CN109970294A - 一种强化城市污泥超声波预处理的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化城市污泥超声波预处理的装置，包括超声反应罐、微米气泡水发生单元、加压泵和压力计，超声反应罐的上部和下部分别开设有污泥进口和污泥出口，超声反应罐两侧的侧壁上分别安装有超声波发生单元，微米气泡水发生单元通过第一连接管与超声反应罐相连，第一连接管的一端伸入超声反应罐中且在其伸入端上开设有若干出水孔，超声反应罐内安装有若干从上往下依次交错排列设置的挡板；加压泵通过第二连接管与超声反应罐相连通。本发明采用密闭反应罐内对污泥液体进行高压超声预处理，使得城市污泥厌氧消化超声波预处理中能耗低且效果好。

Description

一种强化城市污泥超声波预处理的装置

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装置。

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。与其它厌氧消化预处理技术相比，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，严重降低设备使用寿命，并且污泥厌氧消化超声预处理时间长能耗高等问题，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处理的效果，缩短超声过程的污泥停留时间，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装置，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装置，包括超声反应罐、微米气泡水发生单元、加压泵以及用于检测超声反应罐内压力的压力计，压力计安装于超声反应罐上，超声反应罐的上部和下部分别开设有污泥进口和污泥出口，超声反应罐两侧的侧壁上分别安装有超声波发生单元，微米气泡水发生单元通过第一连接管与超声反应罐相连，第一连接管上安装有第一电磁阀，第一连接管的一端伸入超声反应罐中且在其伸入端上开设有若干出水孔，超声反应罐内安装有若干挡板，挡板设于第一连接管的伸入端的下方，若干挡板从上往下依次交错排列设置；加压泵通过第二连接管与超声反应罐相连通，第二连接管上安装有第二电磁阀。

进一步的，所述第一连接管和第二连接管均为耐压管道；所述加压泵为无油加压泵。

进一步的，所述挡板为陶瓷材质。

进一步的，所述挡板水平设置，挡板包括依次间隔设置的左挡板和右挡板，左挡板的左端以及右挡板的右端分别与超声反应罐的左侧内壁以及右侧内壁固定相连，左挡板与右挡板的长度之和大于超声反应罐的左右内径。

进一步的，所述超声波发生单元包括若干超声波发生器，超声波发生器从上往下依次安装于超声反应罐的侧壁上，且相邻的两块左挡板以及相邻的两块右挡板之间的反应罐的侧壁上至少安装有一个超声波发生器。

进一步的，所述超声反应罐两侧的超声波发生单元的声波频率不同。

进一步的，所述污泥进口开设于超声反应罐的上部的一侧，污泥出口开设于超声反应罐的下部的另一侧，污泥进口和污泥出口上分别安装有污泥进料管和污泥出料管，污泥进料管的一端以及污泥出料管的一端分别通过污泥进口和污泥出口与超声反应罐相连通，污泥进料管和污泥出料管上分别安装有第三电磁阀和第四电磁阀。

进一步的，所述第二连接管从超声反应罐的顶部伸入超声反应罐内，且在第二连接管的伸入端上安装有管堵；压力计安装于超声反应罐的顶部。

进一步的，所述第一连接管的伸入超声反应罐的一端水平设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本装置采用将微米气泡水在高压下经过第一连接管进入超声反应罐与污泥混合，关闭第四电磁阀、第一电磁阀和第三电磁阀并启动加压泵，在30秒内超声反应罐内压强提高至2MPa；开启超声波发生单元进行20～30min的污泥超声预处理，污泥有机物破胞融出；超声完成后打开第四电磁阀，污泥在高压下快速从污泥出料管离开，整个超声过程间歇进行。

本发明创新性采用加压泵，加压环境促进了超声波在水中传递，并且延长微米气泡在水中的停留时间，增加了空化作用发生的频率，在提高超声效果的同时减少超声时间；极大地降低了污泥厌氧消化超声波预处理的能耗，无需添加其他物质，具有显著的经济效益和环境效益，为城市污泥厌氧消化预处理提供了绿色技术装备，应用前景广泛。

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装置的结构示意图。

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装置，包括超声反应罐1、微米气泡水发生单元14、加压泵6以及用于检测超声反应罐内压力的压力计3。压力计3安装于超声反应罐1上，超声反应罐1的上部和下部分别开设有污泥进口和污泥出口。超声反应罐1两侧的侧壁上分别安装有超声波发生单元8。微米气泡水发生单元14通过第一连接管15与超声反应罐1相连，第一连接管15上安装有第一电磁阀16。第一连接管15的一端伸入超声反应罐1中且在其伸入端上开设有若干出水孔2，使微米气泡水喷射进入超声反应罐1内与污泥混合。出水孔2的直径大于5mm，出水孔的开设方向朝下，以避免污泥堵塞。出水孔2的数量在满足实际情况条件下应尽可能增加。微米气泡发生单元14在高压下进行曝气产生微米气泡水，气泡粒径在1～40微米。超声反应罐内安装有若干挡板11，挡板11设于第一连接管的伸入端的下方。若干挡板11从上往下依次交错排列设置。加压泵6通过第二连接管4与超声反应罐1相连通，第二连接管4上安装有第二电磁阀5。利用加压环境促进了微米气泡在超声过程的空化作用，强化了污泥的融胞破裂效果。

第一连接管15和第二连接管4均为耐压管道，使得可承受3MPa的表压压力。加压泵6为无油加压泵，加压泵6将超声反应罐内加压至2MPa。

挡板11为陶瓷材质。

挡板11水平设置，挡板11包括依次间隔设置的左挡板和右挡板。左挡板的左端以及右挡板的右端分别与超声反应罐1的左侧内壁以及右侧内壁固定相连。左挡板与右挡板的长度之和大于超声反应罐的左右内径，使得左挡板与右挡板的对应端交叉设置，从而大大提高了超声处理效果。

超声波发生单元8包括若干超声波发生器。超声波发生器从上往下依次安装于超声反应罐1的侧壁上，且相邻的两块左挡板以及相邻的两块右挡板之间的反应罐的侧壁上至少安装有一个超声波发生器。

超声反应罐1两侧的超声波发生单元的声波频率不同，左右两侧的声波频率可分别为40kHz和20kHz。超声发生单元数量在满足实际情况条件下应尽可能增加。

超声波的比能控制在约7000kJ/kg TS条件下。超声能量输入和细胞分解程度是有一定规律的。当超声波比能(输入能量)在0到7000kJ/kg TS的范围内，SCOD溶解率有所上升，此后提高比能反而使SCOD溶解率下降，其中最佳溶解性出现在约7000kJ/kg TS的条件下。

污泥进口开设于超声反应罐1的上部的一侧，污泥出口开设于超声反应罐1的下部的另一侧。污泥进口和污泥出口上分别安装有污泥进料管17和污泥出料管9，污泥进料管17的一端以及污泥出料管9的一端分别通过污泥进口和污泥出口与超声反应罐1相连通。污泥进料管17和污泥出料管9上分别安装有第三电磁阀18和第四电磁阀10。

第二连接管4从超声反应罐1的顶部伸入超声反应罐内，且在第二连接管4的伸入端上安装有管堵7。管堵7可避免污泥液体进入污泥出料管中。压力计3安装于超声反应罐1的顶部。压力计7一旦检测到系统压强低于2MPa，向加压泵6反馈并启动加压泵6，维持超声反应罐1内压强为2MPa。

第一连接管15的伸入超声反应罐1的一端水平设置。第一连接管15伸入端的长度设置为超声反应罐1直径的4/5，以保证微米气泡水与污泥充分混合。

声波传递需要介质，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，压缩气体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，促进微米气泡的空化效果；同时，增大压强能够增大水的密度，提高声波在水中的传递。加压环境可以促使气体溶入水中，延长微米气泡在水中的停留时间，增加了空化作用发生的频率。

本发明在进行城市污泥的超声波融胞处理，主要包括如下步骤：

S1、首先在高压环境下对水进行曝气来产生大量微米气泡，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同时进入超声反应罐1内并充分混合，使微米气泡在污泥中均匀分散；污泥液体进入超声反应罐1后，关闭第四电磁阀10、第一电磁阀16和第三电磁阀18，开启第二电磁阀5并启动加压泵6，在30秒内超声反应罐1内压强提高至2MPa；

S2、当超声反应罐1内压强达到2MPa时开启超声波发生单元8，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；压力计3一旦检测到系统压强低于2MPa，向加压泵6反馈并启动加压泵6，使超声反应罐1压力始终维持在2MPa；在20～30min的时间内实现城市污泥的超声融胞处理；超声完成后打开第四电磁阀10，污泥在高压下快速从污泥出料管9离开，整个超声过程间歇进行。

本发明在具体使用时可采用如下操作方法：

从城市污水厂排出的污泥液体(含水率在90-95％)进入到超声反应罐内。微米气泡水发生单元在高压环境下对水进行曝气来产生大量微米气泡，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超声反应罐，从出水孔喷射进入污泥液体中，与污泥液体充分混合，微米气泡在污泥内部均匀分散。污泥液体进入超声反应罐后启动加压泵，在30秒内反应罐内压强提高至2MPa。然后开启超声反应罐两侧的超声发生单元，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。反应罐两侧的超声发生单元产生的声波频率分别为20kHz和40kHz，声波的能比为7000kJ/kg TS。在超声过程中压力计持续监测系统压强，如果压力低于2MPa，向加压泵反馈并启动加压泵，使反应罐压力始终维持在2MPa。最后，经过20-30min的超声处理，实现城市污泥厌氧消化的超声融胞预处理。超声完成后反应罐内仍处于高压状态，打开第四电磁阀，污泥在高压下快速从污泥出口离开。整个超声过程是间歇进行的。

为了提高超声预处理效果，应尽可能多的设置超声波发生器和挡板数量。本装置不局限在城市污泥厌氧消化的预处理应用中，在城市污泥的超声脱水工艺中也同样适用。同时，本装置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，本装置显然同样适用。

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 (9)

1.一种强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：包括超声反应罐、微米气泡水发生单元、加压泵以及用于检测超声反应罐内压力的压力计，压力计安装于超声反应罐上，超声反应罐的上部和下部分别开设有污泥进口和污泥出口，超声反应罐两侧的侧壁上分别安装有超声波发生单元，微米气泡水发生单元通过第一连接管与超声反应罐相连，第一连接管上安装有第一电磁阀，第一连接管的一端伸入超声反应罐中且在其伸入端上开设有若干出水孔，超声反应罐内安装有若干挡板，挡板设于第一连接管的伸入端的下方，若干挡板从上往下依次交错排列设置；加压泵通过第二连接管与超声反应罐相连通，第二连接管上安装有第二电磁阀。

2.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述第一连接管和第二连接管均为耐压管道；所述加压泵为无油加压泵。

3.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述挡板为陶瓷材质。

4.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述挡板水平设置，挡板包括依次间隔设置的左挡板和右挡板，左挡板的左端以及右挡板的右端分别与超声反应罐的左侧内壁以及右侧内壁固定相连，左挡板与右挡板的长度之和大于超声反应罐的左右内径。

5.根据权利要求4所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述超声波发生单元包括若干超声波发生器，超声波发生器从上往下依次安装于超声反应罐的侧壁上，且相邻的两块左挡板以及相邻的两块右挡板之间的反应罐的侧壁上至少安装有一个超声波发生器。

6.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述超声反应罐两侧的超声波发生单元的声波频率不同。

7.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述污泥进口开设于超声反应罐的上部的一侧，污泥出口开设于超声反应罐的下部的另一侧，污泥进口和污泥出口上分别安装有污泥进料管和污泥出料管，污泥进料管的一端以及污泥出料管的一端分别通过污泥进口和污泥出口与超声反应罐相连通，污泥进料管和污泥出料管上分别安装有第三电磁阀和第四电磁阀。

8.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述第二连接管从超声反应罐的顶部伸入超声反应罐内，且在第二连接管的伸入端上安装有管堵；压力计安装于超声反应罐的顶部。

9.根据权利要求1所述的强化城市污泥超声波预处理的装置，其特征在于：所述第一连接管的伸入超声反应罐的一端水平设置。