基于超声波应用于污泥预处理的高效性，能有效改善污泥脱水性能并促进污泥减量，对超声波声强及其对污泥脱水特性的影响进行深入研究。利用2种不同结构的超声波设备，通过声强变化反应空化效应的强弱，利用碘量法定量分析了超声氧化性的变化。以市政污泥为研究对象，根据声强及氧化性的测定分析了超声波对污泥含水率、颗粒粒径及分形维数变化的影响。
一、材料与方法
1.1实验材料与装置
实验所用的污泥为某污水处理厂经过二级处理后的活性污泥，其含水率为98.49%。研究中使用2种形式超声波设备，第1种设备的有效尺寸为400mm×100mm×100mm，超声波换能器由6个双频(25，45kHz)压电换能器并联组成放置于槽体底部，第2种设备的有效尺寸为200mm×100mm×100mm，在槽体侧面宽度方向有2个相对的换能器(25，45kHz)，在槽体侧面长度方向有3个为1组的换能器相对放置。实验装置还包括XO-1000D型探头式超声波细胞破碎仪、YCSQ2060型数字超声波声强测量仪、UV-2600型紫外分光光度计、HC103水分测定仪、马尔文激光粒度仪Mastersize2000。实验所用药品H2O2、碘化钾、钼酸铵均为分析纯。
1.2实验方法
(1)声强测试：对2种超声波设备在45kHz下进行声场分布测量比较，通过公式(1)对实测声强和声压之间进行计算转换：
式中：P为声压，Pa，I为声强，W/m2，籽为密度，kg/m3，c为声速，m/s。
以去离子水、含水率99.69%的污泥、含水率96.10%的污泥为介质测量声强变化，以去离子水为介质的条件下进行软件模拟与实测声压值的比较。
二、结果与讨论
2.1声强分布规律
2.1.1不同形式超声波设备对声强的影响
2种超声波设备的声压等值线图见图1、图2。由图1、图2可以明显看出第2种超声波设备的能量更集中且声压分布更为均匀。在一定范围内能量越集中空化气泡及气泡破裂时产生自由基的数量就越多，剪切力也越大，对打破污泥的聚集状态越有效。
2.1.2模拟与实验对比
使用软件建立了上述2种超声波设备模型并以水为介质进行了声压模拟，其声压等值面图见图3。
第2种超声波设备声能更加集中且其最大值可达到4.2×105Pa，产生的空化效应比第一种更强，这与能量输入方式及在液体中的衰减有关。对不同超声波设备分别取点对比模拟值与实测值发现，两者误差相对较小且变化规律极为相似。见表1。
2.1.3介质作用对声强的影响
为探究不同介质对超声声强的影响，对设备进行布点并比较3种介质下声强测试结果，声强受介质作用影响显著，超声波在液体中的传质效率高于固体，相同超声条件下固体对超声波声强有衰减作用。见表2。
2.2超声氧化性测定
超声波作用于液体时由于空化效应会产生局部高温高压，从而产生羟基自由基。自由基之间相互结合后生成H2O2，反应方程式见(2)，(3)。因此可以通过测定溶液中H2O2含量从而间接测定超声作用产生的自由基的量，进而评定超声氧化性的强弱。
采用碘量法测定H2O2的方程式见(4)，(5)：
根据H2O2的变化量定量分析了不同条件下超声氧化性的变化，实验结果见图4。
2.3污泥脱水特性研究
2.3.1污泥含水率分析
超声功率为90~450W时，经过抽滤后污泥含水率明显降低，可降至74.75%。但是超声功率继续增加至810W时，污泥含水率呈上升趋势。其原因是，在一定范围内超声功率越大空化效应越强，使得污泥中絮体结构被破坏后释放出结合水。但功率过大同样会降低污泥的脱水性能。功率在超声处理污泥过程中起到了非常重要的作用，450W时不仅氧化性最强，对污泥脱水特性的影响也最大。
处理量为60~80mL时污泥含水率明显降低，可降至75.12%。但是处理量为80~120mL时污泥含水率呈上升趋势，从75.12%增大至81.75%。处理量过低导致超声声能密度过大，产生声屏蔽效应从而降低脱水率，处理量过高时使得声能量密度较小，难以达到最佳处理效果。
2.3.2污泥粒度测试及分形维数分析
使用马尔文激光粒度仪对污泥颗粒进行测试，得到粒度分布曲线见图6。
三、结论
(1)对比不同空间点处超声波设备声强变化得出反应腔尺寸及换能器分布形式不同，声压分布不同，使得液体中产生空化作用的强度不同。