【正文】 ........................................ 62 聲 明 .......................................................................................................................... 63 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第一章 前言 選題背景 隨著中國(guó)環(huán)境治理力度的加大，污泥處理能力的提高，截止到上世紀(jì) 90 年代，中國(guó) 40 個(gè)城市有 78 座污水處理廠(chǎng)； 20xx 年超過(guò) 400 個(gè)污水處理廠(chǎng)如雨后春筍般冒出；到 20xx 年，這個(gè)數(shù)字變成驚人的 2389 個(gè)。含水率過(guò)高不能進(jìn)行堆積，堵塞滲瀝影響排水。 研究意義 我國(guó)城市污水處理廠(chǎng)污泥處理起步較晚，全國(guó)現(xiàn) 有污水處理設(shè)施中有污泥穩(wěn)定處理設(shè)施的還不到 1/4，處理工藝和配套設(shè)備較為完善的還不到 1/10。因此，測(cè)定污泥的 脫水性能，對(duì)選擇脫水方法具有重要意義 (如表 11)。 微波輻射預(yù)處理對(duì)污泥沉降、過(guò)濾脫水性能的影響，并從粒度分布、污泥胞外微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 聚合物 (EPS)組分含量的變化解析相關(guān)機(jī)理，同時(shí)探討微波輻射微生物 EPS組分對(duì)污泥脫水性改善作用 [7]。 早 在 20 世紀(jì) 70 年代，在德國(guó)首先安裝了用于污泥消毒的輻射裝置，微波輻射裝置逐漸被用于污泥加熱，促進(jìn)污泥的消化和金屬離子的去除等方面。從水中分離這些物質(zhì)并用水合氫氧化物濃縮他們，使他們析出的過(guò)程。由于微波是直接作用于物料，所以脫水效果好、干燥溫度低、速度快，有效成份的損失很小。經(jīng)過(guò)放大器提高微波頻率增強(qiáng)家人處理效果。 大大提高了處理效 率 成功改進(jìn)了傳統(tǒng)的工藝技術(shù)。 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 第二章 微波輻射的 理論 基礎(chǔ) 微波輻射的基本原理 微波的概述 “微波 ”也稱(chēng)超高頻，通常是指波長(zhǎng)為 1m 到 1mm 范圍內(nèi)的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為 300MHz到 300GHz，它介于普通無(wú)線(xiàn)電波與紅外線(xiàn)之間，在使用中為了方便將它分為分米波，厘米波和毫米波。這種電磁場(chǎng)狀態(tài)可用麥克斯韋方程式來(lái)描述，用 MKS(米千克秒 )制量綱表示的一組用 矢量表示的方程組 divD ?? 0divB? dBrotE dt? (21) dDrotH J dt?? 式中： D——電磁場(chǎng)密度 (電位變化 )； B——磁通密度； ? ——電荷電量； J——電流； H——磁場(chǎng)強(qiáng)度； E——電場(chǎng)強(qiáng)度； div 和 rot——用矢量表示的微分。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是被加熱的物料介質(zhì)有些能加熱透徹，有些加熱不透徹，其原因是存在一個(gè)投射能力和加熱深度問(wèn)題，即穿透能力問(wèn)題。微波不論形態(tài)如何，都能均勻滲透，產(chǎn)生熱量，因此加熱狀況大大改善。通過(guò)這一特點(diǎn)合理制定微波處理的預(yù)處理的加工工藝。從污水處理廠(chǎng)出來(lái)的污泥流動(dòng)性很大，通過(guò)粗細(xì)隔柵去除大量懸浮物。最后第三個(gè)主要組成部分是控制電路優(yōu)化和規(guī)范的微 波加熱器的整體表現(xiàn)。平流式沉淀池主要適用于地下水位高及地質(zhì)條件差的地區(qū)和大、中、小型水處理廠(chǎng)。 (5) 沉淀池總寬 B=AL = = (35) (6) 池子個(gè)數(shù) 設(shè) 兩 個(gè)沉 淀 池，則每池寬 。 圖 31 加藥裝置 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 加藥裝置，采用的是機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)形式，從安裝 上可分為固定式和移動(dòng)式 (推車(chē)式 )，每種形式的加藥裝置均配有攪拌系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著固體濃度的增加，污泥的流動(dòng)顯示出來(lái)非牛頓流體的特性，一般在除砂的情況下，可視為均質(zhì)非牛頓流體中的偽塑體，其流變特性方程如下： 0 g dug dy???? ? ? (39) 式中 ： ? ——剪切應(yīng)力， kg/m2； 0? ——屈服剪切應(yīng)力， kg/m2； g——重力加速度， m/s2； g? ——塑性粘度， kg/(m? s)； /dudy ——速度梯度， l/s。螺旋離心葉輪泵的特點(diǎn)如下： 真正的無(wú)堵塞性能，柔和輸送介質(zhì)，螺旋離心泵效率高，運(yùn)行成本低，無(wú)過(guò)載區(qū)域，高固含量介質(zhì)處理能力；采用可耐磨內(nèi)襯，當(dāng)發(fā)生磨損之后只需更換一個(gè)內(nèi)襯即可，無(wú)需更換整個(gè)外殼，既方便又經(jīng)濟(jì)。通常鋼管長(zhǎng)度，熱軋管為 ，冷拔 (軋 )管為 。 實(shí)質(zhì)上磁控管是一個(gè)置于恒定磁場(chǎng)中的二極管，管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場(chǎng)和核定電場(chǎng)的控制下，與高頻電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用 [13]。連續(xù)波磁控管中常用直熱式陰極，它由鎢絲或純微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規(guī)定溫度后就具有發(fā)射電子的能力。磁控管的陽(yáng)極除與普通的二極管的陽(yáng)極一樣收集電子外，還對(duì)高頻電磁場(chǎng)的振蕩頻率起著決定性的作用。這個(gè)系統(tǒng)的諧振腔頻率主要決定于每個(gè)小諧振腔的諧振頻率，我們也可以根據(jù)小諧振腔的大小來(lái)估計(jì)磁控管的工作 頻段。跳模時(shí)，陽(yáng)極電流忽然出現(xiàn)跌落。 (3) 合理調(diào)整陰極加熱功率 磁控管起振后，由于不利電子回轟陰極使陰極溫度升高而處于過(guò)熱狀態(tài)，陰極過(guò)熱將使材料蒸發(fā)加劇，壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)將燒壞陰極。從能耗的角度，電磁場(chǎng)被限制在波導(dǎo)的空間內(nèi)，不存在輻射損耗只是在壁上有熱損耗。 ()0 sin i t zy xE E ea ??? ?? 0xzEE?? ()0 si n i t zx xH E ea ?????? ??? ()02 c os i t zz xH i E eaa ?????? ?? 0yH? 圖 43 矩形波導(dǎo)管 由波導(dǎo)電磁波傳輸理論，波導(dǎo)沿 z軸傳播其長(zhǎng)度方向無(wú)長(zhǎng)度限制?？紤]一個(gè)橫截面為 a b 的矩形波導(dǎo)管 (圖微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 43)其管壁為理想導(dǎo)體，則管內(nèi)沿著 Z 軸傳播的 TE10 波的各個(gè)分量可以寫(xiě)成： 如圖 44 所示在波導(dǎo)管中 TE10 電場(chǎng)沿 y軸傳播在 X、 Z 軸上無(wú)電場(chǎng) [13]。 波導(dǎo)器件 波導(dǎo)管的設(shè)計(jì) 波導(dǎo)是微波頻段傳輸電磁波能量的主要元器件 [16]。冷卻不良將使管子過(guò)熱而不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)將燒壞管子。 磁控管選型 (1) 負(fù)載要匹配 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 無(wú)論什么設(shè)備都要求磁控管的輸出負(fù)載盡可能做到匹配，也就是它的電壓駐波比應(yīng)盡可能的小。于是，我們可以根據(jù)腔體的尺寸來(lái)估計(jì)它的工作頻段。 (2) 陽(yáng)極 陽(yáng)極是磁控管的主要組成之一，它與陰極一起構(gòu)成電子與高頻電磁場(chǎng)相互作用的空間。陰極的性能對(duì)管子的工作特性和壽命影響極大，被視為整個(gè)管子的心臟。 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 第四章 微波輻射發(fā)生裝置 磁控管 磁控管是 微波發(fā)生的主要部件，是完成電能轉(zhuǎn)換為微波能作輸出微波的器件。管道工程常用的無(wú)縫鋼管有以下幾種： ① 一般無(wú)縫鋼管一般無(wú)縫鋼管簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)縫鋼管，用普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、普通低合金鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼制造，用于制作輸送液體管道或制作結(jié)構(gòu)、零件用。螺旋離心泵是一種三元螺旋是單片的無(wú)堵塞泵，主要由葉輪、吸口、蝸殼、轉(zhuǎn)軸、軸承框架、耐磨內(nèi)襯等部件組成。與污泥輸送相關(guān)的性質(zhì)主要是污泥流動(dòng)的水力特性 [3]。用戶(hù)只需將組合式加藥裝置安放在加藥間，將加藥管接好接通電源即可啟動(dòng)投入運(yùn)行，這種工廠(chǎng)化的整套裝置，可大大減少設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，對(duì)整機(jī)的質(zhì)量、安全和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)提供了可靠的保證。取 h =3m， 則 h=qt= (32) t=2h 式中 ： t——水力停留時(shí)間。其池表面呈長(zhǎng)方形，污水從池的一端流入，按水平方向在池內(nèi)流動(dòng)，澄清的污水從另一端溢出， 在進(jìn)水口處的底部設(shè)有貯泥斗。第一個(gè)就是提供微波發(fā)生的電源裝置。 微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 22 微波預(yù)處理流程 由于污泥的含水率很高 (一般含水率在 95%98%范圍之間 )，為了更好的進(jìn)行污泥的后期處理，引入微波技術(shù)提高了脫水的效果。 (5) 選擇性加熱 不同性質(zhì)的物料對(duì)微波的吸收損耗不同，而微波具有選擇性加熱的特點(diǎn)，這對(duì)處理過(guò)程有利。微波加熱則屬于內(nèi)部加熱方式，電磁能直接作用于介質(zhì)分子并轉(zhuǎn)換成熱，且透射使介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱不需要熱傳導(dǎo)，故可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻加熱。如果電場(chǎng)是交變且為高頻的，則分子微波輻射污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 內(nèi)的電子對(duì)頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)將會(huì)因摩擦產(chǎn)生熱量。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。微波對(duì)物料除了上述的加熱作用外，還存在所謂的 “非熱效應(yīng) ”，反應(yīng)體系溫度在遠(yuǎn)低于常規(guī)加熱溫度時(shí)，與常規(guī)加熱具有相同的產(chǎn)率或更快的化學(xué)反應(yīng)速度；而且有時(shí)還伴有新物質(zhì)生成；在常規(guī)加熱條件下不能進(jìn)行或很難進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，在微波作用下變得可行。 (2)脫水過(guò)程中的流量、密封等問(wèn)題。其特點(diǎn)為腔內(nèi)設(shè)計(jì)為 4 個(gè)磁控管均勻分布在腔體壁上，同時(shí)裝有末態(tài)攪拌器進(jìn)行微波攪拌。實(shí)現(xiàn)了預(yù)處理效果，提高了油 水 土壤三項(xiàng)分離。此圖為國(guó)際石油工程師協(xié)會(huì) (SPE)發(fā)布的微波預(yù)處理鉆井廢棄物處理裝置。 主要 對(duì)于一個(gè)特性的廢棄物處理問(wèn)題 ，其中最特殊的是有關(guān)放射性廢棄物的處理。水是微波加熱的良好載體，波蘭學(xué)者 Ewa Wojciechowska 研究了微波改性對(duì)污泥脫水性能的促進(jìn)作用，研究結(jié)果表明對(duì)于未經(jīng)消化的污泥效果 較好，微波與絮凝劑同時(shí)使用的效果優(yōu)于這兩種方法的單獨(dú)使用，使用微波改性技術(shù)后明顯增加污泥懸浮液體中的 BOD5 和 COD 含量。田禹等在對(duì)污水污泥微波輻射預(yù)處理的研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象：帶負(fù)電的污泥在微波高頻率電磁場(chǎng)中，出現(xiàn)顆粒粗大化現(xiàn)象微波輻射處理后污泥的顆粒粒徑及間隙明顯增大。 文獻(xiàn)綜述 污泥處理手段 污泥中所含水分形態(tài)，盡管不同的文獻(xiàn)有不同的分類(lèi) [3]，但一般都認(rèn)為有 4 種存在形態(tài) 如圖 11，即間隙水、毛細(xì)結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水。微波作為一種新型高效無(wú)污染能源已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)以及家庭等領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。 污泥的主要污染 [1]在于污泥是一種既含有大量 N、 P、 K等養(yǎng)分資源，又含有重金屬、有機(jī)污染物和病原物等有害物質(zhì)的混合物。 52 離心機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 ........................................................................... 52 高干度離心機(jī)物理參數(shù)的確定 .................................................................... 53 第七章 三維模擬 .......................................................................................................... 56 三維模擬的概述 23 磁控管結(jié)構(gòu) ................................................................................................ 23 磁控管選型 ................................................................................................ 24 波導(dǎo)器件 18 設(shè)備選型 9 微波的概述 ..................................................................................................9 微波處理的理論概述 .................................................................................. 10 微波輻射的特點(diǎn) 2 污泥處理手段 ...............................................................................................2 國(guó)內(nèi)微波研究應(yīng)用現(xiàn)狀