CN112723697A - 污泥预处理的空化微波耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种污泥预处理的空化微波耦合装置，包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子的两侧分别设置有排液口和进液口，定子内壁上分布有超声波换能器，定子侧面设置有微波发射器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧均分布有空化通孔。将所需处理污泥与水溶液进行混合，送入本发明装置中，通过高效耦合水力空化、超声空化以及微波技术，协同对污泥进行处理，实现污泥破解预处理工艺，最终得到所需产物。上述装置效果好、处理量大、成本低，可连续作业，不产生二次污染，在污泥破解领域具有广阔的应用前景。

Description

污泥预处理的空化微波耦合装置

技术领域

本发明涉及一种用于对污泥进行预处理的装置，该装置耦合水力空化、超声空化及微波技术，属于污泥破解领域。

背景技术

在污水处理过程中，污泥的产生量占处理的污水体积的1％～2％，如果进行深度处理，污泥的产量将会翻倍。这些污泥含有大量的微生物，微生物细胞质中含丰富的有机质，但微生物细胞质被细胞壁所包裹，如果想对污泥中有机物进行充分利用，必须对污泥进行预处理，破坏微生物的细胞壁使有机质融出。当前，污泥破解可通过超声波、热水解、Fenton氧化和臭氧氧化法及其联用等途径来达到目的。利用水力空化技术对污泥进行预处理，是一种简单且高效的新方法；其能在常温、常压下，不添加(或少添加)化学试剂，就能实现对污泥的絮状体和细菌细胞壁的破解。而且水力空化法具有高效节能、无二次污染、适合建立大规模工业化水处理设备等优点，是一种具有应用潜力的新技术。

目前，有部分针对污泥破解的空化研究，如：CN102491485A公开的《一种破解剩余污泥的旋流式壅塞空化器》，所使用空化器为壅塞空化器，装置空化数较低，对污泥破解处理效果较差，且无法达到工业化大规模利用效果；CN108046550A公开的《一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺》所采用空化设备为超声空化设备，能耗较高且其对污泥破解效果相较水力空化技术较差；CN210711199U公开的《一种基于流体剪切-超声法的污泥破解装置》采用了超声空化与流体剪切的方式对污泥进行破解，但其所述转子上无空化通孔，不属于水力空化技术，其纯剪切破解效果相比水力空化设备较差。

发明内容

本发明针对现有污泥破解技术存在的不足，提出一种能够进行高效大容量污泥破解的耦合水力空化、超声空化及微波技术的污泥预处理装置。

本发明的污泥预处理的空化微波耦合装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子的两侧分别设置有排液口和进液口，定子内壁上分布有超声波换能器，定子侧面设置有微波发射器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧均分布有空化通孔。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。

所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。

所述微波发射器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子侧面上，每侧共有2～8个，单机功率为500～900W，通过密封结构进行固定；两侧的微波发生器数量相等、一一对应。

所述进液口和排液口对角设置，以防止产生短流现象。所述进液口的液体流量为1.5～4.5m³/h。

所述转轴的转速为3000～3600r/min。

所述转子在转轴上等距分布2～6个。所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。

所述定子内径为280～600mm，定子宽度为180～500mm，壁厚为10～40mm。所述叶片长度为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～20mm。

所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布；叶片内空腔两侧的空化通孔相对设置，两两对正。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。

为保证空化现象的形成并高效地实现污泥预处理工艺，上述结构与工艺参数均由实际生产实验所得。

将所需处理污泥与水进行混合成溶液，送入本发明装置中，通过空化技术对混合物进行处理，实现污泥破解预处理工艺，最终得到所需产物。

本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使流体通过转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过羟自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声空化与微波技术，超声波与微波共同作用在流体中，可高效协同作用，增加空化气泡的数量，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，并促使水分子振荡，液体动能显著提高，同时，空泡溃灭会导致物理效应，如微流、极端剪切以及由以上引起的湍流，破坏污泥中的絮体结构与微生物细胞壁，实现污泥的破解处理，提高处理效率；此外，耦合微波技术还可实现微生物细胞变性的功能，使得破解效果提升。由于超声波空化与微波技术均不适应大规模生产，因此本发明的耦合水力空化和超声波空化的处理效果，远高于二者单独使用时的总和。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化以及微波技术协同作用，远远比单独使用其中一种的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的原料处理量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；

4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较未精加工的空化通孔，空化效率可提高20％)；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转子叶片上开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变一体式装置中的定、转子尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大量污泥破解处理的需求；

8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能；

10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；

11.本发明所述装置利用微波技术对污泥处理，采用活性炭作为辅助微波吸收物质。

11.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际工艺处理实验所得。

附图说明

图1本发明污泥预处理的空化微波耦合装置的结构示意图。

图2是本发明中微波发射器的分布示意图。

图3是本发明中定子和转子轮盘截面示意图。

图4是本发明中转子结构示意图。

图5是本发明的污泥破解工艺制备工艺流程图。

图6是本装置处理静置后污泥沉降体积指数效果图。

图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.微波发射器，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.转子，14.空化通孔，15.空腔，16.进液口，17.楔键，18.叶片，19.混合室，20.水泵，21.本发明装置，22.水泵，23.储存仓，24.活性炭储存仓.

具体实施方式

本发明的污泥预处理的空化微波耦合装置，其结构如图1和图2所示，包括定子10、转子13、转轴4、微波发生器7和超声波换能器11。

定子10为空心密封筒体，定子内径为280～600mm，定子宽度为180～500mm，壁厚为10～40mm。定子10的两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设有角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。

定子10内壁上装有超声波换能器11，超声波换能器11等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，提升处理效果。

定子10的两侧端盖8均设置有微波发射器7，参见图2，微波发射器7以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，每侧共有2～8个，单机功率为500～900W，通过密封结构进行固定。两侧的微波发生器数量相等、一一对应，可保证定子10中不同区域所受微波强度相同，使得污泥破解过程能高效均匀进行，从而最大程度地实现辅助处理。

定子10的左侧端盖下部设置排液口1，定子右侧端盖上部设置进液口16。进液口16和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口16与出水口1分别与控制阀相连，用于控制流量。进液口的液体流量为1.5～4.5m³/h。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～75℃。

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子10并通过联轴器依次与增速器与动力装置(电机)连接，带动转子13在定子10内转动，转轴的转速为3000～3600r/min。转轴与定子连接处设有机械密封6，机械密封6设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转子13处于定子10的空腔中，并通过楔键17固定安装在转轴4上。

转子13为多叶片叶轮结构，参见图3和图4，转子13上等间隔沿周向分布4～10个叶片18。叶片18为带有空腔15的中空梯形体结构，空腔15为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片18长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～20mm。叶片18中在空腔15的相对两侧均分布有空化通孔14，空化通孔14的轴线方向与转子13的转动方向一致，而不是与转子13的轴向一致，空化通孔14为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭；叶片两端的每对文丘里形空化通孔14两两对正。转子13高速旋转时，流体从一侧的空化通孔14的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里形空化通孔14中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。空化通孔14内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

上述结构是根据污泥破解技术要求经过实际工艺处理实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。

利用本发明上述装置的污泥破解工艺流程如图5，所用设施包括依次连接的活性炭储存仓18、混合室19、水泵20、本发明装置21、水泵22和储存仓23。所需处理污泥在混合室19中与水溶液混合，并加入活性炭储存仓18中的活性炭，一起进行混合，形成混合液。由水泵20将混合液泵入本发明装置21中，制备完成后通过水泵22进入储存仓23中储存。

混合液由进液口16流入定子10中。转轴4带动转子13高速旋转，使得叶片上的空化通孔14高速剪切流体，使流体的局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。同时，外部的超声波发生器12把电转换成高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声波换能器11，超声波换能器11将电能转化为声能，产生高频超声波，定子10端盖上的微波发射器7，产生高功率微波。超声波与微波共同作用在流体中，可高效协同作用，增加空化气泡的数量，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，并促使水分子振荡，液体动能显著提高。同时，空泡溃灭会导致物理效应，如微流、极端剪切以及由以上引起的湍流，破坏污泥中的絮体结构与微生物细胞壁，实现污泥的破解处理，提高处理效率；此外，耦合微波技术还可实现微生物细胞变性的功能，使得破解效果提升。

本发明所述装置通过对一定质量的工业污水污泥进行实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每圈4个，共6圈；超声波发生器为2个，单机功率为1500W，微波发生器为4个，功率为600W)，获得如下结论：在转速3600rpm，流量为2.6m³/h，超声波频率为40kHz，反应温度75℃的工况下；原料为某污水处理厂的10L污泥(其SCOD为34mg/L,固体含量为3727mg/L,TCOD为4480mg/L,VSS为2120mg/L)，耦合水力空化、超声空化以及微波技术，处理30分钟后，污泥颗粒的中值粒径减小了92.7％，而相同能量输入与时间的传统超声法则减小了67.6％；TCOD和VSS分别减小了53％和66％。

图6展示了本装置处理静置后污泥沉降体积指数结果，从左至右分别是原污泥、处理5、10、15和20分钟时污泥沉降结果，可见使用本发明装置进行污泥破解的过程高效、可靠且环保(不使用任何化学制剂)。

Claims (10)

1.一种污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子的两侧分别设置有排液口和进液口，定子内壁上分布有超声波换能器，定子侧面设置有微波发射器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧均分布有空化通孔。

2.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈；所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。

3.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述微波发射器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子侧面上，每侧共有2～8个，单机功率为500～900W，通过密封结构进行固定；两侧的微波发生器数量相等，一一对应。

4.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述进液口的液体流量为1.5～4.5m³/h。

5.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述转轴的转速为3000～3600r/min。

6.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述转子在转轴上等距分布2～6个；所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。

7.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述定子内径为280～600mm，定子宽度为180～500mm，壁厚为10～40mm；所述叶片长度为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～20mm。

8.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致。

9.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

10.根据权利要求1所述的污泥预处理的空化微波耦合装置，其特征是：所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布；叶片内空腔两侧的空化通孔相对设置，两两对正；所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。

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