目前世界近90%的城市污水处理采用活性污泥法工艺,该种工艺一直存在一个很大的弊端,就是会产生大量的剩余污泥。污泥处理的投资和运行费用也相当巨大,可占污水处理厂总投资及运行费用的20～60%,成为城市污水处理厂所面临的沉重负担。随着城市人口的增长、市政服务设施的不断完善,相应的污泥产量显著增长。因此,如何经济有效地处理剩余污泥,减少污泥产量,保证污水处理厂的正常运行和处理效果,实现剩余污泥资源化的研究,是污水处理研究领域中的重要课题。剩余污泥中大多数有机物质存在于微生物细胞内,微生物细胞的细胞壁是一稳定的半刚性结构,起着保护细胞的作用。细胞壁属于生物难降解惰性物质,破解较为困难,这使得污泥消化过程需要较长的停留时间。为缩短污泥消化时间,减少污泥量和消化池的体积,国内外学者对污泥破解进行了大量研究。污泥破解的目的是破坏污泥的结构及细胞壁,使污泥絮体结构发生变化,细胞内含物流出,进入水相,把难降解的固体性物质变为易降解的溶解性物质。研究采用水力空化方法,利用水力空化过程所产生的高温(局部温度可达200-300℃)、高压、强冲击波(其冲击频率可高达2000-000Hz)、高速微射流等极端条件来实现污泥的调质和生物细胞破解。由于污泥成分复杂,其中的微生物种类多样,定量测定细胞破解率十分困难,研究通过测定污泥液相中化学需氧量、蛋白质和核酸浓度相结合的方法排除细胞种类多样和杂质成分的干扰。污泥的水力空化破解过程是一个复杂的多变过程,从理论机理上研究难度很大,本次研究以大量的检测数据分析为基础,并设计物理模型实验,分析空化器设计参数、水力学参数与细胞破解效率间的相关关系,并以此为基础分析和讨论水力空化法破解污泥的效率和可行性。研究利用自制水力空化实验装置,采用实验测定对比样品溶出物化学需氧量蛋白质和核酸浓度的方法分析水力空化器设计参数、水力学参数与细胞破解率的相关关系；建立数理方程,分析主要参数的敏感性,结合实验结果分析水力空化法破解剩余污泥细胞的效率和可行性,分析和探索水力空化过程破解污泥的内在规律,并为该法的中试研究提供科学依据。利用空化作用对剩余污泥进行破解,可以使污泥细胞内物质溶出进入水相,改变污泥特性,减少污泥固体量,既能促进后续污泥消化速率,提高生物气产率,也会影响污泥脱水性能,还有可能形成新的零剩余污泥排放处理工艺。研究应用通气旋转孔板空化器,破解城市污水厂剩余污泥,研究水力空化破解污泥细胞的若干基础理论问题。主要内容有空化破解污泥沥出液的溶出机制,即：空化器运行参数(空化数、通气比、空化处理时间等)与污泥细胞内含物溶出率之间的关系；与超声空化法对比,破解后污泥脱水性能变化；并研究将剩余污泥破解后进行好氧消化的速率变化情况,探索剩余污泥好氧消化的新工艺。由正交实验结果分析可知,空化器的运行参数：通气比、空化数及空化处理时间对胞内含物的溶出率均有较大的影响,空化数对单位时间溶出量的影响较大,通气比的影响次之,空化处理时间越长,溶出率就越高。空化作用的产生会消耗大量的能量,处理时间越长,能耗也会随之增加。综合分析能耗和SCOD单位时间溶出率因素,水力空化系统破解处理剩余污泥,空化器的最佳运行参数为,空化数为1.8左右,通气比为1.4%左右,此时空化器运行的单位能耗约为530W/kg,按空化处理30分钟计算,采用水力空化法处理每一立方米的污泥,耗能约为954MJ,与超声波法破解每一立方米的污泥1792MJ的能耗相比节省能量约46.8%,同时在前15分钟还可以得到较高的SCOD单位时间溶出率(0.06%/s)。实验研究表明：经水力空化处理后的污泥,其沉降性能和过滤性能均有一定程度的恶化。分析原因主要在于,水力空化作用破坏了细胞壁结构使胞内含物溶出进入水相,使得污泥的沉降性能和过滤性能变差。好氧消化实验结果表明,经空化处理后的污泥具有更高的消化反应速度,在第20天时,经过空化处理的污泥的TS和SCOD去除率分别为52.9%和56.8%,未经空化处理的污泥样品,其TS和SCOD去除率分别仅为35.6%和38.3%。说明水力空化作用有效地破解了污泥细胞,使污泥细胞内含物溶出,同时部分降解了蛋白质、多糖等大分子,因而大大加快了好氧消化反应的速率,虽然在消化反应初期空化处理的污泥沉降和过滤性能较差,但在后期(消化反应进行到15天以后)其过滤性能逐渐优于未经空化处理的污泥,因此,水力空化处理剩余污泥对于加快好氧消化过程,促进消化后期的污泥脱水是十分有利的。研究提出了游离气核模式,有效地解释了原始气核是空化的起源,而空化作用的最终强度又与原始气核的数量无关的现象,提出了空泡溃灭的热点作用和负压作用不断地产生新的游离气核形成了空化作用的起源,并以此为基础,从气核发展成为空泡后溃灭的微观角度,分析了空化作用破解污泥细胞的过程和机理。应用量纲分析法,将液体的粘性和表面张力系数引入到空化参数中。进而建立了水力空化破解污泥细胞的数学模型。通过模型计算分析了空化数、粘性系数、表面张力系与破解效果之间的关系。结果表明：空化参数越小,有效作用区内的游离气核数多,空化作用的强度大。模型计算结果表明当液体的粘性增大时,空化过程对污泥细胞的破解作用明显减弱,当粘性系数增加10个百分点时,溶出率减少了66.1%。当表面张力系数增加10个百分点时,溶出率减少6.93%.说明适当提高污泥的温度以及减小其粘性以及使用表面活性剂,减小表面张力系数,会大大提高水力空化的破解效果和降低空化过程的能耗。本次研究设计制造了新型空化器,并在实验室空化处理剩余污泥,空化器的空化腔容积为8.24×10-51m3,对污泥样品循环处理,空化系统实际运行时间与有效空化时间的比值为26,这样的空化装置在工业上应用显然是不经济的,进一步的实验研究应扩大空化腔的容积并且采用多个空化器串联和并联。这就需要对空化过程的尺度效应以及空化器串、并联引起的附加能耗等因素进行进一步的分析和研究。机理分析中提出了游离气核模式并以此为基础建立了细胞破解模型很好地解释了最终稳定空化作用强度取决于空化参数的大小而与原始气核数量不存在明显正相关关系的现象。但游离气核模式提出的所谓游离气核产生的原因,即,空化过程的热点效应和负压作用可以在液体内部不断地产生新的游离气核。对于这一理论,由于目前还没有有效的观测手段,尚缺少相关的实验研究加以证实。模型研究将污泥细胞概化成等直径的球体,这与实际情况存在很大的差异,实际上剩余污泥中无论是组成成分还是污泥细胞的具体形态结构都存在差很大的差别,模型研究对于从微观上解释水力空化破解细胞的过程和机理,建立各项参数与破解效果的响应关系具有一定的理论意义,但定量分析的结果存在较大的误差,实际上水力空化的产生、发展及其破解污泥细胞的过程从某种意义上讲是随机的,进一步的理论研究应引入随机过程的数学理论。总的来说,本次研究通过实验研究和理论分析,对水力空化作用破解污泥细胞的过程和机理进行了系统的研究,研究结果表明,水力空化是一种能耗低、无二次污染的污泥处理方法。但要将水力空化方法直正应用于生产实际,尺度效应的影响和破解机理等理论的进一步完善等问题还需要进一步的研究。