1、問問 題題檢測超聲檢測超聲功率超聲功率超聲信息載體信息載體能量載體能量載體金屬探傷金屬探傷水下定位水下定位醫(yī)學(xué)診斷醫(yī)學(xué)診斷微電子微電子力學(xué)效應(yīng)力學(xué)效應(yīng)化學(xué)效應(yīng)化學(xué)效應(yīng)熱效應(yīng)熱效應(yīng)生物效應(yīng)生物效應(yīng)高強(qiáng)度超聲高強(qiáng)度超聲波間接強(qiáng)化波間接強(qiáng)化生物處理生物處理低強(qiáng)度超聲低強(qiáng)度超聲波直接強(qiáng)化波直接強(qiáng)化生物處理生物處理v原理原理：廢水中難降解的有機(jī)污染物在高強(qiáng)度超聲波：廢水中難降解的有機(jī)污染物在高強(qiáng)度超聲波作用下發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂、水相燃燒、高溫分解及作用下發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂、水相燃燒、高溫分解及自由基反應(yīng)等，從而使其得到氧化降解；自由基反應(yīng)等，從而使其得到氧化降解；v目的目的：降解水中的化學(xué)污染物，尤其是難降

2、解的有：降解水中的化學(xué)污染物，尤其是難降解的有機(jī)物，減少廢水的生物毒性，常用作生物處理的預(yù)機(jī)物，減少廢水的生物毒性，常用作生物處理的預(yù)處理工藝。處理工藝。研究方向應(yīng)用前景影響因素強(qiáng)化機(jī)理v 促進(jìn)傳質(zhì)，提高微生物活性促進(jìn)傳質(zhì)，提高微生物活性v 直接作用于生物反應(yīng)器，提高生物反應(yīng)的效率直接作用于生物反應(yīng)器，提高生物反應(yīng)的效率v生物、物理與環(huán)境的學(xué)科交叉生物、物理與環(huán)境的學(xué)科交叉v目前研究尚處于起步階段目前研究尚處于起步階段機(jī)械傳質(zhì)作用 加熱作用 空化作用v加熱作用：超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，其能量不加熱作用：超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，其能量不斷地被傳播介質(zhì)吸收而使介質(zhì)的溫度升高斷地被傳播介質(zhì)吸收而

3、使介質(zhì)的溫度升高v在生物反應(yīng)過程中，加熱作用不是主要作用方式，在生物反應(yīng)過程中，加熱作用不是主要作用方式，但是重要的影響因素之一但是重要的影響因素之一強(qiáng)化機(jī)理v機(jī)械傳質(zhì)作用：超聲波可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動狀態(tài)，機(jī)械傳質(zhì)作用：超聲波可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動狀態(tài)，從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，加速質(zhì)量傳遞作用。從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，加速質(zhì)量傳遞作用。v在聲強(qiáng)作用下振動的氣泡，在其界面層周圍相對于微在聲強(qiáng)作用下振動的氣泡，在其界面層周圍相對于微聲流會產(chǎn)生液體的圓周運(yùn)動，從而有利于反應(yīng)底物進(jìn)聲流會產(chǎn)生液體的圓周運(yùn)動，從而有利于反應(yīng)底物進(jìn)入酶生物催化劑的活性部位及其產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中的傳入酶生物催化劑的活性部位

4、及其產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中的傳質(zhì)作用，提高了生物反應(yīng)的速度。質(zhì)作用，提高了生物反應(yīng)的速度。 強(qiáng)化機(jī)理v空化作用：液體中氣泡在聲強(qiáng)作用下發(fā)生的一系列動力空化作用：液體中氣泡在聲強(qiáng)作用下發(fā)生的一系列動力學(xué)過程。在壓力波的作用下，液體中分子的平均距離隨學(xué)過程。在壓力波的作用下，液體中分子的平均距離隨著分子的振動而變化，當(dāng)對液體施加足夠的負(fù)壓時，分著分子的振動而變化，當(dāng)對液體施加足夠的負(fù)壓時，分子間距離超過保持液體作用的臨界分子間距，就會形成子間距離超過保持液體作用的臨界分子間距，就會形成空穴，即空化泡。空穴，即空化泡。v聲強(qiáng)大于聲強(qiáng)大于10w/cm2 -瞬態(tài)空化，瞬態(tài)空化， 聲強(qiáng)小于聲強(qiáng)小于10w/cm2

5、-穩(wěn)態(tài)空化穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)化機(jī)理v瞬態(tài)空化：高聲強(qiáng)條件下，空化泡迅速漲大并且破裂，瞬態(tài)空化：高聲強(qiáng)條件下，空化泡迅速漲大并且破裂， 同時泡內(nèi)產(chǎn)生高溫和空壓，導(dǎo)致自由基形成及產(chǎn)生強(qiáng)同時泡內(nèi)產(chǎn)生高溫和空壓，導(dǎo)致自由基形成及產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波和射流。大沖擊波和射流。v應(yīng)用：高強(qiáng)度超聲波降解廢水中有機(jī)污染物應(yīng)用：高強(qiáng)度超聲波降解廢水中有機(jī)污染物 。v破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者使酶失活，不能直接用于強(qiáng)化生物破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者使酶失活，不能直接用于強(qiáng)化生物處理過程處理過程 。強(qiáng)化機(jī)理 穩(wěn)態(tài)空化：低聲強(qiáng)條件下，空化泡的大小變穩(wěn)態(tài)空化：低聲強(qiáng)條件下，空化泡的大小變化是有規(guī)律而和緩的，并以非線性的方式在媒質(zhì)化是有規(guī)律而和緩的，并以非

6、線性的方式在媒質(zhì)中震蕩若干個聲周期，使其周圍的酶或細(xì)胞顆粒中震蕩若干個聲周期，使其周圍的酶或細(xì)胞顆粒受到微聲流作用下的切應(yīng)力的作用，這種空化即受到微聲流作用下的切應(yīng)力的作用，這種空化即為穩(wěn)態(tài)空化為穩(wěn)態(tài)空化 。強(qiáng)化機(jī)理v對細(xì)胞產(chǎn)生的破壞很小，并能有效促進(jìn)可逆滲透，加對細(xì)胞產(chǎn)生的破壞很小，并能有效促進(jìn)可逆滲透，加強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸，減少次生代謝產(chǎn)物的積累對微強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸，減少次生代謝產(chǎn)物的積累對微生物代謝的抑制作用，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的合成生物代謝的抑制作用，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的合成。v可直接作用于生物反應(yīng)器，通過增強(qiáng)微生物活性來提可直接作用于生物反應(yīng)器，通過增強(qiáng)微生物活性來提高生物處理效率高生物處理效

7、率v低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理的理論基礎(chǔ)低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理的理論基礎(chǔ)強(qiáng)化機(jī)理048121620242832364044480.10.20.30.40.50.60.7 our our controltime (h)our (mg(gmin)-1)3032343638404244 dhadha (ug(mgh)-1)changes of our and dha of as after ultrasonic irradiationv發(fā)酵過程中溶解性發(fā)酵過程中溶解性co2 （ dco2 ）的濃度過高，會對）的濃度過高，會對細(xì)胞生長產(chǎn)生抑制作用，低強(qiáng)度超聲波輻照可以有效細(xì)胞生長產(chǎn)生抑制作用，

8、低強(qiáng)度超聲波輻照可以有效降低降低dco2的溶解度，從而促進(jìn)細(xì)胞生長的溶解度，從而促進(jìn)細(xì)胞生長 v低強(qiáng)度、短周期的超聲波處理可促進(jìn)胞外酶的產(chǎn)率低強(qiáng)度、短周期的超聲波處理可促進(jìn)胞外酶的產(chǎn)率 v超聲波促進(jìn)微生物酶產(chǎn)生變異超聲波促進(jìn)微生物酶產(chǎn)生變異 強(qiáng)化機(jī)理 影響因素影響因素影響方式影響方式頻率頻率頻率不宜過高，頻率不宜過高，多選用多選用20-50khz功率功率存在最佳超聲功率，過大則生物活性降低存在最佳超聲功率，過大則生物活性降低時間和間隔時間和間隔輻照時間不宜過長，間隔時間不宜過短輻照時間不宜過長，間隔時間不宜過短其他其他影響因素影響因素溫度、溶解性氣體、懸浮粒子、反應(yīng)器的溫度、溶解性氣體、懸浮粒

9、子、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和微生物的特性等結(jié)構(gòu)和微生物的特性等 ，互相影響，互相影響v液體中包含的氣核滿足高斯分布，設(shè)液體中具有最大液體中包含的氣核滿足高斯分布，設(shè)液體中具有最大數(shù)目的氣核半徑為數(shù)目的氣核半徑為r0，則當(dāng)超聲頻率等于具有，則當(dāng)超聲頻率等于具有r0半徑半徑氣核的共振頻率時，促進(jìn)生物活性的效果最好，低于氣核的共振頻率時，促進(jìn)生物活性的效果最好，低于此頻率或高于此頻率均有所下降。此頻率或高于此頻率均有所下降。v頻率高，空化閾增大，聲空化過程難以發(fā)生頻率高，空化閾增大，聲空化過程難以發(fā)生v頻率高，聲波的傳播衰減增大，增加了能量消耗頻率高，聲波的傳播衰減增大，增加了能量消耗v因此，超聲頻率多選用因

10、此，超聲頻率多選用20-50khz。影響因素蘆薈樹脂細(xì)胞經(jīng)不同強(qiáng)度超聲輻照后蘆薈樹脂細(xì)胞經(jīng)不同強(qiáng)度超聲輻照后15天內(nèi)細(xì)胞重量的增加率。天內(nèi)細(xì)胞重量的增加率。20khz1w和和 2w 的的超聲波顯著促進(jìn)超聲波顯著促進(jìn)細(xì)胞增長，細(xì)胞增長， 5w和和10w對細(xì)胞增對細(xì)胞增長產(chǎn)生抑制作用，長產(chǎn)生抑制作用，3w對細(xì)胞增長對細(xì)胞增長作用不明顯。作用不明顯。影響因素不同超聲波功率對脆壁克魯維氏酵不同超聲波功率對脆壁克魯維氏酵母菊糖酶的活力的影響母菊糖酶的活力的影響超 聲 波 強(qiáng) 度超 聲 波 強(qiáng) 度10w以下，酶的以下，酶的活力隨著超聲波活力隨著超聲波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)度的增加而增加，大于加，大于10w，酶的

11、活力迅速下酶的活力迅速下降，降，15w部分酶部分酶失活失活。20khz影響因素不同超聲處理時間對不同超聲處理時間對啤酒酵母細(xì)胞數(shù)目及干重啤酒酵母細(xì)胞數(shù)目及干重的影響的影響細(xì)胞數(shù)目和干重隨輻照時細(xì)胞數(shù)目和干重隨輻照時間的延長而增加，間的延長而增加，45min時效時效果最好，果最好，60min時有所下降。時有所下降。影響因素32.5khz30w強(qiáng)化有機(jī)廢水生物處理強(qiáng)化有機(jī)廢水生物處理v菌種菌種: saccharomyces cerevisiae c-2324v處理廢水：葡萄糖模擬廢水處理廢水：葡萄糖模擬廢水v反應(yīng)裝置：反應(yīng)裝置：2個個5l的密閉圓柱形反應(yīng)器，其中一個反應(yīng)的密閉圓柱形反應(yīng)器，其中一個

12、反應(yīng)器底部裝有超聲波系統(tǒng)，進(jìn)行對照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)器底部裝有超聲波系統(tǒng)，進(jìn)行對照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，保證嚴(yán)格厭氧。反應(yīng)器如圖所示：運(yùn)行，保證嚴(yán)格厭氧。反應(yīng)器如圖所示：消光度：反映生物量濃消光度：反映生物量濃度。在超聲輻照以及停度。在超聲輻照以及停止期間，持續(xù)升高。相止期間，持續(xù)升高。相應(yīng)生物量濃度從應(yīng)生物量濃度從0.12 g/ l升高到升高到0.4g/l。葡萄糖濃度，從葡萄糖濃度，從0.8降低降低到到0.5g/l超聲密度：超聲密度：0.3w/l超聲輻照后可能引起微生物膜通超聲輻照后可能引起微生物膜通量的改變和酶的變化。量的改變和酶的變化。消光度和葡萄消光度和葡萄糖濃度基本上糖濃度基本上沒

13、有變化沒有變化可能的原因：超聲輻照只能強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)新陳代謝過程可能的原因：超聲輻照只能強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)新陳代謝過程中的一些步驟，而對其他步驟反而會產(chǎn)生抑制作用，因中的一些步驟，而對其他步驟反而會產(chǎn)生抑制作用，因此持續(xù)的輻照對微生物活性沒有強(qiáng)化效果。此持續(xù)的輻照對微生物活性沒有強(qiáng)化效果。采用采用12w/l超聲進(jìn)行輻超聲進(jìn)行輻照，并與無照，并與無超聲波進(jìn)行超聲波進(jìn)行對照，葡萄對照，葡萄糖濃度和細(xì)糖濃度和細(xì)胞個數(shù)都基胞個數(shù)都基本相同本相同 高強(qiáng)度超聲對生物活性沒有強(qiáng)化效果高強(qiáng)度超聲對生物活性沒有強(qiáng)化效果加入超聲輻照后，加入超聲輻照后，酒精濃度增至酒精濃度增至18-30g/l無超聲輻照，酒精濃度無超聲輻照，酒

14、精濃度為為3-12g/l采用低強(qiáng)采用低強(qiáng)度超聲輻照度超聲輻照可加速發(fā)酵可加速發(fā)酵反應(yīng)，提高反應(yīng)，提高酒精的產(chǎn)量。酒精的產(chǎn)量。反應(yīng)器的頂部和側(cè)面會發(fā)生反射，造成部分區(qū)域超反應(yīng)器的頂部和側(cè)面會發(fā)生反射，造成部分區(qū)域超聲波的疊加或抵消。聲波的疊加或抵消。聽音器測量水中超聽音器測量水中超聲波的分布聲波的分布強(qiáng)化果汁生產(chǎn)廢水生物處理強(qiáng)化果汁生產(chǎn)廢水生物處理v處理廢水：果汁生產(chǎn)廠廢水，處理廢水：果汁生產(chǎn)廠廢水，cod=20000mg/l，no3-n=200mg/l，vcod采用好氧方法進(jìn)行處理，采用好氧方法進(jìn)行處理，no3-n采用厭氧過程。采用厭氧過程。v污泥取自某城市污水廠，總量污泥取自某城市污水廠，總

15、量1l，加入，加入200l污水。每次污水。每次反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)器中污水全部倒掉，留下約反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)器中污水全部倒掉，留下約1l的污泥。的污泥。sbr反反應(yīng)器：應(yīng)器：300l超聲超聲波發(fā)波發(fā)生器：生器：8.6l熱交換器熱交換器25khz 超聲密度為超聲密度為0.5w /l時，沒有明顯的時，沒有明顯的強(qiáng)化效果；強(qiáng)化效果； 超聲密度為超聲密度為1-2 w/l時，降解速率時，降解速率最快；最快； 超過超過1-2w/l，降解，降解速率反而降低。速率反而降低。無超聲波無超聲波強(qiáng)化強(qiáng)化最佳最佳 減弱減弱破壞破壞 最佳超聲波強(qiáng)度是一個很窄的范圍，要進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇最佳超聲波強(qiáng)度是一個很窄的范圍，要進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇

16、。1.5no3-n 與好氧葡萄糖超與好氧葡萄糖超聲降解情況相似。聲降解情況相似。 最佳超聲密度為最佳超聲密度為0.9w/l。no3-n無超聲波無超聲波強(qiáng)化強(qiáng)化 最佳最佳 減弱減弱破壞破壞 比好氧比好氧cod降解所需最佳超聲密度有所下降降解所需最佳超聲密度有所下降0.9分析項(xiàng)目分析項(xiàng)目無超聲波無超聲波1.5w/l超聲波超聲波反應(yīng)器造價反應(yīng)器造價10.3m3:109604.6m3: 5472曝氣曝氣5.3kw:128152kw:7264超聲波設(shè)備超聲波設(shè)備-15kw:69444總投資總投資2377582180運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)行費(fèi)用0.089/m30.44m3對經(jīng)濟(jì)分析的分析v該超聲波強(qiáng)化污水生物處理實(shí)驗(yàn)

17、采用該超聲波強(qiáng)化污水生物處理實(shí)驗(yàn)采用的是每次將反應(yīng)的是每次將反應(yīng)器中的懸浮污泥完全循環(huán)一遍，因此所需要的超聲波器中的懸浮污泥完全循環(huán)一遍，因此所需要的超聲波發(fā)生器的投資及其所消耗的電能較高，費(fèi)用昂貴，不發(fā)生器的投資及其所消耗的電能較高，費(fèi)用昂貴，不具有實(shí)際應(yīng)用價值。具有實(shí)際應(yīng)用價值。 因此，需要開發(fā)新的高效超聲波輻射反應(yīng)器因此，需要開發(fā)新的高效超聲波輻射反應(yīng)器048121620242832364044480.10.20.30.40.50.60.7 our our controltime (h)our (mg(gmin)-1)3032343638404244 dhadha (ug(mgh)-1)

18、control1/6h8h1/6h8h1/6h8h0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.83rd us2nd usour ( mg (g min)-1 )time ( h )1st us a:ourcontrol 1/6h8h24h1/6h8h24h1/6h8h24h0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.83rd us2nd usour ( mg.(g.min)-1 )time ( h )1st usa:our05101520253035404550556065343638404244(a) dha (ug (mg h)-1)time ( h ) aft

19、er 1st us exposure after 2nd us exposure after 3rd us exposure after 4th us exposure regression line control020406080100343638404244(b) dha ( ug (mg h)-1)time (h) after 1st exposure after 2nd exposure after 3rd exposure control 08162432404856010020030040050060070080030%20%10%5%3%1%0.5% influent r1 e

20、ffluent r2 effluent re (cod)time (d)cod (mg l-1)-4-3-2-1012345678re (cod) (%)02468101210203040506070 r1 effluent r2 effluent cod / mg.l-1time (d)3004005006007008009001000 influentcod / mg.l-1/ %us+rtrtus+ltlt0.00.10.20.30.40.50.6 aour / mg (g min)-1us+rtrtus+ltlt05101520bdha / ug (mg h)-1初沉池初沉池曝氣池曝氣

21、池二沉池二沉池 傳統(tǒng)生物處理法：處理傳統(tǒng)生物處理法：處理量大，效率高，費(fèi)用低廉，量大，效率高，費(fèi)用低廉，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 水質(zhì)水量變化大，或者水質(zhì)水量變化大，或者含有難降解的物質(zhì)含有難降解的物質(zhì) ，處，處理效果不佳理效果不佳北方地區(qū)冬季氣溫較低，生北方地區(qū)冬季氣溫較低，生物處理效率不高物處理效率不高 不需額外的不需額外的土建設(shè)施，易土建設(shè)施，易于實(shí)現(xiàn)。于實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)化膜強(qiáng)化膜-生物活性炭工藝處理微污染水源水生物活性炭工藝處理微污染水源水v處理廢水：微污染水源水處理廢水：微污染水源水,cod=4.75mg/lv強(qiáng)化生物處理工藝：膜強(qiáng)化生物處理工藝：膜-生物活性炭工藝。生物活性炭工藝。反應(yīng)器有效容

22、積反應(yīng)器有效容積30l。系統(tǒng)內(nèi)水力停留時間。系統(tǒng)內(nèi)水力停留時間1.5h，溶解氧為，溶解氧為4-6mg/l，水箱水箱鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)超聲波超聲波發(fā)生器發(fā)生器超聲波超聲波換能器換能器一體式生物一體式生物膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器膜組件膜組件出水出水反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行。超聲波反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行。超聲波每每24小時處理小時處理20分鐘分鐘0.005.0010.0015.0020.0025.0030.000246810 12 14 16 18 20 22 24time(h)re(%)re: 有機(jī)物有機(jī)物去除率提高去除率提高的百分比。的百分比。提高傳質(zhì)速度提高傳質(zhì)速度促進(jìn)胞外酶的分泌及變異促進(jìn)胞外酶的分泌及變異 選擇每選擇每24小時處理一次的間隔時間小時處理一次的間隔時間45khz 膜生物反應(yīng)器工藝凈化微污染水，最佳超聲功率膜生物反應(yīng)器工藝凈化微污染水，最佳超聲功率0.33w/l.0.33w/l0.16w/l0.5w/l0.000.501.001.502.002.503.003.50020406080100120daysq(mg/g d-1)setting loadcontrol load5w10w有所增加有所增加明顯增加明顯增加 適當(dāng)強(qiáng)度超聲波可顯