超聲處理

超聲處理主要是利用它的功率特性和空化作用，改變或者加速改變物質的某些物理、化學、生物特性或狀態。

利用強超聲波進行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱氣、醫療、種子處理等，已經廣泛地應用工業、農業、醫療衞生等各個部門。

在工業上，利用強超聲波對鋼鐵、陶瓷、寶石、金剛石等堅硬物體進行鑽孔和切削加工。平時我們用錘子和鋼釺可以一下一下地將堅硬的岩石打出洞來，超聲加工也是這個道理。如圖1所示，緊壓在工件上的金屬桿叫變幅杆，當繞在它上面的線圈中通過交變電流時，它便產生超聲振動而不斷地敲擊工件。變幅杆下端與工件之間放有金剛砂一類的高強度磨料。在杆的衝擊下，磨料的顆粒就像被錘子敲擊的鋼釺一樣鏨削着工件。雖然變幅杆的伸縮量很小（只有幾十微米），每次的加工量很小，但由於超聲源的頻率很高，每秒鐘振動在20000次以上，所以工件被“蠶食”的速度是很快的。變幅杆底端的形狀是什麼樣，加工出的工件形狀也是什麼樣。所以，利用超聲可以加工出形狀複雜的零件，而且加工的精度和光潔度也都很高。 ^[1] 

污泥的脱水性能很大程度取決於污泥的結構。改變污泥的結構可以大大提高污泥的脱水性能，污泥量也會大幅度減少。菌膠團具有良好的保水性，內部包含水約佔總水量的25%，這些菌膠團使污泥水分難以脱除，利用超聲波可以破壞菌膠團。聲能密度為0.11~0.22W/mL的超聲波處理可以破壞菌膠團強度結構，使菌膠團內部包含水排出，同時保持較大的污泥顆粒，污泥的沉降性有所提高。而且超聲波在水中產生的各種效應受頻率影響很大，低頻（＜100kHz）機械效應較好，高頻化學效應較強，由於污泥處理主要利用超聲波的機械效應，因此低頻下效果較好。41、207、360、616、1068、3217kHz下的超聲波處理污泥菌膠團結構的效率隨着超聲波頻率的升高而降低，41kHz下處理效率是3217kHz下處理效率的9.7倍，因此污泥處理中通常利用不超過40kHz的超聲波。

對於大量污泥的處理，超聲技術可作為一種預處理技術與其他方法如厭氧、好氧處理技術聯用，然而對於每一種應用，超聲能量輸入和細胞分解程度及厭氧消化時間都有優化組合。Ying·ChihChu等研究了超聲與鹼解聯合破解污泥的效果，實驗得出投鹼和超聲波同時作用比單獨的投鹼處理效果更高。據有關報道，德國利用超聲波進行污泥減量已進入實際應用階段，而國內在這方面的研究基本上處於初步實驗研究階段，仍需進一步爭取進入實用階段。污水污泥處理中常採用絮凝技術，這是一種處理效率高、既經濟又簡單的物化處理技術。絮凝劑已成為污泥脱水的首要選擇，很多文獻表明，添加絮凝劑是對污泥有效的處理方式。化學調理過程本身就是化學反應過程，超聲波對均相和非均相反應體系一般都有強化效果，也促進了絮凝劑水解、凝聚和絮凝過程的進行。

JanuaryBBien等認為超聲波能改變作為絮凝劑的高分子電解質的結構，從而提高脱水性能。表面電勢是衡量脱水性能的一個重要參數，在污泥中加入高分子電解質可以改變其表面電勢。超聲波作用高分子電解質一定時間，可以使電解質分支減少，鏈節變短，更有利於脱水。另外，超聲對污泥進行預處理，還可以縮短厭氧發酵時間，減少絮凝劑的使用量。Wolny等的研究表明，通過超聲場的作用對脱除污水污泥中的水含量有明顯的作用。超聲的作用是改變高分子電解質的內部結構，當超聲時間和頻率選擇合適時，可提高脱水的效率，不過這個時間的選擇根據高分子電解質的類型會不同。在超聲處理15s後添加聚合高分子電解質3mg/g，可以使污泥的體積減少至原來的50%。超聲處理5~10min時活細菌數量大大減少。超聲作用幾十秒，就可以減少絮凝劑用量的50%，污泥脱水後的體積比無超聲處理的減少65%。超聲波促進脱水的常見工藝為：城市污泥-重力沉降-超聲波處理-機械脱水。超聲波能有效的破壞菌膠團結構，將其中內部包含水釋放成為可以比較容易去除的水分。E.Riera-FrancodeSarabia等把高能超聲運用到分離過程中，以促進流體/固體顆粒的分離。他們指出，儘管在液態懸浮體系中，團聚作用不如氣體中明顯，然而超聲能量可以有助於高濃度細小顆粒體系比如料漿和污泥的脱水。他們的研究顯示，頻率在10和20kHz下，超聲可以促進過濾過程固、液的分離。 ^[2]