CN109970293A - 一种强化城市污泥超声波预处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化城市污泥超声波预处理的方法，采用在高压环境下将足够多的微米气泡溶于水中，得到微米气泡水，气泡粒径在1～40微米；将微米气泡水和污泥液体混合，使气泡在污泥内部均匀分散；污泥液体进入密封环境的反应单元内，快速对污泥外部环境进行加压；在压强达到2MPa时开启超声，进行污泥颗粒的超声波处理，高效地实现细胞有机物的破胞融出；超声过程中，不断搅拌污泥，污泥的外部加压环境维持在2MPa。本发明在污泥超声融胞过程中引入微米气泡和加压环境，极大地强化了污泥颗粒的融胞过程，为城市污泥预处理提供重要的绿色技术方案，实现显著的社会效益和环境效益。

Description

一种强化城市污泥超声波预处理的方法

技术领域

本发明涉及污水污泥处理技术领域，特别涉及到一种强化城市污泥超声波预处理的方法。

背景技术

随着活性污泥法处理生活污水的普及应用，剩余污泥产量急剧增加，污泥产量已经达到4300万吨/年(以含水率80％计)，剩余污泥处理处置形势日益严峻。污泥的超声波预处理是一种有效促使污泥分解的方法，分解速度快，适用范围广。超声破解污泥的主要方式为空化效应，和随之产生的热效应和化学效应。其中空化作用更容易在20-40kHz的频率范围内发生，低频41kHz超声波对污泥分解是最有效的。超声能量在污泥中传播的过程中会产生压力、拉力，其中压力使颗粒态的污泥聚集，拉力使离子发生分离，在拉力区域会出现空化泡，这些小气泡不断变大最终发生破裂，从而形成冲击波出现瞬间的高温高压(5000℃，500atm)。冲击波产生的机械剪切力和射流使得污泥细胞膜发生破裂，同时伴随着因水分子分解而产生的羟基自由基，氧化无机物和有机物。

与其它脱水技术相比，污泥超声预处理的成本和能耗已经有了大幅降低，有较好的市场前景。然而，长时间的超声处理会使水体发热，超声设备长时间使用，严重降低设备寿命，并且污泥厌氧消化超声预处理时间长能耗大等问题，尚没有得到有效的解决。

专利名为有机固体物水解方法及其装置(CN102417283B)中提出一种将含有可燃性气体气泡的纳米气泡水，与污水混合进行超声处理，利用纳米气泡来增加额外气穴效应产生的机率，并通过可燃气体增加气穴效应产生冲击力的效果。然而，该专利没有考虑到超声一段时间后水中气泡会上浮进入空气，水体发热也会降低气体在水中溶解度，纳米气泡无法在水中长久地存在，造成处理效率的降低；以可燃沼气来制备纳米气泡，没有考虑到沼气中大量氨气、硫化氢等气体在水中溶解积累，不利于后续厌氧消化的进行，并不适用于城市污泥的超声波预处理。

因此，如何强化提高城市污泥厌氧消化超声预处理的效果，缩短超声过程的污泥停留时间从而降低能耗，是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种强化城市污泥超声波预处理的方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种强化城市污泥超声波预处理的方法，包括如下操作方法：

S1、首先在高压环境下对水进行曝气使空气溶于水中，得到微米气泡水，微米气泡水的微米气泡粒径在1～40微米；再将微米气泡水通过压力泵送入污泥液体内进行混合搅拌，使微米气泡在污泥液体内部均匀分散；

S2、将污泥液体送入密封环境的反应单元内然后进行空气加压，在30s内使反应单元中污泥液体外部环境的压强达到2MPa，使得微米气泡的内部压强也得到增大；

S3、在加压达到2MPa后，开启超声进行污泥颗粒的超声波处理，超声过程持续20～30min，实现细胞有机物的破胞融出；超声过程中不断搅拌污泥液体，污泥液体的外部加压环境维持在2MPa。

进一步的，所述污泥液体的含水率为90％～95％。

进一步的，所述超声波比能为7000kJ/kg TS。

进一步的，所述微米气泡在加压环境下溶于水相，再与污泥液体混合搅拌。

进一步的，所述微米气泡均匀地分散在污泥中，微米气泡的粒径在1～40微米作为超声空化过程的反应起始位点。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种环境友好、快速高效的城市污泥预处理方法，在污泥超声融胞过程中引入微米气泡和加压环境，极大地强化了污泥颗粒的融胞过程，为城市污泥厌氧消化预处理提供重要的绿色技术方案，实现显著的社会效益和环境效益。本发明主要具有以下显著的优势：

(1)在污泥超声融胞过程中引入微米气泡，通过强化空化作用极大地改善了污泥颗粒的融胞过程，缩短超声处理时间，降低能耗，延长超声设备使用寿命，无需添加其他试剂，具有显著的经济效益和环境效益。

(2)在超声中引入加压环境，极大地缩短微米气泡内气体分子间的距离，并且高压强增加了水的密度，促进声波在污泥液体中的传递，强化了气泡空化作用对污泥的机械破坏作用；同时加压环境可以促使气体溶入水中，延长微米气体在水中的停留时间，加压环境下更多的气体进入水中，增加了空化作用发生的频率。

附图说明

图1为本发明所述的强化城市污泥超声波预处理的方法的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明所述的一种强化城市污泥超声波预处理的方法，包括如下操作方法：

S1、首先在高压环境下对水进行曝气10min，使足够多的空气溶于水中，得到微米气泡水，微米气泡水的微米气泡10的粒径在1～40微米。再将微米气泡水通过压力泵送入污泥液体20内进行混合搅拌，使微米气泡10在污泥液体内部均匀分散。

S2、将污泥液体20送入密封环境的反应单元40内然后进行空气加压，在30s内使反应单元40中污泥液体外部环境的压强达到2MPa，使得微米气泡10的内部压强也得到增大。可在反应单元40上安装压力计，从而实现反应单元中压力的监测。

S3、在反应单元中污泥液体20的外部加压达到2MPa后(在现有工艺下加压至2MPa只需30秒，后续无需再加压)，开启超声进行污泥颗粒的超声波处理，超声过程持续20～30min，高效地实现细胞有机物的破胞融出。超声过程中不断搅拌污泥液体，污泥液体的外部加压环境维持在2MPa。反应单元为罐体结构，反应单元40的侧壁上安装有若干超声波发生器30从而实现超声处理。污泥液体的搅拌可通过在反应单元中设置相应的搅拌单元(图中未画)并通过电机带动进行实现。

施加压力为2MPa。加压环境缩短了微纳米气泡中气体分子间的距离，增强分子震动在气体分子间的传递；加压环境使更多的气体进入水中，增加了空化作用发生的频率。

当施加压力2MPa下表现出最佳融胞效果，SCOD溶解率有所上升，此后提高压强反而使SCOD溶解率下降，因为过高的静压会阻碍气泡的形成和空化。超声能量输入和细胞分解程度是有一定规律的，污泥超声波崩解其中最佳溶解性出现在7000kJ/kg TS的条件下。因此优选地，将超声波比能控制在7000kJ/kg TS条件下。在施加压力2MPa，超声波比能7000kJ/kg TS条件下，污泥的崩解效率可以提高30-60％。为了提高超声处理效果，在超声设备允许的条件下，可以进一步地在超声过程中将新产生的微米气泡水持续不断地送入污泥液体内。本方法研究对象不局限在城市污泥，对于其他适用于超声处理的物质，本方法同样适用。

污泥液体的含水率为90％～95％。

超声波比能为7000kJ/kg TS。

微米气泡在加压环境下溶于水相，再与污泥液体混合搅拌。

微米气泡均匀地分散在污泥中，微米气泡的粒径在1～40微米作为超声空化过程的反应起始位点。

根据我们长期从事城市污泥处理处置的经验及相关实验结果可知，任何微小的粒子都具有非常高的能量，只是能量表现的形式不同，对外的性质也各不相同，微米气泡的直径很小，内部压力大且比表面积很大，内部的压力值要比外界液体的压力大很多；大量的微米气泡在超声作用下破裂产生空穴效应，强化对污泥颗粒的破坏效果；微米气泡在水中的上升速度非常缓慢，所以可在水中停留较长时间。因此，考虑引入微米气泡，联合超声波处理和微米气泡发生技术应用在城市污泥厌氧消化超声波预处理中，具有可行性。

根据我们长期从事城市污泥处理处置的经验及相关实验结果可知，常态下空气的分子距离很大，分子间必然存在“小小的真空”地带，声波要穿越这些真空地带才能传播，因此声波本身是可以穿越较小的真空空间；空气中气体分子的距离较大，分子作用力是分子彼此传递振动的关键，使声波穿越气体分子间的真空地带。压缩气体时会遇到强阻力，也是由于分子间斥力的作用，压缩气体可以极大地缩短分子间的距离，增强分子震动在气体分子间的传递。加压环境也可以提高气体在水中的溶解度，增加了空化作用发生的频率。同时，增大压强能够增大水的密度，提高声波在水中的传递。因此，考虑引入加压环境，联合超声波处理和加压处理技术应用在城市污泥厌氧消化超声波预处理中，实现更好的预处理效果，具有可行性。

本发明在具体应用时，从城市污水厂中取得污泥液体(污泥的含水率在90-95％)放入反应罐内；微米气泡水发生单元在高压环境下对水进行曝气10min，将足够多的微米气泡溶于水中得到微米气泡水；微米气泡水在高压下经过管道被传送进入反应罐，从出水口小孔喷射进入污泥中，经搅拌单元与污泥液体充分混合，微米气泡在污泥内部得到均匀分散；在30秒内加压泵快速地将反应罐内加压至2MPa，同时在压强达到2MPa时开启超声，进行污泥颗粒的超声波处理，高效地实现细胞有机物的破胞融出；超声过程中，不断搅拌污泥，压力计一旦检测到压强低于2MPa，向加压泵反馈并启动加压泵，污泥的外部加压环境维持在2MPa。最终，在20～30min的时间内，实现城市污泥的超声融胞处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种强化城市污泥超声波预处理的方法，其特征在于：包括如下操作方法：

S1、首先在高压环境下对水进行曝气使空气溶于水中，得到微米气泡水，微米气泡水的微米气泡粒径在1～40微米；再将微米气泡水通过压力泵送入污泥液体内进行混合搅拌，使微米气泡在污泥液体内部均匀分散；

S2、将污泥液体送入密封环境的反应单元内然后进行空气加压，在30s内使反应单元中污泥液体外部环境的压强达到2MPa，使得微米气泡的内部压强也得到增大；

S3、在加压达到2MPa后，开启超声进行污泥颗粒的超声波处理，超声过程持续20～30min，实现细胞有机物的破胞融出；超声过程中不断搅拌污泥液体，污泥液体的外部加压环境维持在2MPa。

2.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的方法，其特征在于：所述污泥液体的含水率为90％～95％。

3.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的方法，其特征在于：所述超声波比能为7000kJ/kg TS。

4.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的方法，其特征在于：所述微米气泡在加压环境下溶于水相，再与污泥液体混合搅拌。

5.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的方法，其特征在于：所述微米气泡均匀地分散在污泥中，微米气泡的粒径在1～40微米作为超声空化过程的反应起始位点。