增加后期破乳脱水难度。 相比国际上同类型的研究，处理量有 2∼5倍的提升，
4.2 实例2：超声耦合碱解高固污泥 [8] 且能耗降低了50%。
随着全球经济和工业的不断发展，对水资源的 180
ళܫေ ӭ࿘ᇍᝍ ऀ੻6 min
需求也逐渐增加，世界各地建设了越来越多的污水 160 ᤌ፞6 min ऀ੻18 min ᤌ፞18 min
处理厂，以处理在生产生活过程中产生的大量污水， 140
120
获得可回用的水资源。作为污水处理的副产物，剩 100
余污泥的产量也不断增加。根据住建部的统计和预 ႁཙ̗ဋ(mL/gSVS) 80
测，未来三年内中国污水处理厂剩余污泥的产量将 60
超过 6000 万吨/年。剩余污泥中含有大量的多种有 40
20
机组分，包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等物质，若处 0
1 5 10 15 20 25
理处置不当，极易腐败变质并产生恶臭，此外还包括 ெర/ܹ
重金属、难降解有机物、病原微生物等，如果不进行 图 5 不同运行方式超声耦合碱解预处理对甲烷产

妥善处置，会对环境带来极大的污染隐患。 率的影响 [8]
针对高固污泥超声耦合碱解的需求，中科院声 Fig. 5 Effect of different operating modes by com-
学所声能应用课题组开发出一种新型、高效、低能 bined ultrasonic and alkaline pretreatment on cu-
耗的密集多探头槽式超声耦合碱解预处理反应器， mulative methane yield [8]
反应器体积为 250 L，总功率为 10 kW，污泥处理量 超声耦合碱解高固污泥时存在协同作用，可
可达5 m /h，能耗为2 kWh/m ，见图4。 以提高污泥中微生物胞外聚合物的破解程度，并
3
3
在低碱量条件下，也可以破解细胞壁和细胞膜，溶
A 1
2
出更多的有机物，使甲烷产率明显增加。超声耦
合碱解高固污泥厌氧消化工艺系统生产性试验的
B B
3 过程中能量平衡分析如图 6 所示。超声波耦合碱
解污泥在总固体物浓度 (TS) 为 3% 时，基本可以达
4
到能量平衡，但难有结余，当 TS 为 5% 和 8% 时可
A
A-A 以实现电能结余。其中当污泥 TS 为 8% 时，超声耦
合碱解预处理 -厌氧消化系统每日产沼气折合电能
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ᡔܦᆡᝍയ 240 2.5
ஃ౶ ঴ᑟᏲ
220 ෶ඡઉՌႃᑟ
B-B
ద఻᠇ᕳ
200
2.0
图 4 密集多探头槽式超声反应器 [8] 180
Fig. 4 Multiple-transducer ultrasonic bath reactor [8] 160 1.5
超声耦合碱解预处理反应器不同运行方式对 ႃᑟ/kWSh 140 ద఻᠇ᕳ(kg VS/m 3 ·d)
甲烷产率的影响如图 5 所示。相比未处理的污泥， 120
1.0
100
单独碱解后，甲烷产率增加了 19.2%。超声耦合碱
80
解时，序批式试验中，超声处理 6 min、18 min 条件 TS = 3% TS = 5% TS = 8%
60 0.5
下，24 天累积甲烷产率相比未处理污泥分别提高 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150
了26.5%和 52.0%。连续试验中，超声处理6 min 和 ๗ӑ௑ᫎ/ܹ
18 min 时，24天累积甲烷产率相比未处理污泥分别 图 6 厌氧消化过程中设备能耗及沼气折合电能 [8]
提高了41.1%和44.5%。在中试试验中，出于方便操 Fig. 6 Equipment energy consumption and energy
作的考虑，最终选定连续式超声破解 6 min 破解条 equivalentof biogas production during anaerobic
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件。此时，污泥流量为 5 m /h，能耗为 2 kWh/m ， digestion process [8]