CN109675510A - 柱形升流式耦合超声波反应器及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种柱形升流式耦合超声波反应器及操作方法。柱形升流式耦合超声波反应器由反应器底部的大功率超声波换能器、柱形升流式反应器槽体、多频低功率超声波换能器、超声波反应器箱体、超声波电源和电路系统组成。大功率超声波换能器频率20‑40kHz，功率1‑3kW。多频低功率超声波换能器频率为20‑60kHz，单个换能器功率50‑200W。大功率超声波换能器置于反应器底部，多频低功率超声波换能器按频率布置于反应器槽体侧壁，且每侧壁由上至下、相邻侧壁的相邻换能器按照频率大小不同分布。柱式反应器槽体为多边柱体。污泥在超声波反应器中破解后，溶解性COD浓度升高20％以上，产气周期缩短7天以上。

Description

柱形升流式耦合超声波反应器及操作方法

技术领域

本发明公开了一种柱形升流式耦合超声波反应器及操作方法。

背景技术

随着经济的发展，城镇化进度不断加快，污水处理厂的数量也逐渐增多，污泥，作为污水处理厂的副产物，数量也逐渐增加。污泥中组分复杂，包括大量有机物、氮、磷、重金属等物质，如果没有进行妥善处理处置，会对环境产生较为严重的污染。常用的污泥处理方法有填埋、焚烧、厌氧消化等，其中，厌氧消化可以实现污泥的减量化、稳定化、资源化和无害化，是众多处理方法中，厌氧消化极有应用前景。但是由于污泥中大量的有机物被微生物菌胶团所包裹，如果直接进行厌氧消化，常需要较长的时间才能水解微生物细胞壁和菌胶团，释放有机物进入液相，极大的抑制了厌氧消化效率和甲烷的产量。超声波作为一种预处理的方法，可以破解污泥细胞壁和菌胶团，将污泥中的有机物暴露于液相环境，从而有效的缩短厌氧消化的时间，提高反应效率，增加生物气产量。

超声波是指频率在20-100kHz范围内的声波，作为一种物理化学方法，在医疗、机械制造、清洗等行业已有成熟应用。随着环境技术的发展，超声在污水处理领域也有了工业化应用，其作用机制主要是利用声波在液体中的空化作用，产生爆裂气泡和自由基，从而降解有机污染物。自19世纪90年代超声波首次应用于污泥的破解研究开始，近年来超声波已经成为了污泥领域研究的热点。许多文献已报道超声波可以有效破解污泥，使污泥中有机物从固相转化为液相，从而促进厌氧消化效率。然而，现有的超声波技术和设备大多是高能耗低处理量，这严重制约了超声波技术的工业化进程。因此，截至目前，超声波技术在污泥处理领域仍未见成熟的工业化应用。

传统的超声波反应器可分为变幅杆式超声波反应器和槽式超声波反应器。变幅杆式超声波反应器的特点是具有较大的破解功率，从而具有较强的破解声场，污泥在该反应器中可以在短时间内得到有效的破解，然而由于所有的功率集中于单换能器探头上，在反应器内的破解声场均匀度较差，容易造成能源的浪费。而槽式超声波反应器主要是利用多个压电陶瓷式超声波换能器布置于反应器底部或侧壁，其反应器声场均匀度较好，且有声波驻波可以增强其破解效果，能源利用效率较高，并且槽式超声波反应器具有较大的处理流量，但是由于其功率较低，声场弱，常需要较长的破解时间才能达到理想的破解效果。目前，德国科学家在变幅杆式超声波反应器预处理污泥领域已有工业化的尝试，但由于其能耗较高，处理量有限，在世界范围内应用较少。而槽式超声波反应器虽然在超声波清洗领域已有成熟应用，但由于破解程度较低，在污泥预处理领域仅限于实验室规模，未见有工业化规模的应用。

各国的科学家对如何降低超声能耗、提高超声反应器处理效率和缩短停留时间上进行了大量的试验研究。其中大部分是通过和其他方法相结合，如超声波耦合碱解、超声波耦合生物菌剂、超声波耦合热预处理等等，通过和其他方法耦合时不同破解机制的作用，发挥协同作用，可以取得较好的破解效果，但是由于该类方法需要对设备或工艺进行更新，极大了增加了工艺成本，或要求投加药剂，容易对环境带来污染，因此并未得到广泛的应用。

发明内容

为解决此类问题，本发明提出了一种柱形升流式耦合超声波反应器。污泥由该柱形升流式耦合超声波反应器底部流入，升流至顶部流出，升流的目的第一是可以使污泥充分填满整个反应器，从而超声波不会空放，且底部流入顶部流出，可以使污泥处于搅拌的状态，污泥更均匀的流经反应器腔体，有利于超声破解；第二是可以实现动态破解，从而处理量扩大化，实现工业化应用。

本发明的技术方案如下：

一种柱形升流式耦合超声波反应器；柱形升流式耦合超声波反应器主要由反应器底部的大功率超声波换能器、反应器槽体、多频低功率超声波换能器、反应器外壳和超声波电源组成；大功率超声波换能器设置在反应器底部，多台多频低功率超声波换能器布置于反应器槽体侧壁上，且每侧壁的上下换能器、两侧壁相邻的左右换能器频率依次不同。

所述反应器顶部设置有反应器的排气控制阀，反应器的多频低功率超声波换能器设置在反应器槽体侧壁外，反应器外壳为柱形，大功率超声波换能器设置在反应器槽体底部，反应器底部侧壁设置有进口控制阀；反应器槽体的顶部设置有检修法兰口；反应器槽体的顶部侧壁设置有出口控制阀；反应器槽体的底部设置有排污控制阀，污泥反应器槽体为柱形槽体，位于反应器外壳内部，槽体内为污泥破解区域。

所述的超声波电源设有两台，一台控制大功率超声波换能器，一台控制多频低功率超声波换能器；两台超声波电源控制换能器单独启停；根据破解效果调整布置不同数量的换能器。

所述的反应器底部设有单台大功率超声波换能器的探头，在大功率换能器探头辐射范围的反应器槽体侧壁外面，分别设有多台多个频率、低功率的超声波换能器，多个频率交错布置，使每侧壁上下、相邻左右两侧壁两个相邻的换能器频率均不相同；底部和侧壁超声波换能器共同辐射污泥破解反应区域。

所述的超声波电源功率数字显示实时超声波功率，且在操作过程中，根据破解效果在0-100％范围内调增或调减输入功率。

反应器内设有污泥液位监测的浮球式低液位报警器，液位监测的系统采用浮球式低液位报警器。当反应器内污泥液位较低，即未达到超声波换能器辐射范围液位时，如果此时强行开启超声波换能器电源，会自动启动报警，当污泥液位达到超声波换能器辐射范围时，此时可以开启超声波换能器电源。

本发明的柱形升流式耦合超声波反应器的操作方法如下：

柱形升流式耦合超声波反应器的形状尺寸可根据破解规模、破解污泥性质的实际需求进行调整，一般来讲，反应器形状需保证超声波声场强度分布均匀，反应器内超声波破解区域死角较少，反应器内流体无阻碍的流通即可，四-六或更多边形柱体、圆形柱体都认为具有较好的破解效果。

本发明的柱形升流式耦合超声波反应器的操作方法，反应器操作步骤如下：

1)打开排气控制阀、进口控制阀、出口控制阀，保持排污控制阀关闭状态，启动污泥泵电源开关，由污泥泵向超声波污泥柱体内输送污泥；

2)待污泥达到出口液位时会由出口控制阀中流出，此时关闭排气控制阀；

3)启动大功率及多频低功率超声波电源，开始破解反应。

所述的大功率超声波换能器参数为：频率20-40kHz，功率1-3kW。

所述的的多频低功率超声波换能器参数为：频率为20-60kHz，单个换能器功率50-200W。

所述的污泥泵的流量Q，应根据污泥在反应器中所需的破解时间T和反应器的容积V计算选择，Q＝V/T。

具体说明如下：

柱形升流式耦合超声波反应器装置如附图1～4所示。

柱形升流式耦合超声波反应器的耦合超声波声场是由底部或侧壁布置的多台不同类型的超声波探头实现的；底部设有单台大功率超声波换能器探头，在该大功率换能器探头辐射范围的反应器槽体侧壁外面，分别设有多台多个频率、低功率的超声波换能器，多个频率交错布置，使每侧壁上下、相邻左右两侧壁两个相邻的换能器频率均不相同；对底部和侧壁超声波换能器的优化布局可以使多个超声波换能器共同辐射污泥破解反应区域，且声场不会抵消，最大化形成驻波和耦合声场，以增强声波的破解作用。

该柱形升流式耦合超声波反应器主要由反应器底部的大功率超声波换能器、柱形升流式反应器槽体、多频低功率超声波换能器、超声波反应器箱体、超声波电源和电路系统组成。大功率超声波换能器参数为：频率20-40kHz，功率1-3kW。多频低功率超声波换能器参数为：频率为20-60kHz，单个换能器功率50-200W。其中，大功率超声波换能器置于反应器底部，多频低功率超声波换能器按频率依次布置于反应器槽体侧壁，且每侧壁由上至下、相邻侧壁的相邻换能器按照频率大小依次分布。柱式反应器槽体为多边柱体，横截面为多边形，材料为304不锈钢。超声波电源设有两台，一台控制大功率超声波换能器，一台控制多频低功率超声波换能器，电源功率数字显示实时超声波功率，且在操作过程中，可根据破解效果在0-100％范围内调增或调减输入功率。

反应器底部设有污泥进口控制阀、排污控制阀。反应器顶部设有污泥出口控制阀、排气控制阀、法兰检修口。污泥经污泥泵输送至反应器内，由底部进入，液位达到顶部出泥口液位时自动流出。

为避免超声波换能器空放而导致设备损坏，反应器内设有污泥液位监测的浮球式低液位报警器，若污泥未达出口液位，超声波换能器被禁止启动，若启动则会报警，当污泥达到出口液位时，超声波换能器允许启动，防止超声波换能器空放。

反应器底部设有大功率超声波换能器，反应器槽体侧壁上布置有多频低功率超声波换能器，两种换能器可单独控制启停。多台多频低功率超声波换能器布置于反应器槽体侧壁上，且每侧壁上下、相邻左右两侧壁的相邻换能器频率依次不同，两台超声波电源可以单独控制启停，可以根据破解效果调整布置不同数量的换能器。

柱形升流式耦合超声波反应器可按照具体要求实施连续式破解，另需要配备一台污泥泵向反应器中输送污泥，具体工作过程实施方式如下：

1)进泥

打开排气控制阀、进口控制阀、出口控制阀，保持排污控制阀关闭状态，启动污泥泵电源开关，由污泥泵向超声波污泥柱体内输送污泥，待污泥达到出口液位时会由出口控制阀中流出，此时关闭排气控制阀，并进行下一步；

污泥泵的流量Q，应根据污泥在反应器中所需的破解时间T和反应器的容积V计算选择。

即：Q＝V/T。

2)反应

启动大功率及多频低功率超声波电源，开始破解反应。

污泥在超声波反应器中破解后，可以使污泥的粒径减小，溶解性COD浓度升高20％以上，溶解性蛋白质和多糖的浓度根据污泥性质均有不同程度的增加，同时，厌氧消化性能得到改善，产气量增加15％以上，产气周期缩短7天以上。

附图说明

图1为发明的柱形升流式耦合超声波反应器主视图。

图2是发明的柱形升流式耦合超声波反应器俯视图。

图3是发明的柱形升流式耦合超声波反应器左视图。

图4是发明的柱形升流式耦合超声波反应器横剖图。

其中，1-排气控制阀、2-多频低功率超声波换能器、3-反应器外壳、4-大功率超声波换能器、5-进口控制阀、6-检修法兰口、7-出口控制阀、8-排污控制阀、9-污泥反应器槽体。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，柱形升流式耦合超声波反应器，反应器形状为四方体柱体，反应器长宽高尺寸分别为0.4m、0.4m、0.8m，即容积为128L，反应器底部设有大功率超声波反应器，四个反应器槽体侧壁外布置有单列四种不同频率的低功率超声波换能器，其中，多频低功率超声波换能器2的实施频率为20、32、41、55kHz，功率为100W，同侧壁多频低功率超声波换能间距为0.15m。

四个侧壁的多频低功率超声波换能器2的布置方式分别为：

侧壁1：20、32、41、55kHz；

侧壁2：55、41、32、20kHz；

侧壁3：41、55、20、32kHz；

侧壁4：32、20、55、41kHz。

大功率超声波换能器4的实施频率范围为20kHz，功率为2kW。

其中，排气控制阀1位于反应器的顶部侧壁，多频低功率超声波换能器2布置于反应器槽体侧壁9外，大功率超声波换能器4位于反应器槽体底部，进口控制阀5位于反应器底部侧壁，检修法兰口6是螺母型可拆卸法兰，位于反应器槽体的顶部，污泥出口控制阀7位于反应器槽体的顶部侧壁，污泥排污控制阀8位于反应器槽体的底部，用于清洗出水或排出淤泥，反应器槽体9内为污泥破解区域。

柱形升流式耦合超声波反应器具体工作过程实施方式如下：

本实施方式的装置，对某市政污水处理厂回流污泥进行了破解，该厂采用A/O(厌氧/好氧)工艺，处理能力为200,000m³/d。根据小试试验，破解时间选用1-2min，根据污泥泵流量计算公式Q＝V/T，计算得出污泥泵流量为4m³/h。

实施步骤如下：

1)污泥浓缩

将取回的回流污泥静沉，去除上清液，获得固体浓度为3％的污泥。

2)进泥

打开排气控制阀、进口控制阀、出口控制阀，保持排污控制阀关闭状态，启动污泥泵电源开关，由污泥泵向超声波污泥柱体内输送污泥，待污泥达到出口液位时会由出口控制阀中流出，此时关闭排气控制阀，并进行下一步；

2)反应

污泥达到出口液位时，启动大功率超声波换能器4及多频低功率超声波换能器2的电源，开始破解反应。

对本装置预处理后污泥的COD溶出率、厌氧消化产气量和停留时间进行了分析，结果证明，可以对污泥获得41％的COD溶出率，且厌氧消化产气量相比未处理污泥增加了33.3％，停留时间由30天缩短至20天。

实施例2

如图1所示，升流式耦合超声波反应器，反应器形状为六方体柱体，横截面为正六边形，边长为0.3m，正方体高为1.2m，即反应器容积为280L，底部设有大功率超声波反应器4，反应器槽体9侧壁上布置有单列六种不同频率的低功率超声波换能器2。

其中，多频低功率超声波换能器2的实施频率范围为20、25、32、41、52、60kHz，功率为100W，同侧壁上下多频低功率超声波换能器间距为0.15m。

六个侧壁的多频低功率超声波换能器2的布置方式分别为：

侧壁1：20、25、32、41、52、60kHz；

侧壁2：25、32、41、52、60、20kHz；

侧壁3：32、41、52、60、20、25kHz；

侧壁4：41、52、60、20、25、32kHz；

侧壁5：52、60、20、25、32、41kHz；

侧壁6：60、20、25、32、41、52kHz。

大功率超声波换能器4的实施频率范围为20kHz，功率为3kW。

如图4所示，图示反应器槽体9形状为六边形柱体，其余图示位置及连接方式不变。

本实施方式的装置，对某市政污水处理厂回流污泥进行了破解，该厂浓缩污泥TS浓度为5％。根据小试试验，破解时间选用1-2min。根据污泥泵流量计算公式Q＝V/T，计算得出污泥泵流量为8.5m³/h。

对本装置预处理后污泥的COD溶出率、厌氧消化产气量和停留时间进行了分析，结果证明，可以对污泥获得36％的COD溶出率，且厌氧消化产气量相比未处理污泥增加了25.8％，停留时间由33天缩短至18天。

实施例3

如图1所示，升流式耦合超声波反应器，反应器形状为圆柱体，圆形横截面半径为0.2m，圆柱体高为0.8m，反应器容积为100L。底部设有大功率超声波反应器4，反应器槽体9侧壁上按照一定的距离间隔依次布置有四种不同频率的低功率超声波换能器2，左右、上下相邻的低功率超声波换能器频率依次不同。

其中，多频低功率超声波换能器2的实施频率范围为20、31、44、55kHz，多频低功率超声波换能器功率为100W，上下相邻多频低功率超声波换能器间距为0.15m，左右相邻多频低功率超声波换能器间距为0.314m弧长。

四列多频低功率超声波换能器2的布置方式分别为：

列1：20、31、44、55kHz；

列2：55、44、31、20kHz；

列3：44、55、20、31kHz；

列4：31、20、55、44kHz。

大功率超声波换能器4的实施频率范围为20kHz，功率为3kW。

如图4所示，图示反应器槽体9形状为圆柱体，其余图示位置及连接方式不变。

本实施方式的装置，对某市政污水处理厂回流污泥进行了破解，该厂浓缩污泥TS浓度为3％。根据小试试验，破解时间选用1-2min。根据污泥泵流量计算公式Q＝V/T，计算得出污泥泵流量为3m³/h。

对本装置预处理后污泥的COD溶出率、厌氧消化产气量和停留时间进行了分析，结果证明，可以对污泥获得28％的COD溶出率，且厌氧消化产气量相比未处理污泥增加了35.8％，停留时间由37天缩短至28天。

实施例4

柱形升流式耦合超声波反应器，反应器形状为四方体柱体，反应器长宽高尺寸分别为0.45m、0.45m、0.8m，即容积为160L，反应器底部设有大功率超声波反应器，四个反应器槽体侧壁外布置有两列四种不同频率的低功率超声波换能器，其中，多频低功率超声波换能器2的实施频率为20、32、41、55kHz，功率为100W，同侧壁多频低功率超声波换能左右、上下间距均为0.15m。

四个侧壁上，两列多频低功率超声波换能器2的布置方式分别为：

侧壁1：列1：20、32、41、55kHz；列2：55、41、32、20kHz；

侧壁2：列1：55、41、32、20kHz；列2：41、55、20、32kHz；

侧壁3：列1：41、55、20、32kHz；列2：32、20、55、41kHz；

侧壁4：列1：32、20、55、41kHz；列2：20、32、41、55kHz。

大功率超声波换能器4的实施频率范围为20kHz，功率为3kW。

如图4所示，图示反应器槽体9形状为四边形柱体，四个反应器槽体侧壁外布置有两列四种不同频率的低功率超声波换能器，其余图示位置及连接方式不变。

本实施方式的装置，对某市政污水处理厂回流污泥进行了破解，该厂浓缩污泥TS浓度为3％。根据小试试验，破解时间选用1-2min。根据污泥泵流量计算公式Q＝V/T，计算得出污泥泵流量为5m³/h。

对本装置预处理后污泥的COD溶出率、厌氧消化产气量和停留时间进行了分析，结果证明，可以对污泥获得32％的COD溶出率，且厌氧消化产气量相比未处理污泥增加了31％，停留时间由30天缩短至21天。

以上对发明预处理污泥的过程进行了阐述，有助于理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柱形升流式耦合超声波反应器；其特征是柱形升流式耦合超声波反应器主要由反应器底部的大功率超声波换能器、反应器槽体、多频低功率超声波换能器、反应器外壳、超声波电源和电路系统组成；大功率超声波换能器设置在反应器底部，多台多频低功率超声波换能器布置于反应器槽体侧壁上，且每侧壁的上下换能器、两侧壁相邻的左右换能器频率依次不同。

2.如权利要求1所述的反应器；其特征是反应器顶部设置有反应器的排气控制阀1，反应器的多频低功率超声波换能器设置在反应器槽体侧壁外，反应器外壳为柱形，大功率超声波换能器设置在反应器槽体底部，反应器底部侧壁设置有进口控制阀；反应器槽体的顶部设置有检修法兰口；反应器槽体的顶部侧壁设置有出口控制阀；反应器槽体的底部设置有排污控制阀，污泥反应器槽体为柱形槽体，位于反应器外壳内部，槽体内为污泥破解区域。

3.如权利要求1所述的反应器；其特征是超声波电源设有两台，一台控制大功率超声波换能器，一台控制多频低功率超声波换能器；两台超声波电源控制换能器单独启停；根据破解效果调整布置不同数量的换能器。

4.如权利要求1所述的反应器；其特征是底部设有单台大功率超声波换能器的探头，在大功率换能器探头辐射范围的反应器槽体侧壁外面，分别设有多台多个频率、低功率的超声波换能器，多个频率交错布置，使每侧壁上下、相邻左右两侧壁两个相邻的换能器频率均不相同；底部和侧壁超声波换能器共同辐射污泥破解反应区域。

5.如权利要求3所述的反应器；其特征是超声波电源功率数字显示实时超声波功率，且在操作过程中，根据破解效果在0-100％范围内调增或调减输入功率。

6.如权利要求1所述的反应器；其特征是反应器内设有污泥液位监测的系统，液位监测的系统采用浮球式低液位报警器。

7.如权利要求1所述的柱形升流式耦合超声波反应器的操作方法，其特征是步骤如下：

1)打开排气控制阀、进口控制阀、出口控制阀，保持排污控制阀关闭状态，启动污泥泵电源开关，由污泥泵向超声波污泥柱体内输送污泥；

2)待污泥达到出口液位时会由出口控制阀中流出，此时关闭排气控制阀；

3)启动大功率及多频低功率超声波电源，开始破解反应。

8.如权利要求9所述的的方法，其特征是大功率超声波换能器参数为：频率20-40kHz，功率1-3kW。

9.如权利要求9所述的的方法，其特征是多频低功率超声波换能器参数为：频率为20-60kHz，单个换能器功率50-200W。

10.如权利要求9所述的的方法，其特征是污泥泵的流量Q，应根据污泥在反应器中所需的破解时间T和反应器的容积V计算选择，Q＝V/T。