专利名称：超声—磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法
技术领域：
本发明属于固体废物处理领域，涉及一种用超声波技术和磁场技术协同破解污
泥，破解后的污泥通过回流至好氧生化池，或者流入厌氧消化罐，从而实现污泥减量化的方法。
背景技术：
随着工业和城市化的发展，大量的污水(包括生活污水和工业废水)排入水体造 成了巨大的污染，为了遏制水污染的进一步加剧，我国大中城市陆续建造了污水处理厂，其 中大多利用活性污泥工艺处理污水，在对污水进行处理的同时，会产生大量的剩余污泥。预 计2010年污水排放量将达到4. 40X 1(^mVd，产生的干污泥量为4454万t，2020年污水排 放量将达到5. 36X 1(TmVd，预计产生干污泥量为4542万t。虽然剩余污泥的产生量通常仅 为处理废水体积的1%以下，但其处理费用一般占到污水处理厂总运行费用的25% -40%， 甚至高达60%。 剩余污泥成分复杂，是多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成 的集合体，除含有大量的水分外(可高达99%以上)，还含有难降解的有机物、重金属、少 量的致病微生物(致病细菌、病原体、寄生虫、有害虫卵等)，以及一般的有机物和植物养分 (N、P、K)等，如果任意堆放不加以处理处置，必将占用大量土地资源，而且易腐变臭、产生渗 滤液易污染土壤和地下水及河流、湖泊、海洋等地表水体给环境造成严重的二次污染。
传统的污泥处理处置方法主要有堆肥农用、填理、焚烧，这三类污泥处理处置方法 都有其自身的缺陷，如剩余污泥中含有重金属等有害物质，若长期将污泥施于农田，有可能 会因为有害物质的积累而影响人们的身体健康。因此，欧美国家都对污泥农用作了严格的 标准规定。由于污泥即便经过浓縮、脱水后仍然体积庞大，若填埋处置，要占用大量的土地 和花费大量的运输费用，而且填埋场周围的环境也会恶化，在许多国家和地区，人们坚决反 对新建填埋场。焚烧曾一度很受人们的欢迎，但是它所需的费用很高，而且还存在烟气污染 问题。此外，焚烧需要消耗大量的能源，既使在焚烧过程中改进技术、回收热能等，仍然无法 大幅度降低能源消耗。 污泥处理处置方法由于各自存在的问题给污水处理带来了沉重的负担，污泥处理 处置己从过去仅仅作为污水处理的一个单元发展成了令污水处理厂不得不优先考虑的重 要环节，在经过了无害化和资源化阶段后，减量化成为污泥处理的首要原则。减量化是在现 有的活性污泥处理系统的基础上，通过物理、化学、生物等手段降低污泥的产率，减少整个 活性污泥系统向外排放的污泥量。目前主要采用的污泥减量方法有解耦联技术、高浓度溶 解氧法、溶解细胞法、微型动物减少生物污泥量等，其中溶解细胞法是将增长的生物体溶胞 处理，然后作为微生物的底物参与代谢过程，从而减少污泥的产生量，这种方法在现有污水 处理厂容易实现，只需在污泥处理管路上增加溶胞系统即可，较易实施。常用的溶胞处理方 法有投加臭氧、超声波处理，投加臭氧会增加系统的运行费用，而且对设备有一定的腐蚀作 用，臭氧溶胞过程 有可能产生其它有机污染物。而超声波处理是物理溶胞方法，不存在臭氧溶胞出现的问题，因此，采用超声波处理剩余污泥，是一项具有较广阔发展前景的污泥减 量化技术路线。 污泥超声破解是利用超声波在液相中产生空化作用(机械效应、热效应、声化学 效应等)破解污泥絮凝体、菌胶团和细胞体，释放出胞内物质，这种胞内物质作为底物供微 生物生长，从而减少系统的污泥产量。但由于超声处理能耗较高，运行成本较大，目前尚没 有应用于实际工程中。
发明内容
本发明的目的是为了解决超声处理污泥能耗较高的问题，提出一种能经济有效地 处理污泥，实现工业化应用的超声_磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法。
本发明的目的是这样实现的剩余污泥主要在设有超声、磁场装置的反应器中，将 超声波产生的超声空化效应和磁场产生的磁化学效应有机地结合在一起，大大强化了超声 破解污泥的效果。因为超声破解污泥的机理在于产生强烈的冲击波和高温高压，并伴有 自由基等强氧化剂的产生，破坏污泥絮体结构和污泥中微生物细胞壁，释放出胞内物质，变 难降解的固体性物质为易降解的溶解性物质。而在磁场作用下，可有效减少 0H和 H的 复合，提高 0H的浓度，同时改变了污泥颗粒的理化结构，从而大大提高超声破解污泥的能 力。磁场的产生采用永久强磁铁方式，不消耗能源，并且不添加任何药剂，与单一超声破解 污泥工艺相比，能耗降低30%以上，使运行成本大大降低。 本发明所述的用超声_磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法，其步骤包括
(1)好氧生化单元在好氧生化池内，通过微生物的好氧消化去除废水中的有机 污染物，使水质得到净化。 (2)沉淀单元经生化反应后的废水在沉淀池中进行泥水分离，出水达标排放，污 泥分为两部分，一部分作为回流污泥回流至好氧生化池，增加生化池内微生物量，另一部分 作为剩余污泥进入超声_磁场处理装置破解。 (3)超声-磁场处理单元污泥在超声波和磁场的联合作用下，污泥中微生物细胞 得到破解，释放出胞内物质，回流至好氧生化池被生物直接利用实现减量化，或者进入厌氧 消化罐进行厌氧消化实现减量化。 (4)厌氧消化单元超声_磁场耦合破解后的剩余污泥在消化罐中厌氧菌和兼性 菌的作用下进行厌氧消化，污泥中的有机化合物转变为甲烷、二氧化碳和水，使污泥减量 化。 (5)污泥脱水单元经过厌氧消化稳定化的污泥通过离心脱水装置进行固液分 离，泥饼外运处置，上清液回流至好氧生化池进行处理。 本发明所述采用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法，有如下优点和效 果 (1)污泥破解过程中能耗较低，运行成本较低； (2)破解污泥可被好氧微生物直接利用，产生隐性生长，使污泥减量化；
(3)提高了污泥厌氧消化效率，縮短了消化时间；
(4)大幅提高沼气生成量； (5)使整个污水处理系统的剩余污泥减量化；
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用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法是一种经济有效的污泥减量化 技术，可以在水处理工艺中推广使用。
图1是本发明所述用超声_磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法流程图。
具体实施例方式
本发明所述用超声-磁场破解污泥使污泥减量化的方法，包括好氧生化单元、沉 淀单元、超声_磁场处理单元、厌氧消化单元和污泥脱水单元。 所述好氧生化单元，是将污泥集中在废水好氧生化池中，通过污泥中微生物的作 用，将废水中的有机污染物转变为小分子物质。通过曝气或搅拌的方式向污水中通入空气， 增加废水中含氧量，使污泥中好氧菌大量繁殖，加速有机污染物的降解。 所述沉淀单元是将生化处理后的废水在沉淀池中进行泥水分离。经过1 2小时 的沉淀后，上清液可达标排放。沉淀后的污泥，一部分为回流污泥，回流到好氧生化单元中， 补充生化池内的微生物量，提高废水处理效率，通常污泥回流比(即回流污泥量与进水量 之比)为50-400% ;另一部分为剩余污泥，进入超声-磁场处理单元破解。
所述超声_磁场处理单元，是利用超声波和磁场的协同作用对污泥进行破解。超 声波的频率范围为在16-200kHz，其声能密度为0. 1-1. OW/mL，作用时间为lmin以上，污泥 液体中的微小气泡核在超声波的作用下被激化，表现为泡核的生长、振荡、收縮并爆裂等一 系列动力学过程。在气泡破碎的微小环境中会产生瞬间的高温(高达5000°C )、高压(高 达500bar)和具有强烈冲击力的微射流，并产生大量前0H自由基等强氧化剂，污泥中的微 生物在这些作用下，细胞壁被压碎，细胞破裂，释放出胞内物质。这样为污泥的好氧分解或 者厌氧消化提供了有利的条件，提高了反应速率，减少了反应时间。同时外加磁场，磁场强 度为300-20000Gs，利用磁场的化学效应，改变污泥颗粒的理化结构，防止或减少超声空化 产生的 0H和 H自由基对的复合，强化了超声破解污泥的效果，降低了超声处理能耗，污 泥SC0D(溶解性化学需氧量)溶出率达到70%以上。 所述超声-磁场处理单元破解后的污泥可以有两种去向，一种去向是通过回流进 入好氧生化池，经超声_磁场破解后的污泥，絮体结构被破坏，微生物细胞壁破裂，胞内物 质释放出来，为微生物的隐形生长提供基质，使系统的剩余污泥外排量减少80%以上。另 一种去向是流入厌氧消化罐，经超声_磁场破解后的污泥，微生物细胞释放出的胞内物质 为厌氧消化反应提供了碳源，易降解的溶解性物质增多，克服了污泥厌氧消化反应的限制 因素，使消化过程加快，有效縮短消化停留时间，减小污泥消化池容积，消化停留时间縮短 60%以上，污泥消化池容积减小60%以上，单位时间沼气产量增加35%以上，消化污泥减 量30%以上。 所述厌氧消化单元，是把沉淀池流出的剩余污泥，利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧 消化，分解污泥中的有机物，将有机物转化为无污染的小分子物质，回收沼气，实现污泥的 减量化、资源化。本发明采用厌氧消化的方式，污泥中含有消化所需的有效微生物，因此不 需另外投加，只需在无氧或缺氧环境中对微生物进行培养驯化。 所述污泥脱水单元，是采用离心脱水机进行泥水分离。根据污泥颗粒和水之间存在的密度差，在离心脱水机内产生离心力差，使污泥颗粒与水分离，实现脱水目的，上清液 通过管道返回好氧生化池，脱水后的泥饼已达到稳定化，可作为有机肥施用到农田中。
权利要求
用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法，其步骤包括(1)好氧生化单元在好氧生化池内，通过微生物的好氧消化去除废水中的有机污染物，使水质得到净化。(2)沉淀单元经生化反应后的废水在沉淀池中进行泥水分离，出水达标排放，污泥分为两部分，一部分作为回流污泥回流至好氧生化池，增加生化池内微生物量，污泥回流比为50-400％；另一部分作为剩余污泥进入超声-磁场处理装置破解。(3)超声-磁场处理单元污泥在超声波和磁场的联合作用下，污泥中微生物细胞得到破解，释放出胞内物质，回流至好氧生化池被生物直接利用实现减量化，或者进入厌氧消化罐进行厌氧消化实现减量化。(4)厌氧消化单元超声-磁场耦合破解后的剩余污泥在消化罐中厌氧菌和兼性菌的作用下进行厌氧消化，污泥中的有机化合物转变为甲烷、二氧化碳和水，使污泥减量化。(5)污泥脱水单元经过厌氧消化稳定化的污泥通过离心脱水装置进行固液分离，泥饼外运处置，上清液回流至好氧生化池进行处理。
2. 根据权利要求1所述的用超声_磁场耦合破解污泥使污泥减量的方法，其特征是在污水生物处理系统中，利用超声波和磁场的协同作用破解污泥，超声频率范围为16kHz到 200kHz，声能密度为0. 1W/mL到1. 0W/mL，磁场强度为300Gs到20000Gs，超声-磁场协同作 用时间lmin以上。
3. 根据权利要求l所述的用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量的方法，其特征在 于超声波的最佳选择范围超声频率为20-100kHz，声能密度为0. 1-0. 6W/mL，磁场强度为 400-10000Gs，超声-磁场协同作用时间在2min以上。
4. 根据权利要求1所述的用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量的方法，其特征在于 超声波采用各种机电型或机械型中的任何一种方式来产生超声波。
5. 根据权利要求1所述的用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量的方法，其特征在于 磁场为稳定磁场，采用永久强磁铁产生。
6. 根据权利要求1所述的用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量的方法，其特征在于 所述破解污泥回流至好氧生化池被生物直接利用实现减量化是将超声_磁场处理装置与 好氧生化池连接，所述破解污泥进入厌氧消化罐进行厌氧消化实现减量化是将超声_磁场 处理装置与厌氧消化罐连接。
全文摘要
本发明属固体废物处理领域，涉及用超声—磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法，步骤包括好氧生化单元是在生化池通过微生物去除有机污染物；沉淀单元是在沉淀池进行泥水分离；超声-磁场处理单元是采用频率为16-200kHz，声能密度为0.1-1.0W/mL的超声波，磁场强度为300-20000Gs的磁场，协同作用时间1min以上，破解剩余污泥；厌氧消化单元是在消化罐中厌氧消化污泥；污泥脱水单元是采用离心脱水进行固液分离。该方法使污泥破解能耗大幅降低，破解污泥好氧消化时污泥减量80％以上；厌氧消化时，消化时间缩短60％以上，沼气产量增加35％以上，污泥减量30％以上。该方法经济效益明显，具有推广应用价值。
文档编号C02F11/12GK101704615SQ20091022726
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者刘永德, 张 杰, 武海霞, 赵继红 申请人:河南工业大学