CN111547975B - 高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，所述生物质包括细胞外物质和细胞内物质；所述方法为：用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥，同时形成水力旋流；在高速机械力的破碎和水力旋流的双重作用下，分离和溶析活性污泥生物质物质。采用的高速机械旋流方法，辅以热碱条件，形成机械、水力、温度、化学的综合作用，重点分离并溶析活性污泥中细胞外物质和/或细胞内物质，大幅度提高活性污泥生物质的分离、溶析、水解和萃取的效率。

Description

高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法

技术领域

本发明涉及污泥处理技术领域，具体涉及一种在高速机械破碎和水力旋流双重作用下分离活性污泥生物质的方法。

背景技术

城市污水处理厂产生的污泥长期未得到有效处理，污染环境的问题日益突出；近年来采取的卫生填埋和干焚烧处理方式，不仅消耗大量土地和能源，而且依然存在环境风险。国家有关部门明确提出了污泥处理“绿色、循环、低碳”的目标，要求在保证“无害化”的前提下，强化“资源化”利用。在国家政策引导和推动下，已经产生以提高“资源化”效率为目的的污泥处理新兴技术，主要分两类，一是通过高效厌氧消化把污泥的有机质转换成沼气等生物质能源；二是采用热碱水解方法提取污泥中蛋白类物质，经配制，用作农业液体肥料。

上述现有技术描述如下：

1、高温热水解闪蒸的微生物细胞破壁技术:

对含固率为8％—12％的活性污泥，通过蒸汽直接加热至160℃—180℃，闪蒸方法瞬间降压，使微生物细胞壁内外形成压差而破裂，释放并溶析微生物细胞内物质，为后续生物反应(主要是厌氧消化)提供有利条件，提高反应效率，增加沼气产量；但其存在如下缺点：

(1)资源化目标以沼气为主，液体资源化缺失。该技术的目的是为后续厌氧消化等工艺服务，其资源化目标主要是利用沼气产品，而液体的资源化前景并不乐观。从机理讲，该技术的厌氧消化过程，分解和破坏了活性污泥的蛋白类物质，所产生的液体含有的高浓度氨氮易分解和挥发，目前的技术条件，尚不具备生产高价值资源产品的可能，大部分情况下只能通过污水处理达标排放。

(2)高氨氮废水处理难度大、成本高，目前利用的硝化反硝化脱氮工艺，不仅耗能高，而且需投加大量碳源，成本巨大；新兴工艺厌氧氨氧化仅处于试验阶段，并不具备大规模的工程化条件。

(3)难降解有机物浓度高、处理困难，热水解过程的高温(160℃—180℃)环境，导致“美拉德”反应加剧，形成高浓度的难降解的有机物和色度，使污水处理达标极为困难，超标风险极大。

(4)最终污泥脱水困难，要达到含水率小于60％的泥饼，需在脱水前投加大量化学药剂(尤其是酸性物质)，不仅增加成本，也给后续脱水液处理以及泥饼的利用带来不利因素。

2、热碱反应辅以闪蒸的微生物细胞破壁提取含有蛋白及多肽等物质的技术：

对含固率为12％—15％的活性污泥，在反应容器内投加石灰等碱性物质和污泥，以直接或间接加热方式至120℃，同时，通过垂直浆式搅拌设备低速(每分钟数十转)搅拌，使物料速混合及受热均匀；达到120℃设计温度后，持续反应时间约110分钟以上，再以闪蒸方式出料，采用板框脱水设备实现固液分离，获得液体原料，经配制，作为农用液体肥料；

但其目前存在的明显缺点：

(1)反应机理单一，完全依赖碱热反应，效率较低，且因为温差较低，闪蒸破壁效应不明显。

(2)碱热条件难以均衡，石灰和污泥分别加热反应容器，完全依赖浆式搅拌(低速)混合，碱性和温度的均匀程度受到制约。

(3)反应时间长，达到设计温度后，反应时间达110分钟，反应容器的成本和能耗等偏高。

(4)工艺链长、设备繁多、投资较高、占地较大、维护管理相对复杂。

且上述两种技术方案均着重于细胞的破壁，以获取细胞内物质，而细胞破壁极为困难，其采用强酸碱腐蚀、高温热水解及闪蒸、长时间的热碱反应等方式实现，成本昂贵、能耗较高以及可能存在的化学污染风险等，尤其是，单独采用热碱反应的方式，时间较长，且受温度和碱性混合速度和均匀程度的影响。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种在高速机械破碎和水力旋流双重作用下分离活性污泥生物质的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，所述生物质包括细胞外物质和细胞内物质；所述方法为：用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥，同时形成水力旋流；在高速机械力的破碎和水力旋流的双重作用下，分离和溶析活性污泥生物质物质。

进一步的，所述方法具体包括如下步骤：

S100)、进料混合

将活性污泥和石灰混合；

S200)、机械破碎，水力旋流，热碱反应

使用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥和石灰的混合物，同时污泥和石灰的混合物在高速旋转力的作用下形成水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，在此过程中，活性污泥和石灰进行热碱反应；

S300)、冷却

将步骤S200完成机械破碎，水力旋流，热碱反应的混合物冷却；

S400)、压滤

将步骤S300冷却后的混合物进行压滤，优选采用板框压滤；将步骤S300冷却后的混合物分离成腐殖酸和蛋白营养液和泥饼。

进一步的，高速旋转的机械力由高速机械破碎装置旋转产生，高速机械破碎装置的转速为600-690r/s或500-1000r/min，优选为600-900r/min。。

进一步的，高速机械破碎装置包括转轴，转轴穿过反应容器顶部并伸入反应容器内，下端设置有破碎装置，破碎装置包括盘体，盘体中心与转轴固定连接，盘体外圆周均匀设置有多个上折边和多个下折边，上折边与下折边在盘体的外圆周上交错排列，转轴由驱动机构驱动转动，带动破碎装置旋转；盘体没入活性污泥。

进一步的，高速机械破碎装置包括反应容器反应容器，保温层，刮壁搅拌装置，下部分散搅拌装置，蒸汽加热管路；反应容器为中空结构，反应容器的上部开设有用于进入活性污泥和石灰混合物的进料口，反应容器的底部或下部开设有出料口；反应容器的侧壁外依次包覆有蒸汽加热管路和保温层；保温层开设有用于蒸汽进入的蒸汽进口和用于冷凝水排出的冷凝水出口；刮壁搅拌装置包括刮壁搅拌装置驱动电机，刮壁搅拌装置主轴，刮壁装置和刮壁连接梁；刮壁搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器顶部与刮壁搅拌装置主轴固定连接，刮壁搅拌装置主轴，刮壁装置和刮壁连接梁均置于反应容器的内腔中，刮壁装置与反应容器的内壁接触，刮壁搅拌装置主轴通过刮壁连接梁与刮壁装置固定连接；下部分散搅拌装置包括下部分散搅拌装置驱动电机，下部分散搅拌装置主轴和下部分散搅拌装置分散盘，下部分散搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器下部或底部与下部分散搅拌装置主轴连接，下部分散搅拌装置主轴伸入反应容器的内腔中，下部分散搅拌装置主轴上安装有下部分散搅拌装置分散盘。

进一步的，下部分散搅拌装置为1个或2个；

下部分散搅拌装置为1个时，下部分散搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器底部，反应容器的下部开设有出料口；

下部分散搅拌装置为2个时，下部分散搅拌装置驱动电机相对于反应容器的中心线对称固定安装在反应容器下部，反应容器的底部开设有出料口。

进一步的，高速机械破碎装置包括上部分散搅拌装置，上部分散搅拌装置包括电机，转轴和破碎装置，电机固定安装在反应容器顶部与转轴固定连接，转轴伸入反应容器的内腔中，转轴上固定安装有若干破碎装置；优选的，上部分散搅拌装置为1个或2个。

进一步的，步骤S100中，活性污泥和石灰通过混合器混合，石灰为氧化钙溶液或氢氧化钙溶液，将活性污泥加压进入管道式混合器，同时按一定比例注入氧化钙溶液或氢氧化钙溶液，经管道混合器混合均匀，优选的，注入氧化钙溶液或氢氧化钙溶液中，氧化钙溶液或氢氧化钙的质量为含固率20％活性污泥的质量的1.5-3.5％。

进一步的，步骤S200中，温度为120℃-130℃，作用时间为40-60分钟，优选50分钟。

使用上述高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法分离活性污泥生物质的装置，其特征在于，包括污泥输送装置，石灰输送装置，混合装置，高速机械破碎装置，冷却装置，压滤装置，污泥输送装置两端分别与污泥料仓连通和混合装置连通，石灰输送装置两端分别与石灰料仓连通和混合装置连通，混合装置的出口依次与高速机械破碎装置，冷却装置，压滤装置连通，压滤装置连通。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、研究表明，活性污泥的生物质大量存在于微生物细胞之外，包括菌胶团构成物质、絮体物质以及胞外聚合物(EPS)等，其中EPS贡献最大，约占活性污泥总生物质的40％-60％。从性质讲，它们这类胞外物质属于微生物产物，但不等同于微生物细胞内物质。在活性污泥中，这些胞外物质占可利用的生物质近90％，且结构相对松散，而细胞内物质较少，仅占可利用生物质比例在10％左右；基于此，本申请通过高速机械旋流方法，重点分离并溶析活性污泥中细胞外物质，在高速机械力和水力旋流的双重作用下，对活性污泥絮体、菌胶团和胞外聚合物(EPS)等细胞外物质，进行强力破碎、剪切，尽最大可能把活性污泥微粒化、胶质化，加大其比表面积，并通过机械和水力形成的摩擦、淋洗作用，加速细胞外物质的分离和溶析；当然，通过高速机械旋流必然也会起到一定的细胞破壁作用，细胞内物质也会泄出。

2、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法中，高速机械破碎装置的破碎装置旋转，在上折边、下折边的共同作用下，搅动活性污泥，对活性污泥进行高速的破碎、剪切，同时形成高速水力旋流，起到摩擦、淋洗作用，加速细胞外物质的分离和溶析；当然，通过高速机械旋流必然也会起到一定的细胞破壁作用，细胞内物质也会泄出。

3、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，设计合理，构思巧妙，采用的高速机械破碎，水力旋流破坏细胞壁的方法，辅以热碱条件，形成机械、水力、温度、化学的综合作用，重点分离并溶析活性污泥中细胞外物质，大幅度提高活性污泥生物质的分离、溶析、水解和萃取的效率；与现有的热碱工艺技术相比，反应时间缩短50％-70％，能耗减少40％-60％，生物质提取率提高20％以上，设备减少约50％(台套)，投资和占地面积大幅度下降，维护管理简便，从根本上改变了现有技术的状况，具有显著的技术、经济、环境和社会效益。

4、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，将化工行业的反应釜进行创造性的改进形成高速机械破碎装置用于污泥处理，实现了污泥的有机蛋白质分离，同时，在高速机械破碎装置的底部和/或上部增加了分散盘，使得高速机械破碎装置内的混合物在机械力破碎的同时形成水力旋流，既提高了破碎的效率又提高了加热效率，进一步提高了热碱反应的效率，同时，无需额外增加水降低污泥含固率即实现了污泥的热碱反应，大幅提高了反应效率和经济效率。

5、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，通过机械旋转，实现了20％含固率的污泥，无需额外增加水降低污泥含固率的情况下，即实现了污泥的热碱反应，大幅提高了反应效率和经济效率。

6、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，通过热碱反应，将重金属转变为固体进入泥饼，进而降低了蛋白液的重金属含量，使用更加安全环保。

7、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，将活性污泥加压进入管道式混合器，同时按一定比例注入氧化钙溶液，经管道混合器混合均匀，送入反应容器内。优选，含固率约20％的活性污泥，将其加压进入管道式混合器，同时按一定比例注入氧化钙溶液或氧化钙溶液，使溶液强力浸入活性污泥，再进入后续反应容器。该方法与现有的氧化钙溶液先投加入反应容器再机械搅拌的方法相比，大幅度提高混合效率，节省氧化钙投加量约30％，减少混合时间约60％。

8、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，通过增加石灰，使得蛋白液具有高PH值，抑制微生物的繁殖，不易腐蚀。

9、本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，增加的石灰通过热碱反应，转变为有机钙，蛋白液作为营养液使用时，有助于植物的吸收。

附图说明

图1为活性污泥的生物质构成分布图。

图2为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法的流程图。

图3为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质装置的示意图。

图4为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第一具体实施例中，高速机械破碎装置的结构示意图。

图5为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第一具体实施例中，高速机械破碎装置中，破碎装置的结构示意图。

图6为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第三具体实施例中，高速机械破碎装置的结构示意图。

图7为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第五具体实施例中，高速机械破碎装置的结构示意图。

图8为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第七具体实施例中，高速机械破碎装置的结构示意图。

图9为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，第九具体实施例中，高速机械破碎装置的结构示意图。

图10为本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法中，污泥和石灰混合方式的示意图。

图11为使用本发明的高速机械旋流分离活性污泥生物质方法获得的肽浓缩蛋白液作为营养液种植的农作物与使用普通化肥种植的农作物的根系对比图。

图12为温度变化对污泥粘性影响图示。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图2所示，一种高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，优选的，所述活性污泥的含固率为18％-22％，优选的，含固率为20％；所述生物质包括细胞外物质和细胞内物质；用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥，同时形成水力旋流；在高速机械力的破碎和水力旋流的双重作用下，分离和溶析活性污泥生物质物质。

具体的，所述方法包括如下步骤：

S100)、输送，混合

将活性污泥加压进入管道式混合器，所述反应容器通过管道连接管道混合器，同时按一定比例注入氧化钙溶液或氢氧化钙溶液，使溶液强力浸入活性污泥，经管道混合器混合均匀，再进入后续反应容器，该方法与现有的溶液先投加入反应容器再机械搅拌的方法相比，大幅度提高混合效率，节省氧化钙投加量约30％，减少混合时间约60％。优选的，注入氧化钙溶液或氢氧化钙溶液中，氧化钙溶液或氢氧化钙的质量为含固率20％活性污泥的质量的1.5-3.5％。

进一步优选的，污泥采用加压的方式通过螺杆在混合器中运行，石灰的注入通道与污泥的运行方向垂直设置，采用该种设置方式，使石灰浆液强力浸入活性污泥，大幅度提高混合效率，进一步节省氧化钙投加量和减少混合时间。

优选的，所述石灰为熟石灰或生石灰，进一步优选的，为石灰为浆液，以进一步使石灰与污泥充分接触，混合。

优选的，活性污泥和石灰通过输送装置输送至管道式混合容器，进一步优选的，所述输送装置为螺杆泵。

S200)、机械破碎，水力旋流，热碱反应

使用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥和石灰的混合物，同时污泥和石灰的混合物在高速旋转力的作用下形成水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，同时，活性污泥和石灰进行热碱反应。优选的，保持该过程40-60分钟，进一步优选为50分钟。

优选的，在此整个过程中，反应容器中的温度为120℃-130℃。

优选的，包括步骤S300)、冷却

将由出料口13排出的混合物通过输送装置输送至冷却装置进行冷却，优选的，冷却至70℃。

优选的，包括步骤S400)、压滤

将步骤S300冷却后的混合物输送至压滤装置，优选的，所述压滤装置为板框压滤，经过压滤装置压滤后，混合物分离为腐殖酸和蛋白营养液和泥饼。

优选的，高速旋转的机械力由高速机械破碎装置旋转产生，进一步优选的，所述高速机械破碎装置的转速为600-690r/s。

优选的，如图4所示，所述高速机械破碎装置固定安装在反应容器1上，包括转轴2-1，转轴2-1穿过反应容器1顶部并伸入反应容器1内，其上固定安装有破碎装置2-2，如图5所示，破碎装置2-2包括盘体2-2-1，盘体2-2-1中心与转轴2-1固定连接，盘体2-2-1外圆周均匀设置有多个上折边2-2-2和多个下折边2-2-3，上折边2-2-2与下折边2-2-3在盘体2-2-1的外圆周上交错排列，所述转轴2-1由固定安装在反应容器1上的电机2-3驱动高速转动，带动破碎装置旋转；所述盘体没入活性污泥；采用上述结构的高速机械破碎装置，其破碎装置旋转，在上折边、下折边的共同作用下，搅动活性污泥，对活性污泥进行高速的破碎、剪切，同时形成高速水力旋流，起到摩擦、淋洗作用，加速细胞外物质的分离和溶析；当然，通过高速机械旋流必然也会起到一定的细胞破壁作用，细胞内物质也会泄出。

进一步优选的，所述驱动机构为一固定安装在反应容器上的电机，电机驱动连接转轴，驱动其转动，便于控制。

优选的，并在通过设置在反应容器上的加热装置进行加热，形成热碱条件；优选，在反应容器侧壁形成一夹层空间，在其中循环流通加热介质构成加热装置，加热介质为蒸汽、热油或热水；当然采用加热盘管或电加热的方式也能够满足本申请的需求。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于步骤S100，实施例2中，取消在管道式混合器中注入氧化钙或氢氧化钙溶液，而是在活性污泥进入反应容器的同时向反应容器内按比例加入氧化钙或氢氧化钙溶液；同时，输送装置不限于管道式混合器，也可以采用一般的输送装置，譬如螺旋输送机等，只要能够将污泥输送至反应容器内即可，除此之外，实施例2的技术特征与实施例1相同。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于高速机械破碎装置及转动参数不同，该实施例与实施例1相同的内容，不再赘述。该实施例的高速破碎装置适用于容积为3m³以下的反应容器，如图6所示，该实施例所述的高速机械破碎装置的结构如下：高速机械破碎装置包括反应容器1，保温层20，刮壁搅拌装置30，下部分散搅拌装置50，蒸汽加热管路60；所述反应容器1为中空结构，所述反应容器1的上部开设有用于进入污泥和石灰混合物的进料口12，所述反应容器1的下部开设有用于排出完成热碱反应混合物的出料口13，所述反应容器1的侧壁外依次包覆有蒸汽加热管路60和保温层20；所述保温层开设有用于蒸汽进入的蒸汽进口61和用于蒸汽冷却后的冷凝水排出的冷凝水出口62；刮壁搅拌装置30包括刮壁搅拌装置驱动电机31，刮壁搅拌装置主轴32，刮壁装置33和刮壁连接梁34；所述刮壁搅拌装置驱动电机31固定安装在所述反应容器1顶部与所述刮壁搅拌装置主轴32固定连接，所述刮壁搅拌装置主轴32，刮壁装置33和刮壁连接梁34均置于所述反应容器1的内腔中，所述刮壁装置33与所述反应容器1的内壁接触，所述刮壁搅拌装置主轴32通过刮壁连接梁34与刮壁装置33固定连接；所述下部分散搅拌装置50包括下部分散搅拌装置驱动电机51，下部分散搅拌装置主轴52和下部分散搅拌装置分散盘53，所述下部分散搅拌装置驱动电机51固定安装在所述反应容器1底部与所述下部分散搅拌装置主轴52连接，所述下部分散搅拌装置主轴52伸入反应容器1的内腔中，所述下部分散搅拌装置主轴上52安装有下部分散搅拌装置分散盘53。

优选的，所述下部分散搅拌装置分散盘53与实施例1中的破碎装置2-2的结构相同。

使用所述高速机械破碎装置进行步骤S200时，具体包括如下步骤：

S200)、机械破碎，水力旋流，热碱反应

使用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥和石灰的混合物，同时污泥和石灰的混合物在高速旋转力的作用下形成水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，同时，活性污泥和石灰进行热碱反应。优选的，保持该过程40-60分钟，进一步优选为50分钟。

S210)、将混合后的活性污泥与石灰混合物后由进料口12进入反应容器1内腔，在混合后的活性污泥与石灰混合物刚进入反应容器1内腔同时启动刮壁搅拌装置驱动电机31，所述刮壁搅拌装置驱动电机31带动刮壁搅拌装置主轴32旋转，进而带动刮壁装置旋转，机械旋转引起水力旋流，同时，通过蒸汽对反应容器1加热，优选的，所述刮壁搅拌装置驱动电机31转速为25-47r/min。

S220)、混合后的活性污泥与石灰混合物进入所述反应容器1内腔的量达到预定值，优选为反应容器1内腔容积的10％-20％，启动下部分散搅拌装置驱动电机51，所述下部分散搅拌装置驱动电机51带动下部分散搅拌装置分散盘旋转，机械旋转引起水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，同时，活性污泥和石灰进行热碱反应。优选的，下部分散搅拌装置驱动电机的转速为500-1000r/min，进一步优选为600-900r/min。

S230)、保持反应容器1内腔内的温度120℃-130℃，刮壁搅拌装置30和下部分散搅拌装置50持续搅拌40-60分钟，优选50分钟后，反应容器1内腔的混合物由出料口13排出。

实施例4

实施例4与实施例3的区别在于步骤S100，实施例4中，取消在管道式混合器中注入氧化钙或氢氧化钙溶液而是在活性污泥进入反应容器的同时由进料口12向反应容器内按比例加入氧化钙或氢氧化钙溶液；同时，输送装置不限于管道式混合器，也可以采用一般的输送装置，譬如螺旋输送机等，只要能够将污泥输送至反应容器内即可，除此之外，实施例4的技术特征与实施例3相同。

实施例5

实施例5与实施例3的区别仅在于出料口13的设置位置以及下部分散搅拌装置50的数量及设置位置，该实施例与实施例3相同的内容，不再赘述。该实施例的高速破碎装置适用于容积为3m³-6m³的反应容器，如图7所示，下部分散搅拌装置50为2个，所述2个下部分散搅拌装置驱动电机51相对于所述反应容器1的中心线对称固定安装在所述反应容器1的下部，所述出料口13设置在所述反应容器1的底部。

实施例6

实施例6与实施例5的区别在于步骤S100，实施例6中，取消在管道式混合器中注入氧化钙或氢氧化钙溶液而是在活性污泥进入反应容器的同时由进料口12向反应容器内按比例加入氧化钙或氢氧化钙溶液；同时，输送装置不限于管道式混合器，也可以采用一般的输送装置，譬如螺旋输送机等，只要能够将污泥输送至反应容器内即可，除此之外，实施例6的技术特征与实施例5相同。

实施例7

实施例8与实施例3的区别在于高速机械破碎装置不同，该实施例与实施例3相同的内容，不再赘述。该实施例的高速破碎装置适用于容积为6m³-10m³的反应容器，如图8所示，该实施例的高速机械破碎装置相对于实施例3所述的高速机械破碎装置，在反应容器1内增加了上部分散搅拌装置40，所述上部分散搅拌装置40包括电机2-3，转轴2-1和破碎装置2-2，所述电机2-3固定安装在所述反应容器1顶部与所述转轴2-1固定连接，所述转轴2-1伸入所述反应容器1的内腔中，所述转轴2-1上固定安装有若干破碎装置2-2。

优选的，所述上部分散搅拌装置40为1个或2个。

此外，相对于实施例3，该实施例在步骤S200中，在步骤S220-S230之间增加步骤S225：

混合后的污泥与石灰混合物进入所述反应容器1内腔的量达到预定值，优选为反应容器1内腔容积的20％-100％，启动电机2-3，所述电机2-3带动转轴2-1旋转，进而带动破碎装置2-2旋转，机械旋转引起的水力旋流，在高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，优选的，电机的转速为500-1000r/min，进一步优选为600-900r/min。

实施例8

实施例8与实施例7的区别在于步骤S100，实施例8中，取消在管道式混合器中注入氧化钙或氢氧化钙溶液而是在活性污泥进入反应容器的同时由进料口12向反应容器内按比例加入氧化钙或氢氧化钙溶液；同时，输送装置不限于管道式混合器，也可以采用一般的输送装置，譬如螺旋输送机等，只要能够将污泥输送至反应容器内即可，除此之外，实施例8的技术特征与实施例7相同。

实施例9

实施例9与实施例5的区别在于高速机械破碎装置不同，该实施例与实施例5相同的内容，不再赘述。该实施例的高速破碎装置适用于容积为6m³-10m³的反应容器，如图9所示，该实施例的高速机械破碎装置相对于实施例5所述的高速机械破碎装置，在反应容器1内增加了上部分散搅拌装置40，所述上部分散搅拌装置40包括电机2-3，转轴2-1和破碎装置2-2，所述电机2-3固定安装在所述反应容器1顶部与所述转轴2-1固定连接，所述转轴2-1伸入所述反应容器1的内腔中，所述转轴2-1上固定安装有若干破碎装置2-2。

优选的，所述上部分散搅拌装置40为1个或2个。

此外，相对于实施例5，该实施例在步骤S200中，在步骤S220-S230之间增加步骤S225：

混合后的污泥与石灰混合物进入所述反应容器1内腔的量达到预定值，优选为反应容器1内腔容积的20％-100％，启动电机2-3，所述电机2-3带动转轴2-1旋转，进而带动破碎装置2-2旋转，机械旋转引起的水力旋流，在高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，优选的，电机的转速为500-1000r/min，进一步优选为600-900r/min。

实施例10

实施例10与实施例9的区别在于步骤S100，实施例10中，取消在管道式混合器中注入氧化钙或氢氧化钙溶液而是在活性污泥进入反应容器的同时由进料口12向反应容器内按比例加入氧化钙或氢氧化钙溶液；同时，输送装置不限于管道式混合器，也可以采用一般的输送装置，譬如螺旋输送机等，只要能够将污泥输送至反应容器内即可，除此之外，实施例10的技术特征与实施例9相同。

如图3所示，使用上述高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法分离活性污泥生物质的装置，包括污泥输送装置，石灰输送装置，混合装置，高速机械破碎装置，冷却装置，压滤装置，污泥输送装置两端分别与污泥料仓连通和混合装置连通，石灰输送装置两端分别与石灰料仓连通和混合装置连通，混合装置的出口依次与高速机械破碎装置，冷却装置，压滤装置连通。

进一步优选的实施例，需要说明的是，该具体实施例是在实施例3-10的基础上的进一步优化，该具体实施例中涵盖了包括上部分散搅拌装置40的具体实施例，对于不包括上部分散搅拌装置40的实施例，可以直接去掉涉及上部分散搅拌装置40的步骤，这对本领域技术人员是可以直接地、毫无疑义确定的内容。具体的，该优选的具体实施例内容如下：步骤S200中，保持反应容器1内腔内的温度120℃-130℃，刮壁搅拌装置30，上部分散搅拌装置40和下部分散搅拌装置50持续搅拌40-60分钟，优选50分钟后，反应容器1内腔的混合物由出料口13排出，在排出中，高速机械破碎装置中预留预定量的热泥，并加入冷泥进行下一周期的碱热反应，冷泥加入高速机械破碎装置过程中，高速机械破碎装置内的刮壁搅拌装置31保持工作状态，其具体包括如下步骤：

S230)、卸料

S230-1)、停止上部分散搅拌装置40和下部分散搅拌装置50工作，保持刮壁装置33的刮壁搅拌装置驱动电机31继续工作，所述刮壁搅拌装置驱动电机31带动刮壁搅拌装置主轴32旋转，进而带动刮壁装置旋转，机械旋转引起水力旋流，同时，保持蒸汽对反应容器1持续加热，优选的，所述刮壁搅拌装置驱动电机31转速为25-47r/min。

S230-2)、将完成反应的热泥卸料，由所述出料口13排出，并在所述反应容器1内内留存预定量的热泥，所述热泥的温度为120-140℃，优选130℃；进一步优选的，所述反应容器1内预留热泥的预定量为所述反应容器1容积的30％-40％。

重复步骤S210，S220和S225直至该实施例的步骤S230，以此循环，直至完成预定活性污泥的处理。需要说明的是，在冷泥进入所述反应容器1的同时，启动所述下部分散搅拌装置50。优选的，冷泥的进料时间为20-40分钟，进一步优选30分钟。

本发明所涉及的污泥为活性污泥，即含有微生物的产物；所涉及的热泥为在反应容器中留存的部分高温污泥，其温度为120℃-140℃；所涉及的冷泥为常温20℃的污泥；所涉及的临界温度，为污泥粘度改善临界温度，其范围为50℃-90℃，优选60℃。

通过采用上述的加料卸料方式，具备以下技术效果：

1、针对活性污泥在常温下粘度极高、反应容器内壁夹套加热效率低的问题，在前次高温反应结束后，在反应容器内留存部分高温污泥，即投加“冷泥”并启动高速机械旋流装置，使冷热污泥强烈混合，通过污泥间交互传热方式，使混合污泥快速达到50-60度，优选60度，达到粘度改善临界温度，从而大幅降低污泥粘度，有效提高反应容器夹套加热效率，缩短加温时间，节约加热能耗。

2、创造性的利用污泥粘度与温度的关系、反应容器的利用效率以及污泥热碱反应的平均时间，确定活性污泥粘度改善的最佳临界温度为50—60度。此温度范围与常温相比，污泥粘度下降约10倍，如图12所示，将极大提高污泥加热的传质效率。

3、针对城市生活污水处理所产生的活性污泥(微生物产物)，在后续补料60％-70％(反应容器的设计容积),在反应容器的搅拌作用下，直接与上一次剩余的120-140℃的料混合，相互之间温度中和，直接达到反应温度约50-60，甚至达到90℃，从而省去长时间对冷料的加热耗时；且同时，60％-70％(反应容器的设计容积)新料进行热碱反应，其相对整个反应容器新料热碱反应其需求反应时间大大降低，且上一次剩余的料也得以充分进行热碱反应，微生物更完全更彻底溶析，提高了肥性；实验表面，污泥的的温度对其粘度的影响很大，如图9所示，这样，后续补充的料与上一次剩余的料混合，直接达到50-60，甚至达到90℃，其粘度大幅度下降，由原4500mPa.S断崖式下降至450mPa.S以下，不论是加热还是搅拌其能耗都有所下降，且作业效率得以提高8-13％；单次出料量大大减少，提高物料冷却时间，减少过渡性物料储存体积。

使用本实施例9并结合进一步优选的实施例，所述的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法进行污泥处理，得到的腐殖酸和蛋白营养液含氮量，含磷量及PH数据数据表如下：

由上表可以看出，经过本发明高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法得到的腐殖酸和蛋白营养液中，总氮的含量高于3000mg/L以上，含有丰富的氮元素，同时还富含磷元素，营养丰富，且PH值较高。

此外，使用本实施例9并结合进一步优选的实施例，所述的高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法进行污泥处理，整个过程中，活性污泥，碱热污泥，腐殖酸和蛋白营养液即泥饼中金属元素的一组数据见下表：

由上表可以看出，由本发明高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法得到的腐殖酸和蛋白营养液中，有害重金属元素含量很低，而对于植物生长有益的经书元素钙，钾的含量很高，营养丰富，如图11所示，采用本发明高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法得到的腐殖酸和蛋白营养液作为肥料种植的农作物的根系明显比采用普通化肥种植的农作物的根系繁茂。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种高速机械旋流分离活性污泥生物质的方法，所述活性污泥为含固率20％活性污泥，所述生物质包括细胞外物质和细胞内物质；其特征在于，所述方法为：用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥，同时形成水力旋流；在高速机械力的破碎和水力旋流的双重作用下，分离和溶析活性污泥生物质物质；

其中，热泥为在反应容器中留存的部分高温污泥，其温度为130℃；冷泥为常温20℃的污泥，所涉及的临界温度，为污泥粘度改善临界温度，其为60℃；

其包括如下步骤：

S100)、进料混合

将活性污泥和石灰混合；

S200)、机械破碎，水力旋流，热碱反应

在容器内，使用高速旋转的机械力直接作用于活性污泥和石灰的混合物，同时污泥和石灰的混合物在高速旋转力的作用下形成水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，在此过程中，活性污泥和石灰进行热碱反应；将完成反应的热泥卸料，由容器排出，并在反应容器内留存预定量的热泥；具体包括如下步骤：

S210)、将混合后的活性污泥与石灰混合物后由容器进料口进入容器内腔，同时启动刮壁搅拌装置驱动电机，刮壁搅拌装置驱动电机带动容器内刮壁搅拌装置主轴旋转，进而带动刮壁装置旋转，机械旋转引起水力旋流；

S220)、混合后的活性污泥与石灰混合物进入所述反应容器内腔的量达到预定值，启动容器内下部分散搅拌装置驱动电机，下部分散搅拌装置驱动电机带动下部分散搅拌装置分散盘旋转，机械旋转引起水力旋流，高速旋转的机械力和水力旋流双重作用，破坏活性污泥的细胞壁，同时，活性污泥和石灰进行热碱反应；

S230)、保持容器内腔内的温度，刮壁搅拌装置和下部分散搅拌装置持续搅拌至预定时间后，容器内腔的混合物由容器出料口排出；

S230-1)、停止上部分散搅拌装置和下部分散搅拌装置工作，保持刮壁装置的刮壁搅拌装置驱动电机继续工作，刮壁搅拌装置驱动电机带动刮壁搅拌装置主轴旋转，进而带动刮壁装置旋转，机械旋转引起水力旋流，同时，保持蒸汽对容器持续加热；

S230-2)、将完成反应的热泥卸料，由出料口排出，并在容器内留存预定量的热泥，所述热泥的温度为120-140℃，容器内预留热泥的预定量为反应容器1容积的30％-40％；

重复步骤S210，S220，直至步骤S230，以此循环，直至完成预定活性污泥的处理；

S300)、冷却

将步骤S200完成机械破碎，水力旋流，热碱反应的混合物冷却；

S400)、压滤

将步骤S300冷却后的混合物进行压滤；将步骤S300冷却后的混合物分离成腐殖酸和蛋白营养液和泥饼；

其中，

高速机械破碎装置包括反应容器，保温层，刮壁搅拌装置，下部分散搅拌装置，蒸汽加热管路；反应容器为中空结构，反应容器的上部开设有用于进入污泥和石灰混合物的进料口，反应容器（10）的下部开设有用于排出完成热碱反应混合物的出料口，反应容器的侧壁外依次包覆有蒸汽加热管路和保温层；保温层开设有用于蒸汽进入的蒸汽进口和用于蒸汽冷却后的冷凝水排出的冷凝水出口；刮壁搅拌装置包括刮壁搅拌装置驱动电机，刮壁搅拌装置主轴，刮壁装置和刮壁连接梁；刮壁搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器顶部与刮壁搅拌装置主轴固定连接，刮壁搅拌装置主轴，刮壁装置和刮壁连接梁均置于反应容器的内腔中，刮壁装置与反应容器的内壁接触，刮壁搅拌装置主轴通过刮壁连接梁与刮壁装置固定连接；下部分散搅拌装置包括下部分散搅拌装置驱动电机，下部分散搅拌装置主轴和下部分散搅拌装置分散盘，下部分散搅拌装置驱动电机固定安装在所述反应容器底部与下部分散搅拌装置主轴连接，下部分散搅拌装置主轴伸入反应容器的内腔中，下部分散搅拌装置主轴上安装有下部分散搅拌装置分散盘；其中，设置2个下部分散搅拌装置，以提高机械力的破碎力和水力旋流力，2个下部分散搅拌装置驱动电机相对于反应容器的中心线对称固定安装在反应容器的下部，所述出料口设置在反应容器的底部；在反应容器内增加了上部分散搅拌装置，上部分散搅拌装置包括上部分散搅拌装置驱动电机，上部分散搅拌装置主轴和上部分散搅拌装置分散盘，上部分散搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器顶部与上部分散搅拌装置主轴固定连接，上部分散搅拌装置主轴伸入反应容器的内腔中，上部分散搅拌装置主轴上固定安装有若干上部分散搅拌装置分散盘；上部分散搅拌装置为1个或2个；其中，上部分散搅拌装置分散盘包括盘体，盘体中心与上部分散搅拌装置主轴固定连接，盘体外圆周均匀设置有多个上折边和多个下折边，上折边与下折边在盘体的外圆周上交错排列，上部分散搅拌装置主轴由固定安装在反应容器上的上部分散搅拌装置驱动电机驱动高速转动，带动破碎装置旋转；盘体没入活性污泥；下部分散搅拌装置分散盘的结构与上部分散搅拌装置分散盘结构相同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高速旋转的机械力由高速机械破碎装置旋转产生，高速机械破碎装置的转速为600-690r/s或500-1000r/min。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高速机械破碎装置包括转轴，转轴穿过反应容器顶部并伸入反应容器内，下端设置有破碎装置，破碎装置包括盘体，盘体中心与转轴固定连接，盘体外圆周均匀设置有多个上折边和多个下折边，上折边与下折边在盘体的外圆周上交错排列，转轴由驱动机构驱动转动，带动破碎装置旋转；盘体没入活性污泥。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，下部分散搅拌装置为1个或2个；

下部分散搅拌装置为1个时，下部分散搅拌装置驱动电机固定安装在反应容器底部，反应容器的下部开设有出料口；

下部分散搅拌装置为2个时，下部分散搅拌装置驱动电机相对于反应容器的中心线对称固定安装在反应容器下部，反应容器的底部开设有出料口。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高速机械破碎装置包括上部分散搅拌装置，上部分散搅拌装置包括电机，转轴和破碎装置，电机固定安装在反应容器顶部与转轴固定连接，转轴伸入反应容器的内腔中，转轴上固定安装有若干破碎装置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S100中，活性污泥和石灰通过混合器混合，石灰为氧化钙溶液或氢氧化钙溶液，将活性污泥加压进入管道式混合器，同时按一定比例注入氧化钙溶液或氢氧化钙溶液，经管道混合器混合均匀。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S200中，温度为120℃-130℃，作用时间为40-60分钟。

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