CN102070276B - 利用自动控制超声波进行污泥减量化和改善分离液性状的污、废水处理装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过用于减少污泥含水量和改善旁流性质的自动控制型声波法处理污废水的装置和方法，揭示了用于处理污废水的装置和方法，它们适用于在污废水处理过程中减少污泥饼，在水处理当中的污泥处理过程中改善旁流效果，其中自动测量对应于为降低污泥含水量所需的CST的污泥粘度，或者自动测量与改善旁流性质相关的pH、COD或粘度，声波处理根据测量值进行，由此控制污泥饼的含水量，改善旁流的性质，从而提高处理厂的运行效率。

Description

利用自动控制超声波进行污泥减量化和改善分离液性状的污、废水处理装置及其方法

相关申请交叉参考 

本申请要求2009年11月3日提交的韩国专利申请第10-2010-0105629号和2010年9月30日提交的韩国专利申请第10-2010-0095013号的权益，其题目为“通过用于减少污泥含水量和改善旁流性质的自动控制型超声波处理污废水的装置及其方法”，它们的完整内容通过参考并入本申请。 

技术领域

本发明涉及处理污废水的装置及方法，具体涉及在水处理工艺中，在处理污废水时适用于改善旁流的装置及方法，其中为降低污泥的含水量而对应于所需CST(毛细抽吸时间)的污泥粘度或者与改善旁流性质相关的pH、COD(化学需氧量)或粘度是自动测量的，并且依据所测数值进行声波处理，从而控制污泥饼的含水量，改善旁流性质，由此提高处理厂的运行效率。 

背景技术

在国内污废水处理厂中，当前的标准活性污泥工艺正在转向不同类型的先进处理工艺，并且由于居民关注设施的环境友好性，这些设施被迫建在地下。此外，为了符合国际环境协议，污废水处理厂须按要求改进其设施。例如，1996年伦敦会议议定书要求改进设施，按照禁止向海洋倾倒污泥的要求减少污泥；另外，有关气候变化的会议把目标放在减少能源的使用上，以减少CO₂排放，并且着眼于可再生能源的生产，要求对厌氧消化设施建立新的理解。特别地，对于污水污泥，自2000年开始禁止设施容量等于或大于10000米³/天的污水处理厂直接填埋污泥之后，只有经处理后含水量等于或小于80%的污泥才可进行填埋，但是向海洋倾倒污泥的行为仍在大量发生，因为就脱水技术和成本问题而言，它较为方便和廉价。不过，按照计划，2012年之后将禁止向海洋倾倒 污泥，所以政府制定了《关于有机污泥处理的综合措施(2006年)》，并推动地方政府扩大仍然不足的污泥处理设施的规模。 

2000年以来，与设施容量有关的污泥产量持续增加。据认为，这一方面是因为系统维护等因素使流进污水处理厂的水质提高，另一方面是因为常规活性污泥处理工业转变为先进的处理工艺，而先进的处理工艺如厌氧需氧或A²/O工艺可相对提高污泥产量，如下表1所示。 

表1 

依赖于处理工艺的污泥产量(2002年环境部污水管道系统统计数据) 

注：RBC：旋转生物接触器 

同时，70%或更多的国内污水污泥处置方法依赖于向海洋倾倒，而填埋法的使用自禁止直接填埋(2000年)之后持续减少，2005年达到1.7%。然而，如果强制执行禁止向海洋倾倒的禁令，预计会发生巨大变化。 

特别地，在向海洋倾倒的情况中，污泥处置成本是27896韩元/吨，据估计这是最便宜的，它占包括修理成本在内的总运营成本的15.5%。然而，由于将来会禁止向海洋倾倒污泥，所以污泥处置成本会进一步提高。作为这种污泥处置方法的替代方法，人们正在研究对其再利用，包括制成堆肥，或者加以焚烧，但这会引起一些不利的问题：增加处理成本的问题，包括地方协商问题在内的广泛经济问题，包括运输在内的技术问题，以及各种社会经济问题，因此其应用非常困难。 

除了目前受到关注的各种新型污泥处理设施外，能够减少污泥的厌氧消化器在约60家国内处理厂运行。相比于没有运行消化器的情况，使用消化器可减少处理成本，包括将污泥饼的含水量减少约35%(环境部于2005年开展了改 进污泥处理厂的消化效率的项目)，考虑到最近对减少温室气体的关注，作为有利的可再生能源生产技术，人们正在研究消化器的使用。然而，在国内总共294家污水处理厂中，仅有约20%的处理厂拥有这样的厌氧消化系统。在小规模和中等规模的情况下，应当考虑包括建立其他厌氧消化工艺等在内的替代措施。 

自1980年代起，声波处理法就在高级氧化工艺中用于难以降解的特定材料如酚类的氧化(J.Berlan,F.Trabelsi,H.Delmas,A.M.Wilhelm和J.F.Petrignani,声化学(Sonochemistry).1994,1,597-602)，并且在实验中用于污泥的脱水整理，以便处理污泥。此后出现了许多相关报道，包括1997年研究声波处理对依赖于目标污泥种类和化学组成的脱水能力的影响(J.Bien和L.Wolny,Wat.Sci.Tech.1997,36,11,101-106)，以及研究利用包括声法在内的各种生物、化学和物理方法从污泥回收底物的效率(J.A.Muller,用于污水污泥的再循环和再利用的预处理方法(Pretreatment proces ses for the recycling and reuse of sewage sludge).Wat.Sci.Tech.2000,42,9,167-174)。特别地，对包括加热和声波处理在内的物理、化学和生物污泥处理法的研究结果表明，对于机械(装置)来说， 

就操作可靠性或对处理厂的适用性而言，声波法是非常好的方法，尽管该方法消耗大量能量；据测评，就降低污泥含水量而言，包括声波法在内的物理处理方法是优异的方法(J.A.Mulla,污泥预处理方法的前景和问题(Prospects and problems of sludge pre-treatment processes).Wat.Sci.Tech.2001,44,10,121-128)。另一方面，国内已有大量与此相关的研究见诸报道，包括例如以下两种情况：在一种情况中，随着污水处理工艺转向先进处理工艺，剩余污泥(excess sludge)用声波处理，其目的是单独用污泥满足除去生物营养物所需的COD，而不需要外加碳源(韩国专利第10-0416364号)；在另一种情况中，在消化器中安装两级声器，一级用于流入污泥，另一级用于流出污泥，从而提高消化效率，减少污泥产量(韩国专利第10-0768516号)。在前一情况中，在20kHz的频率下对剩余污泥进行声波处理约5小时或更长的时间，从而使所产生的污泥的约20-50%循环，但与购买和使用外加碳源的情况相比，它相对于巨大的能量输入成本的损失可能更大，从而使这种情况难以投入实际应用。在后一种情况下，与本发明类似，在第一污泥减少部分用声波预处理污泥约20-30分钟，从而缩短消化时间，提高处理效率，然后利用第二污泥减少部分，可使污泥饼的产量降低约10%。不过，在此情况下，降解和脱水特性没有突出的区别，尽 管在功能上具有不同的频率范围或辐射时段，并且未考虑控制方法，所述控制方法依赖于作为达到所需效果所需操作参数的强度和时间。 

发明内容

为解决相关领域遇到的问题，本发明人研究了减少污泥产量和使污废水处理厂有效运行的方法，具体地说是对常规处理设施作出补充和改进，而无须扩大现有的大规模设施，因为国内外的污泥处理厂已经具有较大占地面积。 

因此，本发明意在提供一种处理污废水的方法，用于降低污泥的含水量和改善污废水处理厂中的旁流性质。 

本发明的另一个意图是提供一种适用于常规污废水处理设备的声波处理装置，以及包含该装置的污废水处理设备。 

本发明的另一个意图是提供一种可用于污废水处理设备的声波处理装置的设计方法。 

本发明一方面提供了处理污废水的方法，所述方法包括使用主澄清器、生物反应器、次澄清器、浓缩器和脱水设备处理由沉砂池提供的污水或有机废水，其中i)使用声波法预处理污泥，其中污泥根据浓缩污泥的粘度进行声波处理，以便在脱水前降低浓缩污泥的含水量；以及ii)根据选自pH、COD和粘度的一个或多个操作指标对旁流混合物进行声波处理，所述混合物包含从浓缩器排出的浓缩旁流和从脱水设备排出的上清液。 

本发明另一方面提供了污水处理设备，其包含沉砂池、主澄清器、生物反应器、次澄清器、浓缩器、脱水设备以及用来使旁流混合物返回沉砂池的循环线，其中提供了声波处理装置，该装置在脱水设备之前在循环线上运行，这样就自动测量操作指标，如处理目标的粘度或pH，进而按照测量值控制声波处理过程。 

本发明又一方面提供了声波处理装置，其包含对目标如污泥或旁流混合物进行声波处理的超声波接触部件，自动测量操作指标如声波处理目标的粘度的仪表，以及用来根据测量的操作指标控制声波和控制阀的控制部件。 

本发明再一方面提供了设计声波处理装置的方法，其包含(a)为目标确定声波处理效用强度(intensity of sonication utilities)(Isu)函数

其中P是功率 (千瓦或瓦)，t是辐射时间(分或秒)，Vol是样品量(升)，n在0.1-1.0的范围内；(b)根据确定的Isu函数对目标进行声波处理；(c)测量对应于声波处理目标的性质的操作指标；以及(d)当操作指标未达到标准值时，修正Isu函数。 

附图说明

根据以下结合附图所作详细描述，可以更清楚地理解本发明的特征和优点，其中： 

图1显示了常规污水处理厂的单元过程； 

图2显示了污水处理厂的污染物； 

图3显示了CST和粘度随污泥种类和浓度的变化。 

图4A-4C显示了声波处理效用强度(Isu)和污废水污泥的脱水特征函数CST的变化； 

图5A和5B显示了CST和污泥粘度随Isu函数的变化。 

图6A和6B显示了对污泥和旁流进行声波处理后得到的上清液的pH和SCOD的变化； 

图7显示了采用声波处理的污水处理厂的配置； 

图8显示了配有控制系统的污泥声波预处理装置； 

图9显示了配有控制系统的旁流声波处理装置；以及 

图10显示了利用Isu推导合适的n值与CST的关系。 

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的实施方式。在所有附图中，相同的标记表示相同或相似的元件，并省略了多余的描述。在以下描述中，与本发明相关的已知技术若因使本发明的特征不清楚而视为无必要，同时考虑到描述的方便，则省略对它们的详细描述。 

此外，本说明书和权利要求书所用术语和词汇不应解释为限于其典型含义或词典释义，而应按以下原则解释为具有与本发明技术范围相关的含义和概念：发明人能适当定义该词暗示的概念，以对发明方法作出最佳描述，从而使他或她能够实施该发明。 

图1显示了典型的常规污水处理厂的配置，包括水处理和污泥处理设施。如此图所示，污废水处理系统包括水处理系统和污泥处理系统16，其中水处理系统包含主澄清器2、生物反应器3和次澄清器4，污泥处理系统16包含浓缩器5、消化器6和脱水设备7，用于处理水处理系统产生的污泥。 

图7是根据本发明的污水处理厂的污泥处理工艺的示意图，相比于图1，其突出特点是在脱水设备和旁流声波处理装置21之前提供用于处理污泥的污泥声波预处理装置20，在使旁流混合物返回沉砂池之前提供旁流。这样，在没有厌氧消化器6的污废水处理设施中，仅利用污泥声波预处理装置20就能保证污泥含水量的降低和旁流性质的改善。但是，在运行厌氧消化器6的情况下，两个装置的合并操作是有效的。图8和图9具体描绘了污泥声波预处理装置20和旁流声波处理装置21。 

根据本发明，处理污废水的方法包括用声波法预处理污泥，该方法利用图1所示常规水处理工艺中浓缩器5排出的浓缩污泥或厌氧消化器6排出的消化污泥的粘度作为操作指标，对预处理污泥进行脱水，以分离上清液和污泥饼，并利用包括浓缩旁流和上清液在内的旁流混合物16的pH、COD或粘度作为操作指标，对旁流进行声波处理。另外，该方法还包括使经声波处理的旁流返回沉砂池，旁流混合物可进一步包含消化器排出的消化旁流。 

若运行本发明的污泥声波预处理装置，则该方法可进一步包括使全部或部分上清液返回消化器，使部分经声波处理的旁流返回消化器。 

污泥声波预处理装置20和旁流声波处理装置21采用超声波。当对液体辐射超声波时，液体中会交替发生收缩和膨胀，波运动在液体中传播。随着超声能进一步增大，液体的分子间聚集状态可能被打破，至少产生上千万的细穴。这称作成穴现象。当这些细穴爆发时，会释放强大的能量。因此，来自超声波的能量可用于破碎污泥颗粒，使污泥颗粒形成精细粉末。在此过程中，人们关注的是吸附在污泥表面的结合水的分离和释放(Timothy J.Mason,John P.Lorimer,应用声化学-能量超声在化学和加工中的应用(AppliedSonochemistry-The use of power ultrasound in chemistry and processing),WILEY-VCH,2001)，引发了相关研究。当通过这种方式粉化颗粒和释放结合水时，处理厂的污泥含水量和污泥饼排放量会降低。若进一步对粉化颗粒的溶 解进行声波处理，则有可能确保粉化固体产生有用的有机底物，并降低污泥含水量。 

典型的声波处理器的频率约为9-50千赫，它能产生强脉冲，从而容易得到所需的效果和特性。然而，在目标颗粒很小(0.1微米或更小)的情况下，采用1兆赫或更高频率的喷雾声波处理(spray sonication)可能更加有效。在本发明中，可采用带控制系统的声波处理装置，以提高对污泥的脱水能力，提高污废水处理厂的处理效率。因此，频率设定在20千赫，这是除去污染物常用的频率。 

就便于应用或效率而言，用声波处理法减少污泥或再利用有机物是相当有效的，但它需要大量能量，因而要避免使用声波处理法。因此，若能根据流入污泥的浓度变化控制能量的输入，使污泥饼的含水量达到合适的水平，则可以想见，声波处理技术的现场应用范围将会扩大。 

根据工艺或操作方法的类型，污废水处理厂产生的污泥可以各种浓度排放。例如，在生物工艺中产生的剩余污泥的浓度约为5000-8000毫克/升(0.5-0.8%)，原污泥的浓度约为15000-40000毫克/升(1.5-4.0%)，消化污泥的浓度约为20000-50000毫克/升(2.0-5.0%)。最近有例子表明，剩余污泥可机械浓缩，因而可以2-3%的浓度排放。 

与此同时，人们对输入能量的管理进行了透彻的研究，这是声波处理技术面临的最大问题。例如，娜圣敏(Na Seung-min)(超声在处理污水污泥中的应用的研究(The study of the use of ultrasound for the treatment of sewage sludge),Korea Univ.,2006.12)推导出特征函数

考虑到了功率、辐射时间和样品量。当辐射的Ev为3600千焦/升，则污泥量可减少到约30%，而污泥饼的含水量可从86%降低到71%。同样在与本发明技术的发展相关的研究中，人们对污泥做了各种声波预处理实验。利用声波处理法，可以简化脱水特征函数CST，从而改善脱水特性。因此，在声波处理强度和处理时间之间，声波处理强度对上述结果可能有更大的影响，因而可认为它比处理时间更重要。此外，可以得出这样的结论，声波处理强度、处理时间和CST可以类似的方式绘制在同一幅图中。这就是说，视污泥种类或浓度情况稍有不同，但声波处理强度与依赖于处理时间的污泥脱水之间的关系可归纳如下： 

在本发明中，作为声波处理装置设计函数引入的参数，即Isu，是用于声波处理设计的一种强度函数，与功率、超声波辐射时间和待处理污泥量有关，这些是声波处理器所需要的。从图4A-4C可以看出，随着Isu增大，作为污泥脱水特征函数的CST减小，也就是说，脱水率升高。由此可以发现，参数Isu与脱水特性的改善之间有着密切相关性。在参数Isu中，P是供给声波处理器的功率，单位为千瓦；t是超声波辐射时间，单位为分钟；Vol是目标污泥量，单位为升；n是依赖于污泥种类和浓度的无量纲特征函数。在这些函数因子中，P和n在初始设计步骤中是重要的，它们依赖于污泥的种类和浓度及其处理量。在设施安装完成之后，为了应对污泥处理量或特性的变化，可建造一个电力设施，但这非常困难。因此，时间函数就成了主要的设计因素。 

图4A-4C显示了TS(总固体)为2.2%(22000毫克/升)的消化污泥、TS为6500毫克/升的剩余污泥和TS为2.98%(29800毫克/升)的畜牧废水污泥的CST随Isu的变化。在消化污泥的

约为200、剩余污泥的

约为300、畜牧废水污泥的

约为100的范围内，可以看到，尽管Isu增大，CST的改善效果急剧下降。如图4A-4C所示，即使采用相同的声波处理器，Isu与CST之间的关系也随污泥特性如污泥种类和浓度变化，涉及其中的一个函数是特征函数n。 

在n等于0.1-3.0的条件下，对目标污泥进行声波处理，将其CST变化应用于涉及参数Isu的关系。若是这样，如图10所示，可以确定Isu与CST之间的关系达到最高点时的数值n，从而完成参数Isu的设定。特征函数n随浓度的增加或脱水特性的降低而成比例地下降。这意味着在n较小时，要求作为强度函数的参数Isu大很多。在污废水处理厂，一般考虑1-3%的浓缩污泥和1-4%的消化污泥，此时本发明的n值可设定在约0.1-1.0的范围内，特别优选0.2-1.0的范围内。本发明的共同发明人所揭示的常规参数方程(韩国未审查专利公开第2003-0097289号)中采用的数值n=2.5，对于用作声波处理装置的直接设计函数来说是不够的，因为用于测试目的的样品的浓度不是实际处理厂产生的污泥浓度，而是与其相差至少2成的稀释浓度。 

在根据参数Isu和特征函数n的定义设计声波处理装置时，CST(毛细抽吸时间)中存在一个最佳效率点，其中CST是依赖于污泥种类和浓度的脱水特征函数，该点的存在表明有可能在本发明处理工艺中的强度函数的基础上设计声波处理设施。 

虽然Isu与CST密切相关，但CST测试不能自动进行，难以直接用作依赖于污泥浓度变化的声波处理工艺控制函数。因此，本发明开展了与其相关的研究，探索了污泥粘度变化与声波处理中CST变化的相关性，并评价了其用作控制函数的可能性。这些结果显示在图3和图5A、5B中。在图3中，可以看到CST和粘度以密切的相关性随污泥浓度成比例地增加；在图5A和5B中，可以看到粘度与CST随Isu发生非常类似的变化。具体而言，对于图5A所示消化污泥，考虑到CST的变化，合适的Isu约为150-200。在此情况下，粘度合适地落在约250-300厘泊的范围内，此后尽管Isu增大，但粘度很少与CST发生类似的变化。图5B显示了使用TS为2.1%的剩余污泥的结果，其中从CST考虑，合适的Isu约为200-250。因此，粘度的范围约为145-160厘泊，此后尽管Isu增大，粘度再也没有大的变化，就像CST没有大变化一样。根据依赖于污废水处理厂运行状态的污泥浓度或种类，将粘度与CST变化之间的相关性应用于测试，从而确保足够的操作因子，使得有可能改善稳定脱水的效率，低成本、高效地实施声波处理工艺。 

图2显示了根据常规污水处理厂的运行数据的材料树脂的例子。如图2所示，对于污水处理厂，由于污泥处理过程中产生旁流，出现相当多的内循环负荷(基于流入污水中氮的含量，约34.3%)，并且旁流的产生特性也是不连续的，因此在水处理系统中引起相当大的冲击负荷，这不利地损害了生产质量稳定的处理水的能力。特别地，如图2所示，上清液的BOD/N比约为0.4，对处理氮和磷的先进生物处理工艺的操作造成了显著的不利影响。如图6B所示，对脱水污泥的声波预处理可改善上清液的SCOD，该上清液将通过污泥处理工艺返还，从而改善旁流的BOD/N比，该旁流将与流入污水混合，从而有助于提高污废水处理厂的除氮效率。 

在图6A和6B中(同时示出了旁流处理结果)，对于浓缩污泥和浓缩剩余污泥，如果作为污泥预处理的副效应，声波预处理污泥的上清液的pH和SCOD(可溶COD)发生变化，则图1所示旁流混合物16的声波处理结果也显示出pH和SCOD的增加，与图6A和6B所示情况类似，因此不管是否采用污泥预处理，使 用旁流声波处理也有利于污水处理厂的运行效率。通过对旁流进行声波处理，当Isu等于或大于150时，SCOD可增加至少2倍，粘度也可用类似于污泥预处理工艺中的监控方式进行监控，或者可以监控pH或SCOD的变化，使其适用于改善图6A和6B所示旁流性质，从而将声波处理时间控制在合适长度。 

下面说明根据本发明使用控制型声波处理法减少污泥和改善污废水处理厂效率的方法和装置。 

在根据本发明的污水处理方法和装置中，在如图1所示由包括部件1、2、3、4的水处理系统和包括部件5、6、7的污泥处理系统(用于处理水处理过程中产生的污泥)组成的典型污废水处理厂，考虑到采用消化器的处理厂的数目在全国290家处理厂中仅有60家的事实，在不存在消化器的情况下，可以在浓缩器5与脱水设备7之间利用声波处理法预处理污泥，或者在存在消化器6的情况下，在消化器6与脱水设备7之间利用声波处理法预处理污泥；还可以对污泥处理过程中出现的旁流混合物16进行声波处理，从而减少污泥的产量和改善处理效率。同样根据本发明的方法和装置，可以对旁流16进行声波处理，从而改善旁流性质，包括改善旁流的COD/N比，增加碱度，从而提高污水处理厂的总体水质和运行效率。 

如图8所具体显示的，污泥声波预处理装置20包括超声接触部件24-26、粘度计28和控制部件27-31。此装置按方式(a)设计，即确定目标如污泥的Isu，在此过程中测量污泥的CST随用于污泥的声波处理器的功率P和辐射时间t的变化所发生的变化，分析它们之间的相关性，从而确定依赖于污泥特性如浓度的函数n，这样就可推导出本发明人表达的

并确定基于CST的最佳效率点上的Isu，从而为单位时间的污泥输入量(Vol)设计最有效率的接触时间和反应器容量，以提高为目标样品脱水的能力。此外，(b)根据确定的Isu对目标进行声波处理，(c)测量声波处理的操作指标如粘度，对应于经声波处理的目标所需的性质，如CST或SCOD。如上所述，与CST的减少对Isu的依赖关系类似，借助于污泥粘度的变化，利用自动粘度计28测量为污泥脱水的能力随声波处理的变化。此外，(d)当测得的作为操作指标的粘度没有达到标准值时，对Isu进行修正，从而引出对声波处理装置的设计，所述声波处理装置以合适的Isu辐射超声波。因此，当声波预处理装置的流入量和功率固定时，将目标转移到声波处理器中，这样，调节辐射时间t，由此计算最佳强度函数。在实际操作 中，当测得的污泥粘度未达到与所需CST对应的粘度值时，利用控制部件30的控制阀29阻挡污泥流入脱水设备7，使污泥返回接触部件24，接受更多的声波处理。同样，因为输入污泥的特性变化较大，当测得的粘度达到合适的水平时，声波处理响应通过控制部件30传递给动力部件31的控制信号，停止处理，从而防止能量输入过量和有效控制能量输入，能量输入是声波处理工艺中遇到的最大的问题。 

尽管污泥特性发生变化，包括通过这样的一系列程序进行的处理过程中浓度发生变化，可以通过在将污泥引入脱水设备之前测量污泥粘度来进行控制型声波预处理，从而将含水量从常规污泥的80%减小到70%，最终污泥饼的产量可减少到常规产量的约50%。 

另外，在本发明中，由于脱水预处理过程和旁流13、14、15、16的声波处理，旁流性质可得到改善，使得污废水处理厂能够有效运行，并提高水质。如上文所提及的，污泥声波预处理可减少污泥饼的排放，减少的固体根据声波处理程度可转化为细颗粒和完全可溶的物质，因而SCOD/TCOD比可增大，pH和VFA(挥发性脂肪酸)含量也增加。旁流性质的这种变化可能对当前受到关注的先进污废水处理工艺的运行产生相当大的正面影响。先进生物处理工艺中的重要操作因子包括厌氧除磷过程中的VFA含量，可用于除氮缺氧过程的RBDCOD(易生物降解COD)，以及与厌氧过程中发生的完全硝化有关的碱度。具体而言，用声波预处理污泥之后，所排放的旁流的pH升高表明碱度增加，从而达到需氧反应器中发生硝化所需的碱度，而声波预处理带来的SCOD/TCOD比的改善和VFA的增加可满足厌氧反应器和缺氧反应器对底物的要求。 

随着声波处理强度增大，对产生有用底物的影响可能增加。在适用于改善脱水对脱水污泥预处理的影响的Isu范围(Isu=100-200)内，对于消化污泥，上清液的SCOD约为10-20%；对于剩余污泥，它可增加约5-10倍。除了额外来自脱水污泥预处理的影响之外，当如图4A-4C所示用声波处理旁流混合物16时，在Isu约为200的范围内，SCOD可增加约2-5倍，因而有可能如先进生物处理工艺所要求的那样补充活性底物。特别地，对于旁流，包括浓度在内的特性会随着污泥处理工艺的配置和操作条件发生很大变化，因此，通常用来根据固定声波处理强度控制时间的方式难以维持所需的水质，不能控制能量损失。另外，可基于上面用来预处理污泥的声波处理装置的设计和操作程序对旁流进行声波处理，只要从粘度、pH和COD中选择一个或多个作为声波处理的操作指标 并加以监控，因此，类似于污泥的预处理，声波处理工艺可通过借助控制部件34、35、36(图9)中止或继续声波处理来优化。 

根据污废水处理厂所用的处理工艺，可灵活实施利用这种声波处理工艺的污泥预处理和旁流处理。在如图7所示提供了厌氧消化器的情况下，将旁流再供给17消化器，以促进气体的产生。反之，在没有消化器的情况下，可通过常规旁流混合物线路16将旁流供给沉砂池，或者可直接供给生物反应器，因此旁流可用作有机源，以改善先进生物处理工艺的效率。 

另外，即使不进行额外的声波处理，也可使旁流返回18厌氧消化器，以便利用上清液升高的SCOD，所述上清液是污泥声波预处理工艺的副产物；或者以旁流混合物16的形式利用旁流，以便用于先进处理工艺。 

此外，如图7所示，考虑到旁流16是不连续产生的，声波处理器21与旁流贮存器22连接预定时间或更长的时间，由此调节旁流间歇释放的特性，防止在生物反应器中因旁流产生不连续冲击负荷，从而使污废水处理厂的运行效率更加稳定。 

设计实施例 

为了评价本发明的实际处理效率，用能够处理1吨畜牧污泥的大型声波处理装置和最高速率为2500转/分钟的离心脱水装置测量畜牧污泥的脱水特性，这种污泥是一般公认最难脱水的。所述声波处理装置由声波处理器和反应器组成，所述声波处理器的频率为28千赫，最大强度为1200瓦(5个端子)，最大功率为6000瓦，所述反应器的直径为1米，高1米。然后，使用本发明的小型声波处理装置对畜牧污泥进行预处理，如上文所述分析CST和参数

由此在n=1.0的基础上推导参数Isu，对畜牧污泥采用20-40的最佳Isu，如CST与Isu之间的相关性所显示的那样。因此，粘度为240-280厘泊。在将参数Isu设定为30的情况下，当用6000瓦(6.0千瓦)的最大功率处理1米3(1000升)畜牧污泥时，需要约1.4小时运行声波处理装置。根据上述设计条件运行用于畜牧污泥的声波处理设施，随运行时间测量污泥的CST和粘度。结果表明，在1.0小时(快于设计的1.4小时运行时间)内，粘度为280厘泊，CST为90秒。 

在声波预处理前后1小时，将0.3%的阳离子聚合物(基于固体含量)与样品混合，然后用离心脱水设备进行脱水。结果汇总于下表2。若污泥在声波处 理之前的含水量约为81.8%，则其含水量可降至70.4%，流入脱水设备的污泥的TS从处理前的平均3.2%降至声波处理后的平均2.0%，经计算可知降低约35.7%。这意味着，若在不进行声波处理的情况下对1米3污泥脱水，将产生约0.18米3含水量为81.8%的污泥饼，而若进行声波处理，则将产生约0.07米3含水量为70.4%的污泥饼，由此可以看出，污泥饼的产量降低约40%。 

表2 

污泥声波预处理前后脱水情况 

如前文所述，本发明提供了利用自动控制型声波处理法处理污废水的装置和方法，以降低污泥含水量，改善旁流性质。根据本发明，采用覆盖合适应用范围的声波处理法的声波预处理系统能够实际用来对污泥脱水，可进行设计并监控粘度在声波预处理过程中的变化，并且能够连接到控制系统上，从而防止预处理不佳，或者过度使用能源，从而以低成本高效地改善污泥的脱水。另外，在污废水处理厂的运行中，对占相当负荷量的旁流进行声波处理，由此改善旁流性质，从而直接提高污水处理效率，或者使旁流返回厌氧消化器，由此提高降解效率和气体产量，结果改善了污水处理厂的总运行效率。 

虽然出于阐释的目的已经揭示了本发明的实施方式，但本领域的技术人员会理解，各种改进、附加和替代形式都是可能的，只要不背离所附权利要求书所揭示的本发明的范围和精神。因此，应当理解，这些改进、附加和替代形式落在本发明的范围之内。 

Claims (10)

1.一种处理污废水的方法，所述方法包括使用主澄清器、生物反应器、次澄清器、浓缩器和脱水设备处理由沉砂池提供的污水，其中，i)使用声波法预处理污泥，其中污泥在脱水前进行声波处理，以便降低由脱水设备排出的污泥饼的含水量，所述声波处理是中止还是继续取决于经声波处理的污泥的粘度；以及ii)对旁流进行声波处理，其中对旁流混合物进行声波处理，所述旁流混合物包含从浓缩器排出的浓缩旁流和从脱水设备排出的上清液，所述声波处理是中止还是继续取决于选自经声波处理的旁流混合物的pH、COD和粘度的一个或多个操作指标，其中，声波处理根据声波处理效用强度函数(Isu)

进行，式中P是声波处理功率，单位是千瓦或瓦；t是辐射时间，单位是分或秒；Vol是包括污泥或旁流混合物在内的目标的量，单位是升；n在0.1-1.0的范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括iii)使经声波处理的旁流返回沉砂池。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用厌氧微生物消化经浓缩的污泥，从而在用声波处理法预处理污泥之前使污泥稳定。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述旁流混合物还包含消化后排出的经消化的旁流。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使部分经声波处理的旁流返回，进一步将其消化。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使部分或全部上清液返回，进一步将其消化。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述用声波处理法预处理污泥包括：(a)根据声波处理效用强度函数对流入污泥进行声波处理；(b)测量经声波处理的污泥的粘度；以及(c)停止声波处理，当经声波处理的污泥的粘度不大于标准值时，将污泥转移到脱水设备中，或者当污泥粘度大于标准值时，使污泥返回，接受更多的声波处理。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，用声波处理旁流包括：(a)供给旁流混合物；(b)根据声波处理效用强度函数对旁流混合物进行声波处理；(c)测量选自经声波处理的旁流混合物的粘度、pH和COD(化学需氧量)中的一个或多个；以及(d)当测量值达到标准值时，使经声波处理的旁流混合物返回沉砂池，或者当测量值小于标准值时，使经声波处理的旁流混合物返回并接受更多的声波处理。

9.一种设计用于处理污废水的声波处理装置的方法，其包含

(a)为包含污泥或旁流混合物的目标确定声波处理效用强度函数

式中P是声波处理功率，单位是千瓦或瓦，t是辐射时间，单位是分或秒，Vol是包含污泥或旁流混合物的目标的量，单位是升，n在0.1-1.0的范围内；

(b)根据确定的声波处理效用强度函数对目标进行声波处理；

(c)测量对应于声波处理目标的预定性质的操作指标；以及

(d)当操作指标未达到标准值时，修正声波处理效用强度函数，其中，当目标是污泥时，所述操作指标是粘度，或者当目标是旁流混合物时，所述操作指标是选自粘度、pH和COD中的一个或多个。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，(d)修正步骤是根据辐射时间t进行的。

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