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1、密 级公开学 号070386毕 业 设 计(论 文)微波辐射污泥系统设计 北京石油化工学院学位论文授权使用协议论文微波辐射污泥系统设计系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于北京石油化工学院学位论文全文数据库。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于非公开学位论文在保密期限过后同样适用。院系名称：机械工程学
2、院作者签名：学 号：2011 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学
3、校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定
4、，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书学院(系) 机械工程学院 专业 环境工程 班级 环071 学生姓名 指导教师/职称 周翠红 / 副教授 1.毕业设计(论文)题目微波辐射污泥系统设计2.任务起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 19 日3.毕
5、业设计(论文)的主要内容与要求(1) 课题简介由于污泥产生量大、脱水困难，微波辐射污泥系统作为一种污泥改性脱水较为有效的处理方法被广为使用。适当的微波辐射功率通过高频电磁场作用引起带电污泥颗粒的加速运动、相互碰撞，促使污泥结构脱稳；同时微波辐射引起污泥中产生的温度梯度，破坏了结合水与污泥胞外聚合物之间的结合力，从而改善了污泥的脱水性能。(2) 任务与要求本课题以微波辐射处理污泥脱水为重点内容，设计微波辐射污泥系统、通过试验得到高效的数据材料应用实际污泥脱水。综合运用知识，搜集并运用资料，调查研究，外语阅读及翻译，绘图，运算，上机软件操作，技术经济分析。(3) 预期培养目标本题目指导思想明确，选
6、题密切跟踪国外行业最新研究动态，能够使学生的文献查阅能力、英文文献翻译能力以及计算机综合应用能力等得到很好的训练及培养。(4) 应提交的成果 检索资料：中文文献不少于10篇，英文文献不少于4篇； 开题报告或文献综述； 微波辐射系统的设计计算； 设计图纸； 按照校方规定格式的毕业设计(论文)装订本。4.主要参考文献1 李延吉, 李润东, 冯磊, 等. 基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特J. 环境科学研究, 2009, 22(5): 544-5482 谢敏, 施周, 刘小波, 等. 微波辐射对净水厂污泥脱水性能及分形结构的影响J.环境化学, 2009, 28(3): 418-4213 范永平. 难
7、处理乳化油微波破乳离心分离技术研究D: 博士学位论文. 北京科技大学, 20064 Ewa Wojciechowska. Application of microwaves for sewage sludge conditioningJ. Water Research, 2005,23(39): 4749-47545 Andrew J.Johnson, Boulder，Robert D. Petersen, etal . Microwave Heating Apparatus andMethodP. United States, 4940865, 1990.1.105.进度计划及指导安排第1周
8、 接受题目，校内文献查阅，着手撰写文献综述；第2周 校外文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述；第3周 撰写修改文献综述，按照规定格式上交Word打印版，准备开题报告；第4周 确定总体结构(隧道式)、流程设计；第5周 确定隧道式微波辐射基本结构和参数设计计算；第6周 设计计算物料性质、辐射时间、辐射强度；第7周 检验设备结构设计是否符合整体流程设计要求；第8周 上机绘图CAD，运算；第9周 上机编程及软件操作；第10周 撰写论文；第11周 绘制图纸流程图；第12周 绘制图纸装配图；第13周 检查与修改图纸；第14周 最终修改论文并提交；第15周 整理资料，制作幻灯片；根据指导教师、
9、评阅教师意见修改论文及幻灯片；第16周 答辩及相关准备工作；根据答辩小组意见修改并上交毕设资料。任务书审定日期 年 月 日 系(教研室)主任(签字) 任务书批准日期 年 月 日 教学院(系、部)院长(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 计划完成任务日期 年 月 日 学生(签字) 摘 要随着城市人口的增长、经济的发展和居民生活水平的不断提高，污泥的处理在城市污水处理领域越来越受到关注。因此，对污泥采取微波辐射的预处理可以实现污泥的改性进而提高了污泥的脱水量及脱水效率，代表着成为今后处理城市污水的发展趋势。本论文为微波辐射污泥系统设计，主要包括：机械处理、微波发生、谐振腔加热、微
10、波提取等。根据流量参数进行系统构筑物的设计及选型，并对主体构筑物进行结构设计及理论计算。其中微波处理主要选用的是隧道式微波加热器和微波提取器，其主要优点有处理污泥量大、可连续性操作、经济性好等。结构设计主要包括隧道式箱体尺寸、防漏部件、磁控管的选型、波导管选型、微波提取罐尺寸及压力校核的设计。机械处理主要设计了卧式离心分离机的尺寸，对离心机的尺寸、功率、效率进行了理论计算。采用微波辐射技术预处理污泥，很好的进行了污泥的改性脱水，达到高经济、高效的处理目标正是要在污泥处理过程中要不断完善和改进的方向。关键词：污泥，微波，隧道式，离心分离AbstractWith the urban populat
11、ion growth, economic development and continuous improvement of living standards, the processing of sludge is more and more subjected to concern in wastewater treatment realm in the city. Therefore, adopt preparing of microwave radiation to the sludge the processing carry out the changing of dirty sl
12、udge , dehydration and heat these three varieties, raised the dehydration quantity and dehydration efficiency of dirty mire, represented to become to will handle the development trend of sewage in the city from now on.This sludge system design for the microwave radiation, including: mechanical treat
13、ment, microwave occurred cavity heating, microwave extraction. Traffic parameters according to the design and selection of the system structures, and structural design of the main structures and theoretical calculations. Where the main choices are the microwave treatment tunnel microwave heater and
14、microwave extractor, the main advantage of dealing with large amount of sludge can be a continuous operation, and good economy. Structurals design include: tunnel box size, leak-proof components, selection of the magnetron, wave guide selection, microwave extraction pressure check size and irrigatio
15、n design. Mechanical treatment mainly horizontal centrifuge design size, the centrifuge time, power, efficiency theory.Pretreating sludge by microwave radiation technology, good for the modification of sludge dewatering to achieve high economic and efficient treatment goals is what we in the sludge
16、treatment process to continuously refine and improve the direction.Key words：sewage sludge, microwave radiation, tunnel, centrifuge目 录第一章 前言11.1选题背景11.2研究意义21.3文献综述21.3.1 污泥处理手段21.3.2 国内微波研究应用现状31.3.3 国外微波研究应用现状51.4研究的基本内容，拟解决的主要问题71.4.1 研究的基本内容71.4.2 拟解决的主要问题8第二章 微波辐射的理论基础92.1微波辐射的基本原理92.1.1 微波的概述9
17、2.1.2 微波处理的理论概述102.2微波辐射的特点112.2.1 微波的特性112.2.2 微波处理的优点122.3微波辐射的结构132.3.1 微波辐射系统介绍132.3.2 微波辐射系统的结构14第三章 污泥前处理系统163.1系统设计参数163.2沉淀池的设计163.2.1沉淀池的设计说明163.2.2 主要尺寸的设计计算163.3加药装置183.4设备选型193.4.1 泵的选取193.4.2 水处理系统管道的选取21第四章 微波辐射发生装置234.1磁控管234.1.1 磁控管结构234.1.2 磁控管选型244.2波导器件264.2.1 波导管的设计264.2.2 波导的连接2
18、94.3微波加热器30第五章 微波辐射系统结构设计315.1设计步骤315.2隧道式箱形微波辐射系统设计315.2.1 微波辐射的基本关系式315.2.2 隧道式箱型微波加热器设计的一般原则335.2.3 隧道式微波辐射主要尺寸设计355.2.4 漏能抑制器的设计385.3微波提取装置415.3.1 微波提取器的设计415.3.2 壁厚的计算425.3.3 封头的结构设计435.3.4 控制系统445.4工艺的设计计算455.4.1 停留时间455.4.2 微波功率455.4.3 加热功率的计算465.5经济效益的计算48第六章 污泥后处理系统设计506.1螺旋压榨选型506.2离心分离的设计
19、526.2.1 离心机的结构及工作原理526.2.2 高干度离心机物理参数的确定53第七章 三维模拟567.1三维模拟的概述567.2辐射系统三维模拟57第八章 结论与展望598.1结论598.2微波辐射系统的展望59参 考 文 献61致 谢63声 明64第一章 前言1.1选题背景随着中国环境治理力度的加大，污泥处理能力的提高，截止到上世纪90年代，中国40个城市有78座污水处理厂；2000年超过400个污水处理厂如雨后春笋般冒出；到2010年，这个数字变成惊人的2389个。在城市污水和工业废水的处理过程中，现在通行的污水处理技术是通过微生物的代谢作用及物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到
20、剩余污泥中，其实质是污染物的相转移，即可溶性的污染物变成不可溶的固体1。在水质得到净化的同时，污水中的污染物质作为污泥被分离出来。可以说，污泥就是浓缩的污染物质。城市污泥它实际上是由污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集，一般是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降方法进行固液分离2。中国目前一年的干污泥的产量为900万吨，占总垃圾产量的0.3%，而且每年以10%以上的速度递增，污泥处理不当会造成二次污染。污泥的主要污染1在于污泥是一种既含有大量N、P、K等养分资源，又含有重金属、有机污染物和病原物等有害物质的混合物。湿污泥含水量高达80
21、%；而且有机质含量高，同时N、P、K含量高于农用含量不适宜堆肥同时病菌、微生物会导致污泥发臭。含水率过高不能进行堆积，堵塞渗沥影响排水。污泥变质产生的甲烷等温室气体4。目前，污泥的主要处置方式有填埋、焚烧、土地利用和综合利用等污泥处置方法中，污泥脱水是最重要的前处理过程，高效脱除污泥中的水分，成为经济、高效处理污泥的瓶颈。污泥脱水特性与污泥本身的理化特性有关2，如胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)的存在直接影响着污泥的脱水性能，EPS主要由DNA、蛋白质和多聚糖组成，当解体时内部物质会释放，调质处理技术会破坏胞外聚合物结构，可通过测定滤液中
22、胞外蛋白质含量和胞外糖含量、滤液中COD的变化间接说明EPS的结构变化，EPS的形态也会受到调质技术的影响。在短时间内破坏污泥稳定结构，明显改善污泥脱水性。微波辐射引起EPS扩散，污泥颗粒脱稳时，污泥脱水性开始有所改善；微波辐射引起污泥EPS进一步扩散及细胞壁开始破坏的初始阶段污泥脱水性最佳；过量微波辐射引起微生物细胞壁结构过度破坏、胞内物质大量溢出，进而破坏污泥脱水性。微波作为一种新型高效无污染能源已在工业、农业、医学以及家庭等领域内获得广泛应用。而微波技术与污泥处理相结合，解决脱水、改性等问题，尚处于研究及试验阶段，但其清洁、高效、无污染的特点，将可能使微波技术在工业脱水干燥领域中获得广泛
23、应用。1.2研究意义我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/4，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1/10。污泥处理部分只是简单的进行浓缩脱水外运，其中存在许多问题。普遍的运用较为成熟的污泥预处理方法：沉降、压榨等方法。随着微波领域的不断延伸，微波处理污泥作为先进的预处理污泥手段，应用到污泥处理过程中。污水污泥的处理在城市污水处理领域越来越受到关注，由于水是吸收微波最好的介质，微波处理技术具有节能高效、均匀加热、常规加热、降解有机物、低温杀菌的特性，特别是低温杀菌提供了一种能够较多保持污泥营养成分的加热杀菌方法，顺应了污泥农用的发展趋势。目前，较
24、为新颖、颇受关注的方法是采用微波辐射技术，这种技术目前已应用工业的干燥脱水等过程，如何更好的设计微波辐射污泥，达到经济、高效的处理目标也是需要考虑到的问题。1.3文献综述1.3.1 污泥处理手段污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类3，但一般都认为有4种存在形态如图1-1，即间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部结合水。图1-1 污泥中赋存水结构不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。因此，测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要意义(如表1-1)。表1-1 污泥中水分及其处理方法列表3类别存在位置约占总水分的比例处理方法描述备注游离
25、水或间隙水污泥颗粒之间65%-85%污泥浓缩吸附水和结合水只有通过高温加热或焚烧等方法，才能将这两部分水分离出来毛细水污泥颗粒间的毛细管内15%-20%机械脱水吸附水吸附在污泥颗粒上10%浓缩或机械脱水方法均难以分离结合水污泥颗粒内部10%改变污泥颗粒内部结构污泥调质是污泥浓缩和机械脱水前的处理，包括化学法、加热法、淘洗法、冷冻法和加骨粒法等。新型调质技术主要是超声、微波、热水解、磁场、电渗透、生物絮凝等，但是新型调质技术没有广泛投入工业化使用，更为重要的是调质技术的使用将会对后续的脱水工艺与设备有较大的影响作用，需要掌握好调质技术对污泥性质的影响程度，使其切实对机械脱水起到促进作用。1.3.
26、2 国内微波研究应用现状谢敏、施周等对污泥在2450MHz微波作用下的调质效果进行了研究8。污泥比阻随着微波功率的增大和辐射时间的增长而下降。超胶体颗粒的数量是影响污泥性能的重要因素，超胶体颗粒所占的比例愈少，脱水性能愈好。田禹等在对污水污泥微波辐射预处理的研究中也发现了类似的现象：带负电的污泥在微波高频率电磁场中，出现颗粒粗大化现象微波辐射处理后污泥的颗粒粒径及间隙明显增大。微波可以减少污水污泥中超胶体颗粒的数量，进而改善污泥的性质。微波辐射预处理对污泥沉降、过滤脱水性能的影响，并从粒度分布、污泥胞外聚合物(EPS)组分含量的变化解析相关机理，同时探讨微波辐射微生物EPS组分对污泥脱水性改善
27、作用7。邹继兆等10在2006年在微波加热原理的基础上，根据具体的实验要求，介绍了一套自行设计的多模谐振腔微波高温加热真空系统如图1-2。图1-2 微波加热系统结构框图工业用微波源的工作频率通常为2450MHz、915MHz这两种。波导用来将微波按一定的方式导入微波加热腔内；由于该系统设计要求是在真空或气氛保护条件下的高温加热，在腔体上设有气体导入导出口，出口与真空泵连接；在整个加热过程中，从升温到保温、降温都需要根据工艺来控制，这一过程通过程控系统控制微波功率来实现4。图1-3 真空微波加热系统的基本结构如图1-3该反应器的主体是由金属壁封闭的多模矩形谐振腔10；为了能使样品能快速加热，并达
28、到一定的高温，密封谐振腔内设有透波保温层；为使微波腔体中心处场强密度最大，达到中心处加热效果最佳，在谐振腔外设三组正交排列的微波管，微波管前的谐振腔上设有透波密封窗，微波腔上设有抽气口和进气口，抽气口与真空泵连接，进气口与充气系统连接。1.3.3 国外微波研究应用现状目前21世纪，众多学者通过实验研究了辐射技术对污泥脱水特性的影响19。水是微波加热的良好载体，波兰学者Ewa Wojciechowska研究了微波改性对污泥脱水性能的促进作用，研究结果表明对于未经消化的污泥效果较好，微波与絮凝剂同时使用的效果优于这两种方法的单独使用，使用微波改性技术后明显增加污泥悬浮液体中的BOD5和COD含量。
29、污泥微波加热技术在实际生产已经有成功应用，另外微波改性技术在原油脱水、降粘方面有着较好的效果，在污泥改性脱水方面的应用潜力较大。早在20世纪70年代，在德国首先安装了用于污泥消毒的辐射装置，微波辐射装置逐渐被用于污泥加热，促进污泥的消化和金属离子的去除等方面。20世纪90年代初，国外学者开始将微波技术引入污泥的处理，其技术优势表现为加热速度快、热效高、热量立体传递、设备体积小等。在1990年的时候Andrew J.Johnson， Boulder，Robert D.Petersen等人已经申请专利如图1-4所示，研发了微波辐射加热仪器：其中包括一个鼓，一个转盘，一个升降台，透视孔，通风谐振腔，
30、螺旋给料机和供应材料20。一个简单谐振腔适合用于加热废料和调整，以便把容器内的材料容易进入系统，并要求从谐振腔清除废气。另一项发明的目的是提供一个微波加热系统，不需要复杂的调节设备。另一个目的是提供一个微波加热系统，并提供了废气谐振腔中停留时间相对较短的灰尘。主要对于一个特性的废弃物处理问题，其中最特殊的是有关放射性废弃物的处理。在核工业的生产用水中可能包含放射性超铀同位素。从水中分离这些物质并用水合氢氧化物浓缩他们，使他们析出的过程。由于这个步骤，超铀同位素将从水淤泥中分离，出现在固态氢氧化物或氧化物中。这将是非常可取的诱捕和浓缩淤泥中的废氢氧化物和氧化物，从而进一步减少他们的体积。此外，这
31、个方法另一个可取的地方是将废气的水溶物质转变为干燥的物质。因此，本发明能够提供一个简单合适的共振腔为加热废物变得容易转运，同时也更容易维修系统，能有效的处理废气。图1-4 微波加热装置国外应用微波辐射进行预处理如图1-5所示，微波处理应用于钻井的油水土混合物的分离23。此图为国际石油工程师协会(SPE)发布的微波预处理钻井废弃物处理装置。设备运行时首先由微波发生器发生微波，经馈能装置输入微波加热器中；物料由传输系统送至加热器中，此时物料中的水分在微波能的作用下升温蒸发，水蒸气通过抽湿系统排除而达到干燥的目的。由于微波是直接作用于物料，所以脱水效果好、干燥温度低、速度快，有效成份的损失很小。图1
32、-5 连续处理钻井废物装置概要图图1-5工艺运行过程：钻井采出废物经过机械压榨处理，进入传送带进入谐振腔微波处理。微波腔两边反射抗流圈：1.用来反射电磁波防止泄露；2.扩大辐射的区域范围充分覆盖传送带空间。在反射圈和谐振腔内充入氮气，也是预防泄露的一种防范措施。通过谐振腔改性加热处理，会有水蒸气和油气产生通过收集装置汇集冷却，分离含油水。钻井废物处理完成，固体废弃物进行后续处理。实现了预处理效果，提高了油-水-土壤三项分离。微波源通过此磁控管产生多谐振荡波，通过波导进行传输，波导运用空心形状防止微波的衰减。经过放大器提高微波频率增强家人处理效果。国外在传统的工艺上进行改进22，如图1-6为多模
33、态的微波加热系统。图1-6 微波加热装置示意图(a) 基本多模态系统(b) 模组的多箱系统多模态的震荡发生器是由一个通过绕在微波信号发生器槽中的金属线圈组成，如在图1-6a中所表示的那样。微波的叠加和反射会导致一个新的驻波图形和方式。在一个已知频率带，如震荡发生器，能够维持一定数量的共振模。此工艺在传统的单模发展到多模态。其特点为腔内设计为4个磁控管均匀分布在腔体壁上，同时装有末态搅拌器进行微波搅拌。加工材料经过运送装置通过腔体，在吸收微波装置的保护下防止微波泄漏。大大提高了处理效率成功改进了传统的工艺技术。1.4研究的基本内容，拟解决的主要问题1.4.1 研究的基本内容本课题以微波辐射处理污
34、泥脱水为重点内容，设计微波辐射污泥系统在污泥处理的环节中的位置，以隧道式微波辐射污泥脱水为参考进行设计，主要内容如下：(1)比较国内外各种微波辐射装置的结构特点。(2)以隧道式微波辐射为设计要求，设计辐射系统的结构尺寸、磁控管、波导管和谐振腔系统。(3)绘制流程图、装配图以及零件图。(4)使用UG NX软件对主要部件，特别是谐振箱和波导管进行三维实体模拟。1.4.2 拟解决的主要问题(1)如何在设计中实现隧道式连续微波辐射的要求。(2)脱水过程中的流量、密封等问题。(3)辐射强度、辐射时间、添加剂投放进行设计计算。第二章 微波辐射的理论基础2.1微波辐射的基本原理2.1.1 微波的概述“微波”
35、也称超高频，通常是指波长为1m到1mm范围内的电磁波，对应的频率范围为300MHz到300GHz，它介于普通无线电波与红外线之间，在使用中为了方便将它分为分米波，厘米波和毫米波。一般用一些更狭窄的具体波段名称，如10cm波段 (S波段)，5cm波段 (C波段)，3cm波段 (X波段)，1.25cm波段(K波段)及8mm波段 (Q波段)等12。其中波段的微波测量系统是一般实验室中所常见的。微波中常用的频率单位为GHz。具体划分如下表2-1所示。表2-1 波段列表波段代号频率范围/GHz标称波长/cmL1.0-2.022S2.0-4.010C4.0-8.05X8.0-12.53K18.0-27.0
36、1.25Q27.0-40.00.8微波辐射处理时，伴随着电磁波向材料内部的穿透，有一个电磁能自动向内部的传递过程，材料吸收微波能量是内外部与表面同时进行的，可以认为微波加热是一种体加热。微波对物料除了上述的加热作用外，还存在所谓的“非热效应”，反应体系温度在远低于常规加热温度时，与常规加热具有相同的产率或更快的化学反应速度；而且有时还伴有新物质生成；在常规加热条件下不能进行或很难进行的化学反应，在微波作用下变得可行。2.1.2 微波处理的理论概述众所周知，微波是一种电磁波，简单的说它是以一种电场和磁场直交的方式，交变地向周围传播13。这种电磁场状态可用麦克斯韦方程式来描述，用MKS(米千克秒)
37、制量纲表示的一组用矢量表示的方程组 (2-1)式中：D电磁场密度(电位变化)；B磁通密度；电荷电量；J电流；H磁场强度；E电场强度；div和rot用矢量表示的微分。此外被加热物体的物理特性，亦可表示为： (2-2) (2-3) (2-4)式中：介电常数；磁导率；电导率；初始电流。当在介电体上加微波电场后产生 (2-5)此时，电位变化D与静电场E成正比，微波频率增高，D相对于E产生滞后相位角，即 (2-6)如果只看其实数部分，对于，产生 (2-7)如果用Maxwell方程式中的的公式解释，上式第一项可看为传导电流，而第二项则表示由于电磁场密度变化而产生的电位变化电流。微波损耗公式可表示为 (2-
38、8)用E与其同相位电流成分相乘即为功率L(w)，可表示为 (2-9)再从E和D之比加以考虑，亦即，通过介电系数和相位差的关系这样，微波产生的电耗L即可为 (2-10)以上系数均为研究微波处理时的重要参数和设计标准。2.2微波辐射的特点2.2.1 微波的特性微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。但若微波作用于非金属的介电体，由介电体特性所决定微波将被吸收、渗透，产生高频电场和磁场。(1) 介电发热效应13。如图2-1(a)所示的介电体，其中“+”离子和附近的“-”电子
39、成对存在，这些电子对紧密的结合，相互间不起作用，介质的整体对外界来说电场强度为零。但若如图2-1(b)加上很强的电场，则正负电子对立即会重新排列。若改变电场方向则电子对将按图2-1(c)反向排列。如果电场是交变且为高频的，则分子内的电子对频繁的转动或振动将会因摩擦产生热量。图2-1 在微波电场作用下的分子运动(2) 微波的浸透深度。在实际应用中出现一种现象，就是被加热的物料介质有些能加热透彻，有些加热不透彻，其原因是存在一个投射能力和加热深度问题，即穿透能力问题。穿透能力就是指电磁波穿入到介质内部的本领。电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断地被吸收并转化为热能，他所携带的能量就
40、随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。投射深度指的是材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8%出算起的深度D。2.2.2 微波处理的优点(1) 加热速度快常规加热(如火焰、热风、电热、蒸汽等)都是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高(即常称的外部加热)。它要市中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。微波加热则属于内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子并转换成热，且透射使介质内外同时受热不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。(2) 加热均匀用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部
41、温度，加大温度梯度，但随之会产生外焦内热现象。微波不论形态如何，都能均匀渗透，产生热量，因此加热状况大大改善。(3) 节能高效不同物料对微波有不同的吸收率。含有水分的物质容易吸收微波能，玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属反射微波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭容器，电磁波不会泄露，只能被加热物体吸收。容器内的环境和箱体都不会被加热，故微波加热效率很高。(4) 易于控制微波功率的控制由开关、旋钮调节，即开即用，无热惯性，功率连续可调，已与自动化。(5) 选择性加热不同性质的物料对微波的吸收损耗不同
42、，而微波具有选择性加热的特点，这对处理过程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水率高的部分，吸收微波功率高，达到破坏成分的作用。通过这一特点合理制定微波处理的预处理的加工工艺。(6) 安全无害微波不属于放射性射线，又无有害气体排放，是一种十分安全的处理技术。从微波治疗开始，推广应用到食品、皮草、纸张、木材等轻工业产品的加工方面以及农业生产上的烘干、种子处理等方面。在科学研究，特别是污泥处理的研究上也将展现其独特的应用。2.3微波辐射系统结构2.3.1 微波辐射系统介绍如图2-2所示将微波技术引入污水污泥的处理，其技术优势表现为加热速度快，热效高，热量立体传递，设备体积小等。进行相关经济
43、分析后指出，微波技术将由于经济上原因受到限制用于污水污泥的预处理。图2-2 微波预处理流程由于污泥的含水率很高(一般含水率在95%-98%范围之间)，为了更好的进行污泥的后期处理，引入微波技术提高了脱水的效果。图2-2所示的为带有微波预处理的污泥处理系统。从污水处理厂出来的污泥流动性很大，通过粗细隔栅去除大量悬浮物。进入调节池投入添加剂硅藻使污泥絮凝，经过机械螺旋压榨脱水后进行絮凝剂的再次投放。进入到微波谐振腔中进行微波的辐射处理，改变污泥的性质，絮凝污泥脱水升温。进入到后续的一次沉淀、二次沉淀过滤到最后的压榨及输出。2.3.2微波辐射系统的结构典型的工业微波辐射系统如2-3图示。系统基于三个
44、主要的构件。第一个就是提供微波发生的电源装置。第二就是微波发生装置，以及是微波的传输和释放装置。最后第三个主要组成部分是控制电路优化和规范的微波加热器的整体表现。电源供给微波发生器能源制造一定频率的微波，波导用来将微波按一定的方式导入微波加热腔内；由于该系统设计要求是在真空或气氛保护条件下的高温加热，在腔体上设有气体导入导出口，出口与真空泵连接；在整个加热过程中，从升温到保温、降温都需要根据工艺来控制，这一过程通过程控系统控制微波功率来实现。图2-3 典型微波系统第三章 污泥前处理系统3.1.系统设计参数系统按运行时间为12h/d，将污泥经过系统脱水后，使得污泥含水率降低到6%左右，干污泥约为15t/h备处理能力为2000m3/d(即83.3m3/h)。依据设计参数，假设温度提升速度为10/min，微波辐射时间为2min，得出温度变化，设计处理功率为5kW。3.2 沉淀池的设计3.2.1沉淀池的设计说明根据结构及运行方式的不同，沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池(斜板与斜管沉淀池)两大类；按照水灾池内的总体流向，普通沉淀池分为平流式、辐流式、和竖流式三种。本设计采用平流式沉淀池。其池表面呈长方形，污水从池的一端流入，按水平方向在池内流动，澄清的污水从另一端
