【文章內(nèi)容簡介】 10)以上系數(shù)均為研究微波處理時的重要參數(shù)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 微波的特性微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。但若微波作用于非金屬的介電體，由介電體特性所決定微波將被吸收、滲透，產(chǎn)生高頻電場和磁場。(1) 介電發(fā)熱效應(yīng)[13]。如圖21(a)所示的介電體，其中“+”離子和附近的“”電子成對存在，這些電子對緊密的結(jié)合，相互間不起作用，介質(zhì)的整體對外界來說電場強度為零。但若如圖21(b)加上很強的電場，則正負(fù)電子對立即會重新排列。若改變電場方向則電子對將按圖21(c)反向排列。如果電場是交變且為高頻的，則分子內(nèi)的電子對頻繁的轉(zhuǎn)動或振動將會因摩擦產(chǎn)生熱量。圖21 在微波電場作用下的分子運動(2) 微波的浸透深度。在實際應(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，其原因是存在一個投射能力和加熱深度問題，即穿透能力問題。穿透能力就是指電磁波穿入到介質(zhì)內(nèi)部的本領(lǐng)。電磁波從介質(zhì)的表面進(jìn)入并在其內(nèi)部傳播時，由于能量不斷地被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，他所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離，以指數(shù)形式衰減。投射深度指的是材料內(nèi)部功率密度為表面能量密度的1/%出算起的深度D。 微波處理的優(yōu)點(1) 加熱速度快常規(guī)加熱(如火焰、熱風(fēng)、電熱、蒸汽等)都是利用熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射將熱量首先傳遞給被加熱物的表面，再通過熱傳導(dǎo)逐步使中心溫度升高(即常稱的外部加熱)。它要市中心部位達(dá)到所需的溫度，需要一定的熱傳導(dǎo)時間，而對熱傳導(dǎo)率差的物體所需的時間就更長。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)外同時受熱不需要熱傳導(dǎo)，故可在短時間內(nèi)達(dá)到均勻加熱。(2) 加熱均勻用外部加熱方式加熱時，為提高加熱速度，就需升高外部溫度，加大溫度梯度，但隨之會產(chǎn)生外焦內(nèi)熱現(xiàn)象。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。(3) 節(jié)能高效不同物料對微波有不同的吸收率。含有水分的物質(zhì)容易吸收微波能，玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等則很少吸收微波，金屬反射微波，這些物質(zhì)都不能被微波加熱。微波加熱時，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室內(nèi)，加熱室對電磁波來說是個封閉容器，電磁波不會泄露，只能被加熱物體吸收。容器內(nèi)的環(huán)境和箱體都不會被加熱，故微波加熱效率很高。(4) 易于控制微波功率的控制由開關(guān)、旋鈕調(diào)節(jié)，即開即用，無熱慣性，功率連續(xù)可調(diào)，已與自動化。(5) 選擇性加熱不同性質(zhì)的物料對微波的吸收損耗不同，而微波具有選擇性加熱的特點，這對處理過程有利。因為水分子對微波的吸收損耗最大，所以含水率高的部分，吸收微波功率高，達(dá)到破壞成分的作用。通過這一特點合理制定微波處理的預(yù)處理的加工工藝。(6) 安全無害微波不屬于放射性射線，又無有害氣體排放，是一種十分安全的處理技術(shù)。從微波治療開始，推廣應(yīng)用到食品、皮草、紙張、木材等輕工業(yè)產(chǎn)品的加工方面以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的烘干、種子處理等方面。在科學(xué)研究，特別是污泥處理的研究上也將展現(xiàn)其獨特的應(yīng)用。 微波輻射系統(tǒng)介紹如圖22所示將微波技術(shù)引入污水污泥的處理，其技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為加熱速度快，熱效高，熱量立體傳遞，設(shè)備體積小等。進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)分析后指出，微波技術(shù)將由于經(jīng)濟(jì)上原因受到限制用于污水污泥的預(yù)處理。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。圖22所示的為帶有微波預(yù)處理的污泥處理系統(tǒng)。從污水處理廠出來的污泥流動性很大，通過粗細(xì)隔柵去除大量懸浮物。進(jìn)入調(diào)節(jié)池投入添加劑硅藻使污泥絮凝，經(jīng)過機械螺旋壓榨脫水后進(jìn)行絮凝劑的再次投放。進(jìn)入到微波諧振腔中進(jìn)行微波的輻射處理，改變污泥的性質(zhì)，絮凝污泥脫水升溫。進(jìn)入到后續(xù)的一次沉淀、二次沉淀過濾到最后的壓榨及輸出。典型的工業(yè)微波輻射系統(tǒng)如23圖示。系統(tǒng)基于三個主要的構(gòu)件。第一個就是提供微波發(fā)生的電源裝置。第二就是微波發(fā)生裝置，以及是微波的傳輸和釋放裝置。最后第三個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)。電源供給微波發(fā)生器能源制造一定頻率的微波，波導(dǎo)用來將微波按一定的方式導(dǎo)入微波加熱腔內(nèi)；由于該系統(tǒng)設(shè)計要求是在真空或氣氛保護(hù)條件下的高溫加熱，在腔體上設(shè)有氣體導(dǎo)入導(dǎo)出口，出口與真空泵連接；在整個加熱過程中，從升溫到保溫、降溫都需要根據(jù)工藝來控制，這一過程通過程控系統(tǒng)控制微波功率來實現(xiàn)。圖23 典型微波系統(tǒng)第三章 污泥前處理系統(tǒng)系統(tǒng)按運行時間為12h/d，將污泥經(jīng)過系統(tǒng)脫水后，使得污泥含水率降低到6%左右，干污泥約為15t/h備處理能力為2000m3/d()。依據(jù)設(shè)計參數(shù)，假設(shè)溫度提升速度為10℃/min，微波輻射時間為2min，得出溫度變化，設(shè)計處理功率為5kW。 沉淀池的設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)及運行方式的不同，沉淀池可分為普通沉淀池和淺層沉淀池(斜板與斜管沉淀池)兩大類；按照水災(zāi)池內(nèi)的總體流向，普通沉淀池分為平流式、輻流式、和豎流式三種。本設(shè)計采用平流式沉淀池。其池表面呈長方形，污水從池的一端流入，按水平方向在池內(nèi)流動，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。平流式沉淀池的優(yōu)點有：污水在池內(nèi)流態(tài)特性比較穩(wěn)定，沉淀效果好；對沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較強；施工簡單，設(shè)備造價低。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。 主要尺寸的設(shè)計計算~ m3/(m3h)；設(shè)計水量Qmax=2000m3/d=。(1) 池子總面積設(shè)計水量Qmax=2000 m3/d= m3/h= m3 /s則A ===㎡ (31)式中：q——表面負(fù)荷，取q= m3/(㎡h)。(2) 沉淀部分有效水深沉淀池有效水深一般為2~4m。取h =3m， 則h=qt= (32)t=2h式中： t——水力停留時間。(3) 沉淀部分有效容積V=Qmax t=2= m3 (33)(4) 沉淀池長L==2= (34)式中：v——水平流速，小于5mm/s，取v=。(5) 沉淀池總寬B=== (35)(6) 池子個數(shù)設(shè)兩個沉淀池。(7) 校核長寬比和長深比長寬比==4符合要求 (36)長深比==8在8~12之間，符合要求。 (37)(8) 污泥量的產(chǎn)生W===1248 m3/d (38)式中：C1——進(jìn)水懸浮物濃度，kg/ m3；C2——進(jìn)水懸浮物濃度，kg/ m3；——污泥濃度，1000 kg/ m3；P0——污泥含水率，P0 = 97%。計算污泥產(chǎn)量約為50t/h。加藥裝置主要用于電廠的給水、爐水、循環(huán)水、廢水等處理，也可用于石油、化工、環(huán)保、供水系統(tǒng)等行業(yè)。單元組合式加藥裝置，主要有溶液箱、計量泵、過濾器、安全閥、止回閥、脈沖阻尼器、水位表、控制柜等組成一體化安裝在一個底座上[3]。用戶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投入運行，這種工廠化的整套裝置，可大大減少設(shè)計和現(xiàn)場施工的工作量，對整機的質(zhì)量、安全和現(xiàn)場投運提供了可靠的保證。加藥裝置是以計量泵為主要投加設(shè)備、將溶藥箱、攪拌器、液位計、安全閥、止回閥、壓力表、過濾器、緩沖器、管路、閥門、底座、扶梯、自動監(jiān)視系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)等按工藝流程需要組裝在一個公共平臺上，形成一個模塊，即所謂的撬裝式組合式單元。圖31 加藥裝置加藥裝置，采用的是機電一體化結(jié)構(gòu)形式，從安裝上可分為固定式和移動式(推車式)，每種形式的加藥裝置均配有攪拌系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。幾個固定式撬裝可組合成一個整體，加上變頻控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)就地控制、遠(yuǎn)程自動控制、手動和自動相互轉(zhuǎn)換加藥。具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、噪音低、工作平穩(wěn)、安裝簡單、操作使用方便等優(yōu)點。加藥裝置通過不同的工藝設(shè)計，精確配置各類固體和液體的化學(xué)藥品的溶液，再用計量泵準(zhǔn)確投加，以達(dá)到各種設(shè)計要求。 泵的選取在污水處理過程中后續(xù)的污泥處理會涉及到污泥的輸送問題。污泥的性質(zhì)主要包括：含水率、揮發(fā)性固體和灰分、相對密度、可消化程度、過濾比阻、毛細(xì)吸水時間等。與污泥輸送相關(guān)的性質(zhì)主要是污泥流動的水力特性[3]。從力學(xué)性質(zhì)的角度來看，污泥是一種兩相流體，在含水率較高(高于99%)的狀態(tài)下，屬于牛頓流體，流動特性接近于水流。隨著固體濃度的增加，污泥的流動顯示出來非牛頓流體的特性，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： (39)式中：——剪切應(yīng)力，kg/m2；——屈服剪切應(yīng)力，kg/m2；g——重力加速度，m/s2；——塑性粘度，kg/(ms)；——速度梯度，l/s。表31所示污泥特性值列表，和的取值如表所示。表31 污泥的和值列表物料溫度/℃濃度/%/kg/m2/ kg/(ms)水2000初次沉淀生污泥12消化污泥1710消化污泥1714消化污泥1718活性污泥20活性污泥20對于初次沉淀污泥來說剪切應(yīng)力為：由于污泥屬于初次沉淀池生污泥，查表得==(39)中計算得 (310)初次沉淀污泥的水力特性很復(fù)雜，當(dāng)污泥的含固量小于1%時，其流動性能基本上和水一樣。對于含固量大于1%的污泥，當(dāng)在管道內(nèi)流速較低時()，其阻力比污水大；，其阻力必污泥小。在層流條件下，由于的存在，污泥流動的阻力很大，因此污泥管道輸送常采用較大流速。選用螺旋離心泵進(jìn)行輸送污泥。螺旋離心泵是一種三元螺旋是單片的無堵塞泵，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。螺旋離心葉輪泵的特點如下：真正的無堵塞性能，柔和輸送介質(zhì)，螺旋離心泵效率高，運行成本低，無過載區(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內(nèi)襯即可，無需更換整個外殼，既方便又經(jīng)濟(jì)。 水處理系統(tǒng)管道的選取管子的選取原則是按照污染治理工藝的要求(如溫度、壓力、耐腐蝕等)進(jìn)行，主要選擇合適的管材、計算管內(nèi)徑、確定管壁厚、選定標(biāo)準(zhǔn)的常用管子規(guī)格，從而滿足處理工藝的要求[11]。(1) 管材的選取首先管材的選取選用無縫鋼管進(jìn)行管路的主要材料。無縫鋼管按制造方法分為熱軋管和冷拔(軋)管。冷拔(軋)管的最大公稱直徑為200mm，熱軋管最大公稱直徑為600mm。在管道工程中，管徑超過57mm時，常選用熱軋管，管徑小于57mm時常用冷拔(軋)管。管道工程常用的無縫鋼管有以下幾種：①一般無縫鋼管一般無縫鋼管簡稱無縫鋼管，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。 無縫鋼管按外徑和壁厚度供貨，在同一外徑下有多種壁厚，承受的壓力范圍較大。通常鋼管長度，冷拔(軋)。②低中壓鍋爐用無縫鋼管低中壓鍋爐用無縫鋼管是用10號、20號優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造。(2) 管內(nèi)徑d的計算經(jīng)過實踐經(jīng)驗的總結(jié)，認(rèn)為通常流體介質(zhì)在管內(nèi)比較合理的流速范圍如表32所示。因此只要知道管路中流體通過的最大流量，就可算出管內(nèi)徑d的大小。 (311)式中：W——流體的質(zhì)量流量，kg/h；Q——流體的體積流量，m3/h；——流體的密度，kg/m3；——流體的平均流速，m/s。表32 各種常用流體流速范圍流體類別常用流速范圍(m/s)水及其他粘度較小的液體工業(yè)用水(自來水)黏度較大的液體(如鹽類液體)液體自流速度因為出現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)取整得d=175mm。第四章 微波輻射發(fā)生裝置磁控管是微波發(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。工作在微波頻率的磁控管有線性束管(O形管)和交叉場型管(M形管)。實質(zhì)上磁控管是一個置于恒定磁場中的二極管，管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場和核定電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用[13]。磁控管陰極發(fā)射的電子受電場加速而速度升高，并受洛侖茲力的作用運動軌跡彎曲，在陽極交變電壓的作用下使得有足夠能量到達(dá)陽極。此過程獲得的全部能量建立高頻振蕩，向外發(fā)射微波。 磁控管結(jié)構(gòu)磁控管的結(jié)構(gòu)包括：陰極、能量輸出器、陽極塊、諧振腔孔、諧振腔隙、引線。其結(jié)構(gòu)如圖41。圖41 磁控管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(1) 陰極磁控管的陰極即電子的發(fā)射體，又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大，被視為整個管子的心臟。陰極的種類很多，性能各異。連續(xù)波磁控管中常用直熱式陰極，它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規(guī)定溫度后就具有發(fā)射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強等優(yōu)點，在連續(xù)波磁控管中得到廣泛的應(yīng)用。此種陰極加熱電流大，要求陰極引線要短而粗，連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高，常用強迫風(fēng)冷散熱。磁控管工作時陰極接負(fù)高壓，因此引線部分應(yīng)有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩(wěn)定后應(yīng)按規(guī)定降低陰極電流以延長使用壽命。(2) 陽極陽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相互作用的空間。在恒定磁場和恒定電場的作用下，電子在此空間內(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換的