CN104193124B - 一种污水-污泥分散处理的组合装置 - Google Patents

Abstract

一种污水-污泥分散处理的组合装置，主要由光催化降解反应装置、三段式生物膜反应器、湿式碳化反应器和间接加热干化装置组成。本发明还公开了利用污水-污泥分散处理的组合装置进行污泥干处理的方法。<pb pnum="1" />

Description

一种污水-污泥分散处理的组合装置

技术领域

本发明涉及一种污水-污泥分散处理的组合装置。

本发明还涉及利用上述装置进行污泥干化处理的方法。

背景技术

2009年，我国城镇污水处理产生湿污泥(含水量80％，下同)中的污水处理与常规污水处理有所差别，其中胶乳状物体较多，如若使用专门的泥水分离系统不但耗时，而且处理效果较差，经济可行性较低。针对这种情况，本发明采用纳米消融装置对污泥中分离出的污水进行处理，减少对环境二次污染的同时做到了资源回收最大化，且本发明对污泥处理过程中可杀死其中的虫卵，去除病原菌及细菌等，最大程度降低含水率干化的污泥含水率大幅度降低，同时保持了原有的营养和热能，为干化污泥饼进一步加工利用提供了有利条件。

本发明针对污泥性质设计的间接加热干化装置，无需设置刮泥板、推进器，其工作过程所需热量全部来源于湿式碳化反应器产生的热量；且最大程度降低含水率，同时保持了污泥原有的营养和热能，为干化污泥饼进一步加工利用提供了有利条件。针对污水性质采用纳米曝气技术强化高级氧化过程，大量产生羟基自由基对污染物质进行氧化，对筛滤过后出水中痕量有机污染物进行无选择性的氧化分解，降低出水毒性，防止污水进入自然环境有所生物富集，最终威胁到人体本身。整个干化过程可灭杀污泥以及污水中的虫卵、病原菌，并使残余多环芳烃类化合物以及杂环类化合物等难降解污染物质变性，丧失原有毒性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污泥干化装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述组合装置进行污泥干化处理的方法。

为实现上述目的，本发明提供的污水-污泥分散处理的组合装置，主要由光催化降解反应装置、三段式生物膜反应器、湿式碳化反应器和间接加热干化装置组成；其中：

湿式碳化反应器的底部设置有纳米曝气盘；湿式碳化反应器的上清液自流至三段式生物膜反应器，湿式碳化反应器内的污泥通过液压泵连接间接加热干化装置的进料口；

三段式生物膜反应器的底部设有排泥孔，排泥孔上方设置有搅拌机，搅拌机周围铺设有低密度流动填料，低密度流动填料上方安置有不锈钢网，不锈钢网上方布设有组合填料，组合填料的表面生长有生物膜，组合填料由下至上的1/3处设有纳米曝气盘；三段式生物膜反应器内最下端为厌氧生物滤池，不锈钢网上方为缺氧生物膜反应段，纳米曝气盘上方为好氧生物膜反应段；三段式生物膜反应器内安装有温度控制仪，该温度控制仪连接并控制安置在三段式生物膜反应器内部的感温控头和加热带；

三段式生物膜反应器的上清液输入光催化降解反应装置内，光催化降解反应装置的内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂，底部开设有排泥口，内部位于排泥口上方设置有曝气盘，曝气盘上设置有紫外灭菌灯；光催化降解反应装置内部剩余空间填充有半导体负载填料；光催化降解反应装置处理后的达标的水排出另用；

间接加热干化装置固定在支架上，间接加热干化装置的外壳为一保温层，外壳内部水平安置两个平行排列的螺旋转盘，螺旋转盘分为两段，靠近进料口一段的螺旋转盘表面光滑，靠近出料口的螺旋转盘表面布满小孔；螺旋转盘的一侧固定有加厚片，固定有加厚片一侧与未固定有加厚片的一侧相合后留有空隙；两个平行排列的螺旋转盘的驱动轴均为中空结构，由电机驱动同向同速动转，并根据污泥所需干化程度调节螺旋盘转动速度；驱动轴的一端设有蒸汽进气孔，另一端设有排水孔；间接加热干化装置的外壳上还开设有空气入口和废气出口。

所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，湿式碳化反应器、三段式生物膜反应器和光催化降解反应装置内的纳米曝气盘分别连接一纳米曝气机。

所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，湿式碳化反应器与三段式生物膜反应器的纳米曝气头进气为O₂，光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为进气为O₃。

所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，三段式生物膜反应器中的低密度流动填料为纳米型烧结陶粒。

所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，光催化降解反应装置内壁负载的非金属掺杂光催化剂为纳米TiO₂粉体；光催化降解反应装置内部填充的半导体负载填料为纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯填料。

所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，间接加热干化装置的外壳为钢板卷成的椭圆形外壳或8字形外壳。

本发明提供的利用上述污水-污泥分散处理的组合装置进行污泥干化处理的方法：

污泥输入湿式碳化反应器，在高温高压条件下注入空气进行湿式碳化，将污泥氧化成无机物；启动时利用超高压蒸汽的热能启动，运行中利用反应放热能够维持系统运行，温度升至200℃以上；经过湿式碳化处理，上清液降温后输入三段式生物膜反应器，含水率降低的污泥进入间接加热干化装置中；

湿式碳化反应器的上清液于三段式生物膜反应器底部进入，污水向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理，在生物滤池厌氧环境的前提下，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA；聚磷菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中，使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N₂散逸出来；同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并且脱除剩余的氨氮；此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至厌氧生物滤池内，由排泥口排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效，上清液导入光催化降解反应装置进行高级氧化处理；

光催化降解反应装置纳米曝气头间歇曝气，由纳米气泡具有的庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提高高级氧化效果，进而有效提高·OH产生率；

湿式碳化后的污泥进入间接加热干化装置进行干化，高压蒸汽自驱动轴的蒸汽进气孔通入，自螺旋转盘上的细孔喷出带动污泥中的水分升温转化为蒸汽，降低含水率，并在潜热释放的过程中进行潜热换热，降低污泥的含水率；污泥中的水汽在热作用下转化为蒸汽，自间接加热干化装置的废气出口排出，空气自空气入口补入；排水口流出的高温水经过加热成为蒸汽进气口原料循环使用，并使用湿式碳化反应器内热量加热，最大程度降低热损失。

所述的方法，其中，湿式碳化反应器内反应温度为120～200℃，压力为2～6Mpa；三段式生物膜反应器内的温度控制在25-35℃；间接加热干化装置中通入的蒸汽为120-140℃。

所述的方法，其中，三段式生物膜反应器与湿式碳化反应器纳米曝气头进气为O₂，用于氧化过程；光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为进气为O₃，提升纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

所述的方法，其中，光催化降解反应装置内紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上。

本发明针对污泥性质设计的间接加热干化装置，无需设置刮泥板、推进器，其工作过程所需热量全部来源于湿式碳化反应器产生的热量；且最大程度降低含水率，同时保持了污泥原有的营养和热能，为干化污泥饼进一步加工利用提供了有利条件。针对污水性质采用纳米曝气技术强化高级氧化过程，大量产生羟基自由基对污染物质进行氧化，对筛滤过后出水中痕量有机污染物进行无选择性的氧化分解，降低出水毒性，防止污水进入自然环境有所生物富集，最终威胁到人体本身。整个干化过程可灭杀污泥以及污水中的虫卵、病原菌，并使残余多环芳烃类化合物以及杂环类化合物等难降解污染物质变性，丧失原有毒性。

附图说明

图1是本发明污水-污泥分散处理的组合装置的结构示意图。

附图中主要组件符号说明：

1光催化降解反应装置；2半导体负载填料；3温度控制仪；4感温控头；5加热带；6三段式生物膜反应器；7组合填料；8湿式碳化反应器；9电机；10支架；11进料口；12间接加热干化装置；13螺旋转盘；14空气入口；15驱动轴；16保温层；17废气出口；18蒸汽进气孔；19出料口；20排水孔；21液压泵；22、30、31纳米曝气盘；23不锈钢网；24低密度流动填料；25搅拌机；26排泥孔；27、32、33纳米曝气机；28紫外灭菌灯。

具体实施方式

请参阅图1。

本发明污水-污泥分散处理的组合装置中：

湿式碳化反应器8的底部设置有纳米曝气盘30，纳米曝气盘30连接一纳米曝气机27。湿式碳化反应器8的上清液自流至三段式生物膜反应器6，湿式碳化反应器8内的污泥通过液压泵21连接间接加热干化装置12的进料口11。湿式碳化反应器8内温度为230～320℃，压力为5～9Mpa，停留时间视产热量而定。

三段式生物膜反应器6的底部设有排泥孔26，排泥孔26上方设置有搅拌机25，搅拌机25周围铺设有低密度流动填料24(低密度流动填料24为纳米型烧结陶粒)，低密度流动填料24上方安置有不锈钢网23以防止低密度流动填料24上行流失，不锈钢网23上方布设有组合填料7，组合填料7的表面生长有生物膜，组合填料7由下至上的1/3处设有纳米曝气盘22，纳米曝气盘22连接一纳米曝气机33。由上述结构将整个三段式生物膜反应器6的内部分为三段，最下端为厌氧生物滤池，不锈钢网上为缺氧生物膜反应段，纳米曝气盘22的上方为好氧生物膜反应段。三段式生物膜反应器6内安装有温度控制仪3，该温度控制仪3连接并控制安置在三段式生物膜反应器6内部的感温控头4和加热带5，通过温控装置将三段式生物膜反应器6内部的温度控制在25-35℃，停留时间建议为2-24h。污水向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理，在生物滤池厌氧环境的前提下，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA；聚磷菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中，使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N₂，散逸出来；同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并且脱除剩余的氨氮。此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至厌氧生物滤池内，由排泥孔口排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效。

三段式生物膜反应器6的上清液输入光催化降解反应装置1内。光催化降解反应装置1的内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂(如纳米TiO₂粉体)，底部开设有排泥孔，内部位于排泥孔上方设置有纳米曝气盘31，纳米曝气盘31连接一曝气机32。纳米曝气盘31上设置有紫外灭菌灯28，紫外灭菌灯外设有一防水套筒；光催化降解反应装置1内部剩余空间填充有半导体负载填料2(如纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯填料)。光催化降解反应装置1处理后的达标的水排出另用。

间接加热干化装置12固定在支架10上，间接加热干化装置12的外壳为钢板卷成的椭圆形外壳或8字形外壳。间接加热干化装置12的外壳为一保温层16，外壳内部水平安置两个平行排列的螺旋转盘13，螺旋转盘13分为两段，靠近进料口11一段的螺旋转盘表面光滑，该段的长度约为整个螺旋转盘13长度的2/3，靠近出料口19一段的螺旋转盘表面布满小孔。螺旋转盘13的一侧固定有加厚片，固定有加厚片一侧与未固定有加厚片的一侧相合后留有空隙；两个平行排列的螺旋转盘的驱动轴15均为中空结构，由电机9驱动同向同动转，并根据污泥所需干化程度调节螺旋盘转动速度。驱动轴15的一端设有蒸汽进气孔18，另一端设有排水孔20；间接加热干化装置12的外壳上还开设有空气入口14和废气出口17。

本发明的污水-污泥分散处理的组合装置进行污泥干化处理的方法是：

污泥输入湿式碳化反应器，在高温高压条件下注入空气(湿式碳化反应器内反应温度为120～200℃，压力为2～6Mpa)，在反应器内进行湿式碳化，湿式碳化反应器纳米曝气头进气为O₂，将污泥氧化成无机物，启动时利用超高压蒸汽的热能启动，运行中利用反应放热能够维持系统运行(自热运行)，温度很快升高至200℃；本发明利用纳米曝气装置达成有机污泥碳化工艺，纳米气泡的爆破性产生的局部高温功能、ζ电位和羟基自由基可以促使有机物快速碳化，使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。

反应过程热量回收用于蒸汽加热，提高能源利用效率，降低能耗及运行成本。经过湿式碳化处理，含水率降低的污泥进入间接加热干化装置中，湿式碳化反应器的上清液降温后输入三段式生物膜反应器；

湿式碳化后的污泥进入间接加热干化装置进行干化，120-140℃的高温蒸汽自驱动轴的蒸汽进气孔一端通入，并向排水孔方向流动。蒸汽首先自螺旋转盘上的细孔喷出，通入干化后期污泥中，带动其中水分升温转化为蒸汽，降低含水率；而后蒸汽继续沿驱动轴流动，在潜热释放的过程中进行潜热换热，降低污泥的含水率；污泥中的水汽在热作用下转化为蒸汽，自间接加热干化装置的废气出口排出，空气自空气入口补入；排水口流出的高温水经过加热成为蒸汽进气口原料循环使用，并使用湿式碳化反应器内热量加热，最大程度降低热损失。通过间接加热干化装置进行干化，使污泥含水率降至30％-40％乃至全干。

湿式碳化反应器的上清液于三段式生物膜反应器底部进入，整个生物膜反应器内分为三段，最下端为厌氧生物滤池、钢网上为缺氧生物膜反应段、最上方为好氧生物膜反应段。污水自三段式生物膜反应器底部向上流动的过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理。三段式生物膜反应器的纳米曝气头进气为O₂，用于氧化过程。在生物滤池厌氧环境的前提下，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA；聚磷菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中，使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N₂，散逸出来；同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并且脱除剩余的氨氮。此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至生物滤池内，由排泥口排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效。上清液导入光催化降解反应装置进行高级氧化处理。

光催化降解反应装置纳米曝气头间歇曝气，光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为O₃，提升纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提高高级氧化效果，进而有效提高·OH产生率。光催化降解反应装置内紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上。

Claims (10)

1.一种污水-污泥分散处理的组合装置，主要由光催化降解反应装置、三段式生物膜反应器、湿式碳化反应器和间接加热干化装置组成；其中：

湿式碳化反应器的底部设置有纳米曝气盘；湿式碳化反应器的上清液自流至三段式生物膜反应器，湿式碳化反应器内的污泥通过液压泵连接间接加热干化装置的进料口；

三段式生物膜反应器的底部设有排泥孔，排泥孔上方设置有搅拌机，搅拌机周围铺设有低密度流动填料，低密度流动填料上方安置有不锈钢网，不锈钢网上方布设有组合填料，组合填料的表面生长有生物膜，组合填料由下至上的1/3处设有纳米曝气盘；三段式生物膜反应器内最下端为厌氧生物滤池，不锈钢网上方为缺氧生物膜反应段，纳米曝气盘上方为好氧生物膜反应段；三段式生物膜反应器内安装有温度控制仪，该温度控制仪连接并控制安置在三段式生物膜反应器内部的感温控头和加热带；

三段式生物膜反应器的上清液输入光催化降解反应装置内，光催化降解反应装置的内壁均匀负载一层非金属掺杂光催化剂，底部开设有排泥口，内部位于排泥口上方设置有纳米曝气盘，纳米曝气盘上设置有紫外灭菌灯；光催化降解反应装置内部剩余空间填充有半导体负载填料；光催化降解反应装置处理后的达标的水排出另用；

间接加热干化装置固定在支架上，间接加热干化装置的外壳为一保温层，外壳内部水平安置两个平行排列的螺旋转盘，螺旋转盘分为两段，靠近进料口一段的螺旋转盘表面光滑，靠近出料口的螺旋转盘表面布满小孔；螺旋转盘的一侧固定有加厚片，固定有加厚片一侧与未固定有加厚片的一侧相合后留有空隙；两个平行排列的螺旋转盘的驱动轴均为中空结构，由电机驱动同向同速动转，并根据污泥所需干化程度调节螺旋盘转动速度；驱动轴的一端设有蒸汽进气孔，另一端设有排水孔；间接加热干化装置的外壳上还开设有空气入口和废气出口。

2.根据权利要求1所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，湿式碳化反应器、三段式生物膜反应器和光催化降解反应装置内的纳米曝气盘分别连接一纳米曝气机。

3.根据权利要求1或2所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，湿式碳化反应器与三段式生物膜反应器的纳米曝气盘进气为O₂，光催化降解反应装置的纳米曝气头盘气为进气为O₃。

4.根据权利要求1所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，三段式生物膜反应器中的低密度流动填料为纳米型烧结陶粒。

5.根据权利要求1所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，光催化降解反应装置内壁负载的非金属掺杂光催化剂为纳米TiO₂粉体；光催化降解反应装置内部填充的半导体负载填料为纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯填料。

6.根据权利要求1所述污水-污泥分散处理的组合装置，其中，间接加热干化装置的外壳为钢板卷成的椭圆形外壳或8字形外壳。

7.利用权利要求1所述污水-污泥分散处理的组合装置进行污泥干化处理的方法：

污泥输入湿式碳化反应器，于120～200℃，压力为2～6Mpa条件下注入空气进行湿式碳化，将污泥氧化成无机物；启动时利用超高压蒸汽的热能启动，运行中利用反应放热能够维持系统运行，温度升至200℃以上；经过湿式碳化处理，上清液降温后输入三段式生物膜反应器，含水率降低的污泥进入间接加热干化装置中；

湿式碳化反应器的上清液于三段式生物膜反应器底部进入，污水向上流动过程中经历厌氧、缺氧、好氧三段生物处理，在生物滤池厌氧环境的前提下，兼性厌氧发酵菌先将易降解大分子有机物转化为小分子的VFA；聚磷菌吸收小分子有机物合成PHB储存在细胞内，同时将聚磷水解成正磷酸盐，释放到污水中，使污水中磷浓度升高；在缺氧生物膜反应段内，硝化菌在低氧条件下对污水内氨氮进行硝化反应，反硝化菌吸收了小分子有机物作为碳源，污水中硝酸根被反硝化为N₂散逸出来；同时缺氧环境导致磷的释放，在好氧生物膜反应段内，微生物消解污水中残余的有机物，并且脱除剩余的氨氮；此时污水内碳源在前两步内已经大量消耗，聚磷菌主要靠分解内部储存的PHB获得能量进行繁殖，同时吸收储存污水内的磷；污泥沉淀至厌氧生物滤池内，由排泥口排出，污水部分回流与进水混合，降低进水负荷，并对残余硝氮有再处理功效，上清液导入光催化降解反应装置进行高级氧化处理；

光催化降解反应装置纳米曝气盘间歇曝气，由纳米气泡具有的庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提高高级氧化效果，进而有效提高·OH产生率；

湿式碳化后的污泥进入间接加热干化装置进行干化，高温高压蒸汽自驱动轴的蒸汽进气孔通入，自螺旋转盘上的细孔喷出带动污泥中的水分升温转化为蒸汽，降低含水率，并在潜热释放的过程中进行潜热换热，降低污泥的含水率；污泥中的水汽在热作用下转化为蒸汽，自间接加热干化装置的废气出口排出，空气自空气入口补入；排水口流出的高温水经过加热成为蒸汽进气口原料循环使用，并使用湿式碳化反应器内热量加热，最大程度降低热损失。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，三段式生物膜反应器内的温度控制在25-35℃；间接加热干化装置中通入的蒸汽为120-140℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，三段式生物膜反应器与湿式碳化反应器纳米曝气头进气为O₂，用于氧化过程；光催化降解反应装置的纳米曝气头进气为进气为O₃，提升纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，光催化降解反应装置内紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上。