CN1845876A - 在微生物体悬浮液中的颗粒有机物的破碎方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一种载体介质中尤其在生物污水处理厂的废水或污泥中的微生物体悬浮液里的颗粒有机物的破碎方法和装置，其中有机物在一个作用腔里由于在一个封闭的流动通道内流动的载体介质短时间内极端地加速并马上紧接着减速而经受着惯性力。为产生这种惯性力使载体介质在这作用腔里蒸发并随后凝结，其中载体介质的总体状态通过改变流动速度而改变。由于在转变至蒸汽状态时极大地加大了液态相的体积，因此介质的流动速度以相同的程度提高。这引起对液体相的加料施加极端的加速力，这些力立即接着在蒸汽凝结成液相时又转变成减速力。通过相应的选择载体介质在作用腔里的流动速度就可以选择悬浮体的不同处理方式，它们可以从破碎大的絮片，通过破碎线状细菌直至使细胞完全分解破坏。

Description

在微生物体悬浮液中的颗粒有机物的破碎方法和装置

本发明涉及在载体介质中尤其是生物污水处理厂的废水或污泥中微生物体悬浮液里的颗粒有机物的破碎方法和装置。

技术领域

在按照所谓活性淤泥法处理工业和地区生物污水处理厂的废水时，由于更换了通过细菌而生物可降解的材料就产生了细菌悬浮形式的污泥。因为根据法律和经济方面的压力，只还可以在有限的范围内存放、燃烧或在农业上利用这种污泥，因此减少甚至避免产生污泥具有越来越大的意义。

作为减少废料的方法最近几年来已经试验过对污泥中所含有的有机体进行机械的细胞破碎(分解)。在分解污泥时有意地破碎至少一部分在污泥里所含有的微生物体的细胞壁并使细胞内容释放出来。

这种细胞破碎主要有两个目的。一方面应该是通过一种加速和加强降解来改善厌氧污泥处理。这种加速是基于水解的机械支持，因为细胞破碎造成可以容易降解的细胞内水释放出来。另外还应该使兼性的压氧微生物体分解，这些微生物体否则的话可能部分地在腐烂过程中幸免于难并且在腐泥中对于有机物料的剩余含量是有责任的。它们通过细胞破碎应该能实现强化的降解。

另一方面分解应该提供以下可能：应用含有有机物质如蛋白质和聚合酶的细胞内水作为内部的碳氢化合物源。因此既应该减小污泥量和腐烂时间又要提高可利用作能源的沼气的量。其它优点还在于破碎了漂浮污泥和线性细菌以及改善了污泥的沉积性能。

背景技术

有关传统的机械破碎法的概况已经由N.Dichtl，J.Müller，E.Englmann，F.W.Günthert和M.Osswald在“(KorrespondenzAbwasser)废水通信”1997(44)第10号，1726页至1738页的一篇文章“污泥的分解-当前概况”中作了介绍。按照这文章适合于大规模使用的首先是：

-搅拌球磨器，

-高压均化器，和

-超声均化器。

在搅拌球磨器里在一个圆筒状的装有硬玻璃或陶瓷制成的研磨球的研磨腔里通过球的旋转进行细胞破碎，而为了在超声均化器和高压均化器中破碎细胞则利用了气蚀过程。

对于所有已知的用于机械分裂的方法来说都有如下特点：用于产生气蚀过程的成本费用和能耗都很高，通过这气蚀过程产生了引起微生物体的细胞壁分裂的力。这既适合于高压均化器和超声均化器的制造也适合其运行和维护。对于高压均化器来说必须要产生很高的压力，这要求泵的容量大，而对于超声方法来说则需要大量的电能输送给声极。在这方面利用气蚀现象的缺点还在于：这造成器具和材料的剥离现象，因此特别对于易磨损的构件，例如象超声波声极就必须使用昂贵的材料，例如象钛。

在较早的，未在先公开的德国专利DE 102 14 689 A1中，为了在产生气蚀现象时减小能耗和装备费用已经建议了：对于有机物的破碎不使用机器复杂和耗能大的超声-或高压分解装置，而是悬浮液在压力作用下运送通过一个喷嘴，其横断面首先变窄然后又加大，一种所谓拉瓦尔喷嘴。由于减小了横断面就使悬浮液的流动速度增高，从而使压力在载体物质也就是水的蒸汽压力作用下下降，而在流过紧接着又扩大的横断面时由于压力平衡则产生破裂的气蚀气泡。

通过用气蚀现象对这样的悬浮液进行处理虽然有一定的效果，也就是说提高了沼气的产出量并减少了污泥的比例，但却不能确定地搞清楚：这些作用效果是否由于流动通道里产生的剪切应力、由于气蚀气泡的产生和破裂或者由于其它至今没有明确搞清楚的现象所引起。无论如何气蚀气泡的产生和破裂以一种底部内爆的形式只有局部的作用，但并不是引起细胞的破碎和因此微生物体的粉碎的主要原因。

发明内容

基于这种背景，本发明的要解决的技术问题是用类似的较小材料花费和能耗可以在细胞破坏的意义上实现微生物体的适当破解。

按照本发明此任务通过具有权利要求1所述特征的方法来解决。

本发明的主题还有按照权利要求8所述的用于实施这种方法的装置。

有利的改进方案可见从属权利要求。按照本发明用流体动力学的方法实现分解作用。发明构思在于：在运送悬浮液时在封闭的流动通道内，尤其是管路内创造一个作用腔，在这作用腔里使悬浮液的载体介质，也就是水的流动速度升高，从而由于由此所产生的压力降而明显低于蒸汽压力，因此不仅产生气蚀气泡，它们马上又破碎，而且使液体状态实际上完全转变成蒸汽，这种蒸汽诚然在离开这作用腔之后马上又凝结了。

由于在液体状态转变成蒸汽状态时体积明显加大，因此介质的流动速度也以相同的程度增高。这造成对流体状态的加装料，也就是对由蒸汽流一起带走的细菌和其它颗粒施加极端的加速力，它们紧接着在蒸汽凝结成液相时又转变成减速力。由于颗粒的惯性，尤其是细胞核相对于细胞质和细胞质外皮的惯性，通过围绕微生物体的载体介质的总体状态改变对微生物体施加力，这种力通过改变污泥絮片的构造并通过改变薄膜表面的性能就产生效果，而不会总体上破坏微生物体以及使其内含物释放出来。尤其是通过尚不至引起撕断的惯性力使微生物体的薄膜表面伸长使微生物体的表面活性的材料脱离掉，直到惯性力最终造成撕断细胞质外皮并因此使细胞破碎。

特别有利的是：通过相应地选择载体介质在作用腔里的流动速度就可以选择悬浮液的不同的处理方式，它们可以从破碎大的絮片，通过破碎线状细菌直至使细胞完全破解。

附图说明

以下根据附图对本发明进行详细说明。附图所示：

图1：按照本发明的具有泵和作用腔的一个运输段的示意简图；

图2和3：悬浮液在作用腔部位里的压力变化图；

图4：通过管路里的一个阻尼点构成的作用腔简图；

图5：不同处理方式的图表；

图6：具有按照本发明的装置的分解设备示意图。

具体实施方式

本发明的主要特征从物理上看是一个作用腔，它在运送所要处理的悬浮液时由一个流动通道构成。在图1中简明表示了：悬浮液实际上如何从容器的静止状态(起始速度u≈0)起在环境压力p₀时借助于一个泵1，在使用外部的能量/时间p_el下，经过管路2运送至一个分解装置的作用腔3里。在这作用腔3里使载体介质，也就是水，通过总体状态的变化而经受极端的加速和减速，在这之后在随后的流动通道4里以流动速度u在环境压力p₀下又离开这作用腔。

按照本发明力求提高在作用腔3的进入部位里的流动速度u，使得在作用腔本身里不可能产生详述过的蒸汽气泡，也不再产生通常的气蚀，而是转变成完全的蒸汽流，它作用在载体介质加载的整个表面上，就是微生物体上，从而对这蒸汽流产生一个加速作用，该加速紧接着又由于蒸汽的凝结而转变成减速。通过这种组合的加速和减速作用，影响到微生物体的内部，其最终效果使其细胞膜破坏并使细胞质以及细胞核释放出来。

参照图1，图2用压力图表表示了不同的运送距离x时悬浮静压的升高和降低。泵1前面的压力相当于环境压力p₀，而它对应于泵1的电功率p_el则升高至工作压力p_p，以便在分解装置的作用腔3里降低到一个压力p_X，该压力低于载体介质的蒸汽压力p_D。在离开作用腔3并流过通道4之后悬浮液里的静压又与环境压力p₀一致。

图3(又是参照图1)表示出流动速度与运送距离关系的曲线，由图可见：如何通过提高水的流动速度在进入作用腔处提高水流的动能/体积，直到最大值

                        ρ_w·u_K ²/2

从而在这作用腔里由于静压的降低在蒸汽压力作用就可以形成蒸汽流。在该蒸汽流由于冷凝又降低到在紧接着的管路4里的动能/体积之前，它可以被利用来破碎或破坏细胞的构造。其中ρ_W代表载体介质的密度(对于水来说，例如ρ_W＝10kg/m³)；U_K表示在进入作用腔时的流动速度。

实际上构成本发明基础的作用腔3可以通过一个布置在流动通道5里的节流器或节流挡板6来实现，通过这种节流器具使流动通道5的横断面大大变窄(图4)。通过使流经相应泵单元的悬浮液的压力升高和选择节流器的直径d，就可以在节流点的长度l上使悬浮液的流动速度提高，从而不超出蒸汽点，也就是使载体介质，就是说水完全转变成蒸汽状态。

根据悬浮液进入作用腔的速度的不同，细胞构造的破碎度是不同的；由此可以推导出各种不同的处理方式X，它们可以定义为一个普遍的、几乎是理想的速度u_W，id(大约14m/s)的乘数。这可以按照图5所示曲线加以说明。

普遍的水速度u_W，id在一定程度上是“临界的”速度，此时必须表示出纯粹计算的首先的气蚀现象，但这些现象受摩擦损失和其它损失的限制，事实上只有在大约两倍值时，也就是在u_W≈28m/s时才出现。结果是：状态X＝1只规定了临界速度，从而只是使水速为u_W≈28m/s的状态X＝2可以用絮片结构改变的开始表示为处理阶段。速度为u_W≈42m/s的处理阶段X＝3以释放出表面活性的材料影响薄膜表面直至使细状细胞破坏，而u_W＞≈50m/s时的处理方式X＝4则使细胞破碎开始，也就是说用释放其成分使薄膜破坏。

节流器的开口大小d及其长度l(图4)最好这样选择，尤其是要使加速状态和减速状态能够充分地被利用来破坏微生物体。同时可以通过相应地选择比值d∶l也使使用的能量最小化。比值d∶l＝1∶5已经证实是优选的。

在一种这样的设备运行时在节流器前面的堆堵区里和在其后面卸荷区里在设备运行时产生沉积，这已经在图4至6中试图表示出来。在一定条件下也可能减小噪声的这样一种槽断面的变化大致类似于已知的拉瓦尔喷嘴。

图6概略表示了一种设备10作为本发明技术应用的实例，这种设备是用于废水、污泥或类似物的二级分解工艺的一部分。一种这样的微生物体悬浮液在箭头11的方向上运送经过装置10，此装置包括管路12、一个输送泵13和一个以本发明的方式包括有作用腔的分解装置14。

作为分解工艺的第一阶段最好在前面接一个均质化装置，例如一种破碎器具15，它应该有助于实现在悬浮液里尽可能均匀的粒度分布并保护这作用腔不受粗物料作用。然后借助于输送泵13使悬浮液输送经过真正的分解装置14，在那里按照本发明使聚集料发生所希望的破坏并使细胞破碎。

在图6实施例中，作用腔位于一个按照拉瓦尔喷嘴式样设计的，具有相应小的横断面的喷嘴16的中央通道里。管路12的输送横断面优选一直变窄到小的横断面，以便然后又以相应的方式扩大。喷嘴16更为有利地位于管路12的一个垂直布置的分支里，以排除重力对于作用腔里的过程的可能影响。

作为设计分解喷嘴16的尺寸的实例，剩余污泥的处理可以以5-10％的干量和工作体积流量V_B＝12m³/h为基础。

为了处理由微生物体组成的悬浮液加料，选择在作用腔入口处尚为流体的载体介质(水)的速度

                    u_w，B＝X·u_w，id

其中X表示方式的乘数，U_W，id表示对于载体介质水来说普通的速度为14m/s。剩余污泥的处理应用X＝3来实施，它通过确保了在腐烂塔里实现所希望的生物学作用(图5)。用这样选择的速度

                    u_W，B＝42m/s

与规定的工作体积流量V_B＝12m³/h一起就得出作用腔的必要直径d：

${\stackrel{\·}{V}}_B=u_{w,B}{d}^2\mathrm{\π}/4\→d=\sqrt{\frac{4{\stackrel{\·}{V}}_B}{u_{w,B}\mathrm{\π}}}=10\mathrm{mm}$

作用腔的长度选择用l＝50mm，使载体材料的聚集状态变化(水→水蒸汽)通过整个作用腔来确保并因此使由泵注入系统里的能量尽可能有效地在作用腔里被利用来处理加料(微生物体)。

为了设计泵的尺寸大小，用进入作用腔处的动压头并注意到尚处于流体的载体材料(水)的密度ρ_w＝10³kg/m³估计出必需的增压：

$\mathrm{\Δp}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{2}{u}_{w,B^2}=9\mathrm{bar}$

并然后一起算出必需的液压功率：

$P_{\mathrm{hyd}}=\mathrm{\Δp}{\stackrel{\·}{V}}_B=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{2}{d}^2\frac{\mathrm{\π}}{4}{u}_{w^3}=\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}{u}_{w^2}=3\mathrm{kW}$

计算是基于以下认识：泵的液压功率归根结底只需要用来产生必需的流入速度U_W，B。p_hyd因此对应于进入作用腔里的流动的动能/时间。

一种例如可使用的流体静力的螺杆泵的机械液压效率采用η≈0.5，最终还可以给出由泵从电网上取下的功率为P＝P_el＝P_hyd/η＝6kW。

Claims (11)

1.在一种载体介质中尤其在生物污水处理厂的废水或污泥中的微生物体悬浮液里的颗粒有机物的破碎方法，其特征在于，有机物在一个作用腔(3)里由于在一个封闭的流动通道内流动的载体介质短时间内极端地加速并马上紧接着减速而经受惯性力。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使作用腔里的载体介质蒸发，然后冷凝。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，载体介质的总体状态通过流动速度的改变而改变。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，通过使流动通道横断面变窄来提高流动速度。

5.按权利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于，对悬浮液多次地相继地进行处理。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，使悬浮液多次地通过同一个作用腔进行输送。

7.按权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，使悬浮液按垂直输送方向从下向上输送，经过作用腔。

8.用于实施按权利要求1所述方法的装置，具有一个用于输送悬浮液的管路和一个输送泵，其特征在于，在管路里在输送泵后面布置了一个节流点作为作用腔。

9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，节流点的直径(d)和长度(1)之比大约为1∶5。

10.按权利要求8或9所述的装置，其特征在于，流动通道的横断面在节流点前面其直径变窄，然后又扩大。

11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，流动横断面的变窄和扩大连续地变化。

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