CN103204611A - 基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体废弃物处理以及资源回收再利用领域，涉及一种剩余污泥减量化技术，特别涉及一种基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法与装置。本发明的方法是将浓缩剩余活性污泥得到的泥水混合液的pH值调节为2.5-12，在常压开放条件下通过微波实现剩余活性污泥的高效破解，提高剩余活性污泥的生物可利用性，之后将微波污泥预处理后得到的污泥回流至活性污泥池，实现污泥的源头减量。本发明的装置主要包括热交换器、微波反应器和PLC控制系统。本发明的方法简单，工艺过程流程短，效率高，可实现源头污泥减量；本发明的装置投资少，适合中小规模城市污水处理厂的剩余污泥的预处理。

Description

基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法与装置

技术领域

本发明属于固体废弃物处理以及资源回收再利用领域，涉及一种剩余污泥减量化技术，特别涉及一种基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法与装置。

背景技术

随着社会经济的发展，污水处理总量的增长以及处理标准的提高，随之产生了大量城市污水厂剩余活性污泥(简称为剩余污泥或者污泥)。其处理处置带来的高费用等问题，已成为污水处理厂正常运行的严重负担，因此经济高效的剩余活性污泥的处理与处置已成为一个紧迫且严峻的挑战。

在污泥减量化、资源化和无害化的过程中，研究人员发现作为污水厂负担的剩余污泥同时又可作为一种有机物资源，可应用于厌氧发酵产甲烷、产氢、驱动生物燃料电池；可以进行经济价值物质的回收，诸如回收蛋白质、磷、生产可生物降解塑料；也可以作为污水生物脱氮过程中反硝化所需要的碳源，以及回流到曝气池通过隐性生长实现污泥减量等多个领域。然而，以糖类、蛋白质、脂类为主的有机质及磷几乎都存在于污泥中致密的胞外聚合物(EPS)和微生物的细胞壁内，一方面使得污泥的厌氧发酵过程因胞外酶无法与基质充分接触而变得非常缓慢，影响污泥的回流减量和高效利用[Qiao W，Wang W，Xun R，et al.Sewage sludge hydrothermal treatment by microwaveirradiation combined with alkali addition[J].Journal of Materials Science.2008，43(7)：2431-2436.]；另一方面因蛋白质、磷等无法释放而导致其无法以适当的形式进行回收。所以剩余污泥再利用前的关键技术即是剩余污泥的预处理，通过物理、化学、生物等多种手段实现剩余污泥的溶胞，提高剩余污泥的水解效率，强化后续的剩余污泥处理的效果。

自20世纪70年代以来，剩余污泥热处理技术已经成为改善剩余污泥厌氧消化性能和脱水性能的重要手段，并得到了广泛的应用[Neyens E，Baeyens J.A review of thermal sludge pre-treatment processes to improve dewaterability[J].Journal of Hazardous Materials.2003，98(1-3)：51-67.]。近年来，微波辐射技术因具有清洁、快速和易于操控等优点而得到了迅速的发展，并且微波辐射以用来在部分场合代替传统加热方式处理剩余污泥[Kennedy K J，Thibault G，Droste R L.Microwave enhanced digestion of aerobic SBR sludge[J].2007，33(2)：261-270.]。但该微波处理方式处理条件为高温密闭加压环境，一般在120℃-170℃甚至更高的温度才能达到较好的处理效果，增加了反应器的设计生产难度，不利于该处理技术的经济化。微波及其组合污泥预处理工艺已被证明能有效地促进污泥溶胞及碳、氮、磷的释放[Wang Y W，Wei Y S，Liu J X.Effect of H2O2 dosing strategy on sludge pretreatment by microwave-H2O2advanced oxidation process[J].Journal of Hazardous Materials.2009，169(1-3)：680-684；程振敏.微波辐射技术应用于城市污水处理厂污泥磷回收的研究[D].2009.34-46；阎鸿.微波及其组合工艺在污泥预处理中的比较研究[D].北京：中国科学院生态环境研究中心，2010.12-59.]。因此，开发符合经济高效的剩余污泥微波预处理工艺具有重要的应用价值与现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对城市污水处理厂产生的剩余活性污泥的特点及其处理现状，在常压开放条件下通过微波污泥预处理技术实现剩余活性污泥的高效破解，提高剩余活性污泥的生物可利用性，之后将处理后的污泥回流至活性污泥池，实现源头污泥减量，从而提供一种基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法。

本发明的另一目的是提供一种可实现上述目的的微波污泥预处理装置。

本发明的基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法包括以下步骤：

(1)将剩余活性污泥浓缩至浓度为10-30g/L的泥水混合液；

(2)将步骤(1)得到的泥水混合液通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器中，用无机碱水溶液或无机酸水溶液将所述的泥水混合液的pH调节为2.5-12；或用无机碱水溶液或无机酸水溶液将步骤(1)得到的泥水混合液的pH值调节为2.5-12后，再通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器中；

开启微波反应器的微波源，在对微波反应器中的泥水混合液进行微波辐射加热的同时进行搅拌，按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为60-80℃时，关闭微波反应器的微波源，暂时停止微波辐射加热，按照过氧化氢/浓度为10-30g/L的泥水混合液的质量比值为0-1的比例加入过氧化氢，重新开启微波反应器的微波源，继续按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为大于80℃至小于等于100℃时，关闭微波反应器的微波源，停止微波辐射加热和停止搅拌，保温(一般保温的时间为5-10分钟)，出料；

(3)将步骤(2)的出料污泥直接回流至活性污泥池，实现源头污泥减量；或将步骤(2)的出料污泥排入热交换器中，从热交换器中排出的污泥回流至活性污泥池，实现源头污泥减量。

所述的预加热处理是利用出料污泥的热量对泥水混合液进行加热，以实现节约能源。

所述的热交换器的热量是利用废热或微波辐射加热处理后的污泥作为热源。

所述的无机碱水溶液是NaOH水溶液、Ca(OH)₂水溶液或CaO水溶液。

所述的无机酸水溶液是H₂SO₄水溶液或HCl水溶液。

所述的微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源。

所述的搅拌的搅拌转速为40-120rpm。

所述的微波污泥预处理为连续处理或者批量处理。

所述的剩余活性污泥为活性污泥法工艺所产生的剩余活性污泥。所述的活性污泥法包括常规活性污泥法、氧化沟法、A²O法、SBR法或CASS法等。

步骤(3)所述的出料污泥直接回流至活性污泥池，或从热交换器中排出的污泥回流至活性污泥池；其回流至所述的活性污泥池中的污泥的回流量不超过同时进入所述的活性污泥池中的污泥总量的30％。

本发明的基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法，可利用下面本发明提供的一种微波污泥预处理的装置来实现。所述的微波污泥预处理的装置主要包括热交换器、微波反应器和PLC自动控制系统；

一反应容器内置在带有PLC控制系统和微波源的所述的微波反应器的炉腔内，在所述的微波反应器的炉腔壁上开有无机碱液或无机酸液的进口和开有过氧化氢的加药口，所述的无机碱液或无机酸液的进口和所述的过氧化氢的加药口分别通过管路与所述的反应容器的壁上开有的无机碱液或无机酸液的进口和过氧化氢的加药口相连接；所述的反应容器的壁上还开有污泥进料口和污泥出料口，且所述的污泥进料口高于所述的污泥出料口；

所述的微波反应器外设置有所述的热交换器，且热交换器分别开有第一污泥进料口和第一污泥出料口，及开有第二污泥进料口和第二污泥出料口；其中所述的第一污泥出料口通过管路与所述的反应容器壁上开有的污泥进料口相连通，所述的第二污泥进料口通过管路与所述的反应容器壁上开有的污泥出料口相连通；

所述的反应容器内安装有搅拌器、测温探头、pH探头和液位传感器；

所述的测温探头、所述的pH探头和所述的液位传感器分别通过导线与PLC控制系统相连接。

所述的微波反应器带有PLC控制系统，通过对温度、pH值、液位的监控，实现整个系统的自动运行，主要包括进泥泵、排泥泵的工作控制，计量泵的加药(酸/碱/过氧化氢)控制，微波源磁控管的开启或关闭控制、搅拌器的运行或停止控制等；系统的控制显示和设定通过触摸屏实现。

所述的微波反应器配置PLC控制系统，PLC控制系统的控制过程为：

(1)系统开始运行，进泥泵启动、搅拌器启动，系统开始进料，液位传感器通过对反应容器中的料液位探测，将料液位值反馈给PLC控制系统，控制进泥泵的停止/启动；

(2)进泥泵停止后，试剂A计量泵自动启动，往反应容器中加入试剂A(无机酸水溶液或无机碱水溶液)，pH探头通过测量物料的pH值，将pH值反馈给PLC控制系统，达到设定的pH值后停止试剂A计量泵的工作；

(3)试剂A计量泵停止后，微波源自动启动，发射微波加热物料；测温探头通过测量反应容器中的料液温度，将温度值反馈给PLC控制系统，达到设定的温度值后暂停微波源的工作；

(4)微波暂停工作后，试剂B计量泵自动启动，往反应容器中加入试剂B(如过氧化氢)，通过试剂B的加入量控制试剂B计量泵的停止；

(5)试剂B计量泵停止后，微波源自动启动，加热物料；测温探头通过测量反应容器中的料液温度，将温度值反馈给PLC控制系统，达到设定的温度值后停止微波源的工作，同时停止搅拌器的运行；

(6)微波源与搅拌器停止后，PLC控制系统进入保温计时阶段，到达设定的目标时间后，排泥阀与排泥泵自动开启，开始排泥，液位传感器通过对反应容器中的料液位探测，将料液位值反馈给PLC控制系统，达到设定值后停止排泥阀或排泥泵的工作；

(7)排泥阀与排泥泵停止后，系统可根据设定的循环次数自动进入下一个循环，重复执行步骤(1)-(6)，待所有循环次数执行完毕后系统自动停止。

所述的试剂A计量泵的控制程序可以选择运行，也可以选择不运行，试剂A可以是无机酸水溶液或无机碱水溶液。

所述的无机碱水溶液是NaOH水溶液、Ca(OH)₂水溶液或CaO水溶液。

所述的无机酸水溶液是H₂SO₄水溶液或HCl水溶液。

所述的试剂B计量泵的控制程序可以选择运行，也可以选择不运行，试剂B是过氧化氢。

所述的微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源。

所述的搅拌器的搅拌转速可根据需要设置为40-120rpm。

本发明与现有技术相比其优势在于：

(1)本发明的基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法易于操作，反应温度低(80℃-100℃)，在常压下开放环境即可实现，不再需要高温高压系统。

(2)用无机碱水溶液或无机酸水溶液调节泥水混合液的pH值后，剩余活性污泥的溶胞效率提高，中试条件下可实现COD的平均溶出率超过20％。

(3)调节pH值后的泥水混合液经微波辐射加热处理后，污泥的pH值降低至接近中性，不会对后续处理带来负担。

(4)经本发明方法处理后的污泥回流至活性污泥池后，基本不会影响污水处理系统的出水水质，中试条件下的源头污泥减量率在40％以上。

(5)本发明采用了热交换器单元，可大幅降低处理过程中的能耗。

本发明的方法工艺简单，流程短，效率高，并且加入的过氧化氢可使剩余活性污泥的溶胞效率提高，处理后的剩余活性污泥在实现回流减量的同时，也可进行资源回收利用；本发明的装置投资少，适合各种中小规模剩余污泥处理系统。

附图说明

图1.本发明的基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法的工艺流程示意图。

图2.本发明的微波污泥预处理的装置示意图。

图3.本发明的微波污泥预处理的装置的PLC控制系统逻辑示意图。

附图标记

1.无机碱液或无机酸液的进口        2.过氧化氢的加药口

3.污泥进料口                      4.污泥出料口

5.PLC控制系统                     6.微波反应器的炉腔

7.反应容器                        8.搅拌器

9.测温探头                        10.热交换器

11.pH探头                         12.液位传感器

13.微波源

具体实施方式

实施例1

请参见图2，微波污泥预处理的装置主要包括热交换器、微波反应器和PLC自动控制系统；

一反应容器7内置在带有PLC控制系统5和微波源13(配置2450MHz或者915MHz的微波源)的所述的微波反应器的炉腔6内，在所述的微波反应器的炉腔壁上开有无机碱液或无机酸液的进口1和开有过氧化氢的加药口2，所述的无机碱液或无机酸液的进口1和所述的过氧化氢的加药口2分别通过管路与所述的反应容器7的壁上开有的无机碱液或无机酸液的进口和过氧化氢的加药口相连接；所述的反应容器7的壁上还开有污泥进料口3和污泥出料口4，且所述的污泥进料口高于所述的污泥出料口；

所述的微波反应器外设置有所述的热交换器，且热交换器分别开有第一污泥进料口3和第一污泥出料口4，及开有第二污泥进料口3和第二污泥出料口4；其中所述的第一污泥出料口4通过管路与所述的反应容器7壁上开有的污泥进料口3相连通，所述的第二污泥进料口3通过管路与所述的反应容器7壁上开有的污泥出料口4相连通；

所述的反应容器7内安装有搅拌杆通向所述的微波反应器外的搅拌器8(搅拌器的搅拌转速为40-120rpm)、测温探头9、pH探头11和液位传感器12；

所述的测温探头9、所述的pH探头11和所述的液位传感器12分别通过导线与PLC控制系统相连接。

利用上述装置，针对城市污水处理厂浓缩池排放的含水率为98％-99％的剩余活性污泥(活性污泥浓度为10g/L-20g/L)进行基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的中试研究(中试试验装置的污水处理规模300m³/d)，中试周期为59天，其中污泥回流减量运行时间为30天，工艺流程如图1所示：

(1)开启微波污泥预处理装置，在PLC控制系统的控制面板上分别设定如下主要参数：循环次数＝10，液位1＝110mm，液位2＝0mm，温度1＝80℃，温度2＝100℃，目标pH＝10，剂量B＝0ml。之后开始运行，进入自动控制过程，流程如图3所示。

(2)进泥泵自动启动，搅拌器运行(搅拌转速为120rpm)，将剩余活性污泥的浓度浓缩为16.3±3.7g/L的泥水混合液，将该泥水混合液在热交换器(可利用废热作为热源)中进行预加热处理后批次输送至微波反应器中(微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源)；当液位传感器数值达到液位1设定的数值110mm时，进泥泵自动停止，试剂A计量泵开始运行，将NaOH水溶液抽入反应容器中，当pH探头数值达到目标pH＝10时，试剂A计量泵停止，微波源自动开启，按照5-20℃/分钟的升温速率对泥水混合液进行辐射加热，在对微波反应器中的泥水混合液进行微波辐射加热的同时进行搅拌；当温度探头数值达到温度1(80℃)时，微波源自动暂停，因反应无需加入试剂B(过氧化氢)，剂量B设定值为0，因此微波源在自动暂停后又立即自动开启，继续对污泥进行辐射加热；当温度探头数值达到温度2(100℃)时，微波源自动停止、搅拌器自动停止，进入保温延时，当保温时间达到设定的目标时间5分钟时，排泥阀自动启动，将泥水混合液排入热交换器，对下一批污泥进行预加热；当液位传感器数值达到液位2设定的数值0mm时，排泥阀自动关闭；当循环次数达到设定的10次时，系统停止运行，否则自动进入下一个循环，重复上述操作。在微波辐射加热以及NaOH的协同作用下，剩余活性污泥得到了有效的破解，污泥上清液中的有机物(COD)从165±117mg/L增加至2816±897mg/L，最终pH由10变为7.54±0.29，COD溶胞效率为20.2±6.9％。

(3)从热交换器排出的经上述微波污泥预处理后的污泥通过泵回流至活性污泥池的首端，微波污泥预处理的污泥回流量为0.51m³/d。活性污泥池日处理水量为200m³/d，微波污泥预处理的污泥回流量占进入活性污泥池中的污泥总量的0.51％。微波污泥预处理的污泥回流前，进水COD为349±220mg/L，出水COD为54±16mg/L，污泥产率系数为0.66；微波污泥预处理的污泥回流后，进水COD为346±138mg/L，出水COD为59±15mg/L，污泥产率系数为0.39。由此可见，微波污泥预处理的污泥回流至活性污泥池后，出水水质并未恶化，但系统的源头污泥减量率达到40.9％。

实施例2

(1)将城市污水处理厂利用氧化沟法对污水进行处理得到的浓度为10g/L-20g/L的剩余活性污泥浓缩至浓度为25g/L-30g/L的泥水混合液；

(2)将步骤(1)得到的泥水混合液通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器(微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源)中，用HCl水溶液将所述的泥水混合液的pH调节为3后，再通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器中；

开启微波反应器的微波源，在对微波反应器中的泥水混合液进行微波辐射加热的同时进行搅拌，按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为60-70℃时，关闭微波反应器的微波源，暂时停止微波辐射加热，按照过氧化氢/浓度为25-30g/L的泥水混合液的质量比值为0.2的比例加入过氧化氢，重新开启微波反应器的微波源，继续按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为80℃-100℃时，关闭微波反应器的微波源，停止微波辐射加热和停止搅拌，保温8分钟，出料；

(3)将步骤(2)的出料污泥直接回流至活性污泥池，实现源头污泥减量(回流至所述的活性污泥池中的污泥的回流量不超过同时进入所述的活性污泥池中的污泥总量的30％)；或将步骤(2)的出料污泥排入热交换器中(作为下一批次剩余活性污泥的预热源)，从热交换器中排出的污泥回流至活性污泥池(回流至所述的活性污泥池中的污泥的回流量不超过同时进入所述的活性污泥池中的污泥总量的30％)，实现源头污泥减量。

微波污泥预处理的污泥回流前，进水COD为345mg/L，出水COD为46mg/L，污泥产率系数为0.55；微波污泥预处理的污泥回流后，进水COD为378mg/L，出水COD为52mg/L，污泥产率系数为0.22。由此可见，微波污泥预处理的污泥回流至活性污泥池后，出水水质并未恶化，但系统的源头污泥减量率达到60.0％。

本实施例处理城市污水处理厂浓缩池排放的活性污泥的微波污泥预处理为连续处理或者批量处理。

Claims (10)

1.一种基于微波污泥预处理的源头污泥减量化的方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：

(1)将剩余活性污泥浓缩至浓度为10-30g/L的泥水混合液；

(2)将步骤(1)得到的泥水混合液通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器中，用无机碱水溶液或无机酸水溶液将所述的泥水混合液的pH调节为2.5-12；或用无机碱水溶液或无机酸水溶液将步骤(1)得到的泥水混合液的pH值调节为2.5-12后，再通过热交换器进行预加热处理后输送至微波反应器中；

开启微波反应器的微波源，在对微波反应器中的泥水混合液进行微波辐射加热的同时进行搅拌，按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为60-80℃时，关闭微波反应器的微波源，暂时停止微波辐射加热，按照过氧化氢/浓度为10-30g/L的泥水混合液的质量比值为0-1的比例加入过氧化氢，重新开启微波反应器的微波源，继续按照5-20℃/分钟的升温速率将泥水混合液加热至温度为大于80℃至小于等于100℃时，关闭微波反应器的微波源，停止微波辐射加热和停止搅拌，保温，出料；

(3)将步骤(2)的出料污泥直接回流至活性污泥池，实现源头污泥减量；或将步骤(2)的出料污泥排入热交换器中，从热交换器中排出的污泥回流至活性污泥池，实现源头污泥减量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的保温的时间为5-10分钟。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的热交换器的热量是利用废热或微波辐射加热处理后的污泥作为热源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的无机碱水溶液是NaOH水溶液、Ca(OH)₂水溶液或CaO水溶液；所述的无机酸水溶液是H₂SO₄水溶液或HCl水溶液。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的剩余活性污泥为活性污泥法工艺所产生的剩余活性污泥；所述的活性污泥法包括常规活性污泥法、氧化沟法、A²O法、SBR法或CASS法。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(3)所述的出料污泥直接回流至活性污泥池，或从热交换器中排出的污泥回流至活性污泥池；其回流至所述的活性污泥池中的污泥的回流量不超过同时进入所述的活性污泥池中的污泥总量的30％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的微波污泥预处理为连续处理或者批量处理。

9.一种微波污泥预处理的装置，其特征是：所述的微波污泥预处理的装置主要包括热交换器、微波反应器和PLC自动控制系统；其特征是：

一反应容器内置在带有PLC控制系统和微波源的所述的微波反应器的炉腔内，在所述的微波反应器的炉腔壁上开有无机碱液或无机酸液的进口和开有过氧化氢的加药口，所述的无机碱液或无机酸液的进口和所述的过氧化氢的加药口分别通过管路与所述的反应容器的壁上开有的无机碱液或无机酸液的进口和过氧化氢的加药口相连接；所述的反应容器的壁上还开有污泥进料口和污泥出料口，且所述的污泥进料口高于所述的污泥出料口；

所述的微波反应器外设置有所述的热交换器，且热交换器分别开有第一污泥进料口和第一污泥出料口，及开有第二污泥进料口和第二污泥出料口；其中所述的第一污泥出料口通过管路与所述的反应容器壁上开有的污泥进料口相连通，所述的第二污泥进料口通过管路与所述的反应容器壁上开有的污泥出料口相连通；

所述的反应容器内安装有搅拌器、测温探头、pH探头和液位传感器；

所述的测温探头、所述的pH探头和所述的液位传感器分别通过导线与PLC控制系统相连接。

10.根据权利要求9所述的微波污泥预处理的装置，其特征是：所述的微波反应器配置2450MHz或者915MHz的微波源。

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