CN102092909A - 剩余污泥破壁溶胞方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及剩余污泥破壁溶胞方法与装置；超声波与多种化学试剂协同破壁溶胞，在待处理的剩余污泥中投加氢氧化钠和吐温80，经过超声波处理；氢氧化钠浓度0.80～1.20kg.m-3；吐温80浓度1.0～1.5kg.m-3；超声波有效处理时间3.0s～30s，声波频率20kHz～28kHz；采用槽式超声波，超声波装置采用倾斜式安放，剩余污泥被污泥泵从槽式超声波的上端泵入，由进料斗进入，在重力的作用下流过超声波设备，经过平板网孔流体分布器，从其下端出料口自然流出，进入后续的污泥消化系统或污水好氧处理系统。超声波高能量密度的薄层、短时超声处理，不仅可以提高污泥的破壁溶胞速率和效率，而且节约设备成本；剩余污泥流经超声波声场的有效停留时间较短，这样可以提高超声波设备的日处理规模。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市污水生物处理过程中产生的大量剩余污泥的减量化方法及其相应的操作装置，属于污水处理和固体废弃物处理领域的污泥处理技术。
背景技术
随着社会经济的发展与城市化进程的加快，城镇污水及其污泥数量快速增加。我国年产湿污泥已高达1200万吨，年增长速度为10-15％之间。由于污泥处理成本占污水处理厂处理成本的50％左右，成本很高，因此我国许多污水处理厂往往只处理到污水而避开了污泥处理，以填埋和堆放为主，引发严重的环境污染问题。因此，在积极进行污水处理的同时对污泥进行科学合理的处理处置已是势在必行。
剩余污泥的厌氧消化以及污泥溶胞-微生物隐性生长方法均对剩余污泥的减量化具有比较明显的效果。但无论是厌氧消化还是污泥溶胞-隐性生长过程中的主要限制因素是剩余污泥中微生物细胞壁的阻碍。因此，如何经济、高效破解污泥中细胞壁的阻碍成为污泥消化或隐性生长减量化的关键。为此，人们提出了各种污泥预处理方法，如酸溶解、碱溶解、臭氧氧化、超声波破壁、热溶解、低温冷冻等，以促进污泥絮体分解、微生物破壁、细胞溶解，释放出污泥微生物细胞内有机物，以促进微生物对污泥中的有机物高效代谢，达到减量化的目的。
超声波作为一种物理方法，具有环境友好，操作方便等优点。但单独采用超声波进行剩余污泥溶胞效果往往不甚理想。文献1[Chu C.P.，Chang BEA-VEN，Liao G.S.，et al.Observations on Changes in Ultrasonically Treated Waste-Activated Sludge.Wat.Res.，2001，35(4)：1038-1046.]在频率为20kHz的探头超声波下，能量密度为3.3×105W/m3时对污泥含水率为99.1％的剩余污泥进行超声波分别处理20min、40min和60min后污泥溶胞率分别为4％、10％和17％。单独碱进行剩余污泥的破壁溶胞不仅耗碱量大，而且时间较长。文献2[ChiuYing-Chih，Chang Cheng-Nan，Lin Jih-Gaw，et al.Alkaline and Ultrasonic Pretreatment of Sludgebefore Anaerobic Digestion.Wat.Sci.Tech.，1997，36(11)：155-162.]对含水率约为99.5％的实验室污泥加入1.6kg/m3的氢氧化钠分别处理30min、400min和1440min后污泥溶胞率分别为20％、41％和45％。而超声波与碱协同进行剩余污泥的破壁溶胞明显要比单独进行超声波或碱处理的溶胞速率更快。文献[2]在加碱量不变的情况下，采用频率为20kHz、能量密度1.2×105W/m3探头超声波分别处理10min、30min和60min时溶胞率分别可达40％、55％和73％。超声波与碱协同剩余污泥破壁过程中，如需相对较高的溶胞率时，则需要加入大量的氢氧化钠和较长的超声波处理时间，这样剩余污泥pH容易升高，不利于污泥的好氧处理或厌氧消化，同时处理成本也较高，无法工业推广。本发明专利通过在传统的超声波氢氧化钠协同剩余污泥溶胞过程中加入一种化学试剂，即可达到提高溶胞效率的目的，同时相对于传统的碱溶胞过程具有更少的氢氧化钠消耗，溶胞污泥的pH相对较小，不会影响污水处理系统或污泥消化系统的正常运行，而且，处理时间也大大缩短。因此本发明专利新型溶胞技术具有更大的经济效率，相对于传统的超声波碱协同溶胞技术更具应用价值和有推广前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种城镇污水活性污泥法生物处理产生的剩余污泥的超声波与多种化学试剂协同破壁溶胞的技术方法和处理设备装置，为剩余污泥的超声波化学试剂协同溶胞提供经济、高效的技术支持。
本发明的技术方案如下：
一种剩余污泥破壁溶胞方法，是超声波与多种化学试剂协同破壁溶胞，在待处理的剩余污泥中投加氢氧化钠和吐温80，然后再经过超声波处理；氢氧化钠浓度0.80kg.m-3～1.20kg.m-3；吐温80浓度1.0kg.m-3～1.5kg.m-3；超声波有效处理时间3.0s～30s，声波频率20kHz～28kHz。
上述的方法在现有的超声波与碱协同剩余污泥破壁过程中可以实现。
为了更好的体现本发明，我们优选采用以下设备实现本发明。
本发明提供一种处理剩余污泥破壁溶胞的装置，采用槽式超声波，超声波装置采用倾斜式安放，剩余污泥被污泥泵从槽式超声波的上端泵入，由进料斗进入，在重力的作用下流过超声波设备，经过平板网孔流体分布器，从其下端出料口自然流出，进入后续的污泥消化系统或污水好氧处理系统。
采用功率固定的超声波设备，剩余污泥装填深度为超声波“近场”厚度至超声波波长的一半的范围。所述的平板网孔流体分布器为金属板上设置有无数小孔，平板网孔流体分布器设置在剩余污泥液层顶部。
本发明专利通过理论分析和实验室研究发现，在超声波与氢氧化钠协同剩余污泥破壁过程中加入表面活性剂吐温80可以强化和提高破壁溶胞效果。表面活性剂的主要作用有：1、通过影响污泥系统中物理化学性质如粘度和表面张力来影响物质传递速率和增强有机物在水溶液中的溶解性能；2、对剩余污泥絮体的分散和解体作用，增加污泥粒子的表面积，加快氢氧化钠与污泥间的反应速率，溶出污泥中的有机物。所以从上述两方面原因可以看出表面活性剂吐温80的加入对超声波碱协同剩余污泥溶胞是有促进作用的。
本专利采用槽式超声波，采用功率固定的超声波设备。剩余污泥加入氢氧化钠和吐温80后反应，进入此设备，并采用连续操作模式。超声波装置采用倾斜式安放，剩余污泥被污泥泵从槽式超声波的上端泵入，由进料斗进入，在重力的作用下流过超声波设备，经过平板网孔流体分布器，从其下端出料口自然流出，进入后续的污泥消化系统或污水好氧处理系统。槽式超声波倾斜角度依据超声波处理时间进行调节。其中，超声波设备中的装填深度要依据超声波设备的频率和超声波换能器直径进行计算。为了增加处理规模，可以采用多台超声波设备并联操作。
本发明专利涉及的超声波为低频槽式超声波。槽式超声波具有的声强通常在25000W/m2左右(以换能器直径计)，其声强足以对污泥粒子进行破碎。探头式超声波虽然声强较高，但其设备寿命相对较短。从剩余污泥破壁溶胞效果和经济性角度看，本专利选择槽式超声波。超声波的主要作用一是对污泥粒子进行破碎，增加污泥与氢氧化钠反应的表面积，达到提高溶胞速率的目的；另一方面，超声波极端条件产生的微观流动有利于强化物质在污泥系统中的质量传递速率，促使污泥中有机物的快速溶出。
超声波能量密度是影响剩余污泥破壁效率的重要参数。超声波能量密度受超声波功率和污泥装填体积影响。当设备功率一定时，则可以通过改变污泥的装填体积来调节能量密度。为了节约设备成本，本专利采用功率固定的超声波设备。当槽式超声波设备的长、宽几何尺寸一定时，污泥装填体积取决于污泥的深度。由于低频超声波在“近场”(即“Rayleighdistance”-“瑞利距离”)中的能量比较集中，穿透能力较强。所以，本专利剩余污泥的装填深度稍大于超声波“近场”。“近场”距离的计算方法为声源半径的平方除以超声波波长。另外，为了克服驻波对剩余污泥破壁不利影响，剩余污泥深度要小于超声波波长的一半。故本专利中剩余污泥装填深度为超声波“近场”厚度至超声波波长的一半的范围内，以保证较高的超声波能量密度，同时又克服了不利影响。因此，超声波设备中的装填深度要依据超声波设备的频率和超声波换能器直径进行计算，以指导剩余污泥装填深度的设定。
为了便于操作，本专利中槽式超声波采用连续操作模式。超声波装置采用倾斜式安放，剩余污泥被污泥泵丛槽式超声波的上端泵入，在重力的作用下以一定的速度流过超声波设备，从其下端自然流出。槽式超声波倾斜角度依据超声波处理时间进行调节。为了使污泥能够在槽式超声波中均匀流动，也避免剩余污泥在较高的能量密度下发生飞溅现象而影响超声空化效果，本专利设计了平板网孔流体分布器。该分布器是由厚度约4mm的铁板上打孔形成，孔径为5mm，相邻孔间的最近距离为2mm。该分布器的安放位置处于剩余污泥液层顶部，该结构的示意图见附图3。另外，该超声波设备有进料斗和出料口。进料斗的作用可以通过控制污泥液位高度来调节其在槽式超声波中的流动速率。由于本专利剩余污泥超声波处理的有效时间(即剩余污泥在槽式超声波声场中的停留时间)较短，为了克服污泥快速流动不利于超声波的空化作用，因此，污泥在超声波设备中流动经过的声场长度(这里特指污泥的流动方向上)不能太长，建议其长度控制在0.15m左右。
本发明专利的关键之一在于加入了促进污泥絮体分散的表面活性剂吐温80，更加有利于剩余污泥的破壁溶胞；
本发明专利的关键之二在于明确了剩余污泥的装填深度范围-大于声源半径的平方除以波长至小于超声波波长的一半。该规定对于低频槽式超声波来讲，剩余污泥的装填深度较薄，属于超声波高能量密度的薄层、短时超声处理，不仅可以提高污泥的破壁溶胞速率和效率，而且节约设备成本；
本发明专利的关键之三在于设计了避免剩余污泥在进行薄层超声处理时流动不均匀和飞溅的平板网孔分布器；
本发明专利的关键之四在于明确了槽式超声波设备设计要求和操作要求。设计要求即污泥流动方向的超声波声场的长度要小。超声波声场长度小即要求污泥流动方向上的换能器最好只采用一个。这样可以使剩余污泥在规定的时间内在声场中缓慢流动，以减少由于污泥快速流动对超声波的空化作用的影响；如果在流动方向上采用多个换能器并联则在规定的时间内污泥的流动速率则相应加倍，因此必然影响超声波的空化效果，不利于发挥超声波的功用。操作要求为连续操作模式。通过改变槽式超声波设备倾斜角度调节剩余污泥的有效处理时间，实现剩余污泥的连续处理。而且，剩余污泥流经超声波声场的有效停留时间较短，这样可以提高超声波设备的日处理规模。
附图说明
图1新型溶胞技术工艺路线
图2槽式超声波设备结构示意图；
图3流体分布器示意图。
1-重力浓缩罐；2-污泥泵；3-混合罐；4-氢氧化钠溶液罐；5-吐温罐；6-蠕动泵；7-机械搅拌；8-槽式超声波设备；9-进料口；10-进料斗；11-流体分布器；12-超声波声场范围；13-出料口；14-分布器小孔。
具体实施方式
实施例1
槽式超声波设备结构如附图1所示。槽式超声波频率20kHz，功率100W，换能器为1个，换能器直径为68mm，槽中声场的长0.15m，宽0.15m。以天津某污水厂剩余污泥为例。重力浓缩罐1中剩余污泥通过污泥泵2打入混合罐3中，随后把氢氧化钠溶液罐4和吐温溶液罐5的化学试剂通过蠕动泵6加入混合罐，在机械搅拌7的作用下充分混合，随后污泥被污泥泵2打入槽式设备设备8中，通过槽式超声波入口9进入进料斗10，在进料斗中污泥压力、重力以及流体分布器11的共同作用下通过超声波声场区12，完成污泥的溶胞处理，最后从处理口13出来，进入后续的污泥消化系统或污水好氧处理系统。系统工作温度为环境温度。污泥中声速取1500m/s，波长75mm(半波长为37.5mm)，“近场”距离15.4mm。不同条件下污泥的破壁溶胞效率见表1所示。
表1不同条件下溶胞率与成本
实施例2
操作工艺与实施例1相同。不同的是超声波频率为25kHz，其它条件见表2。波长60mm(半波长为30mm))，“近场”距离19.3mm。不同条件下溶胞效率见表2所示。
表2不同条件下溶胞率与成本
实施例3
操作工艺与实施例1相同。不同的是频率为28kHz，其它条件见表2。波长54mm(半波长为27mm)，“近场”距离21.4mm。不同条件下溶胞效率见表3所示。
表1不同条件下溶胞率与成本
本发明公开和提出的剩余污泥破壁溶胞方法与装置，剩余污泥在超声波协同氢氧化钠和表面活性剂吐温80破壁技术方法和装置。本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变表面活性剂类型即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (4)
1.剩余污泥破壁溶胞方法，其特征是超声波与多种化学试剂协同破壁溶胞，在待处理的剩余污泥中投加氢氧化钠和吐温80，然后再经过超声波处理；氢氧化钠浓度0.80kg.m-3～1.20kg.m-3；吐温80浓度1.0kg.m-3～1.5kg.m-3；超声波有效处理时间3.0s～30s，声波频率20kHz～28kHz。
2.处理剩余污泥破壁溶胞的装置，其特征是采用槽式超声波，超声波装置采用倾斜式安放，剩余污泥被污泥泵从槽式超声波的上端泵入，由进料斗进入，在重力的作用下流过超声波设备，经过平板网孔流体分布器，从其下端出料口自然流出，进入后续的污泥消化系统或污水好氧处理系统。
3.如权利要求2所述的设备，其特征是采用功率固定的超声波设备，剩余污泥装填深度为超声波“近场”厚度至超声波波长的一半的范围。
4.如权利要求2所述的设备，其特征是所述的平板网孔流体分布器为金属板上设置有无数小孔，平板网孔流体分布器设置在剩余污泥液层顶部。
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