本发明涉及城镇生活废水处理与污泥处置技术领域，具体为一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺。
背景技术：
随着我国城市化进程加快和人民生活水平提高，城市生活污水排放量不断增加，而生活污水中富营养化(n、p含量增高)，以及国内外排放标准的日趋严格，致使应用最为广泛、成熟的传统活性污泥法工艺处理低c/n比污水过程中产生大量的剩余污泥，正逐渐变成日益严重的环境污染问题。据国家环境保护部统计，2015年我国废水排放量达735.3亿吨，其中城镇生活污水排放量达535.2亿吨，占废水排放总量的72.8％；城镇污水处理过程中产生的污泥产量为3500万吨。在传统活性污泥处理技术的限制下，寻找出一种既科学又经济的剩余污泥减量化方法，不仅可以减少剩余污泥的产量，而且可以减少剩余污泥处理与处置费。因此，研究剩余污泥减量化技术，具有较好的的环境和经济效益。
剩余污泥是由污水中的悬浮物、沉淀物、微生物及所吸附的有机物和微生物代谢活动产物所形成的聚集体，其中含有大量的胞外聚合物(eps)，而主要组成为蛋白质、多糖、核酸、腐殖酸、氨基酸和脂类等可降解性性成分，如果随处堆置不及时处理，会造成大量土地资源被占用，且易腐变臭，很容易形成环境二次污染，引起人们的广范关注。
目前，国内外主要污泥破解减量化方法有机械法、加热法、物理法、化学法和生物法等。利用物理溶胞法的超声空化作用打碎污泥聚集体和破碎细胞壁，释放出包覆的大量水分和细胞内物质，从而实现剩余污泥减量的目的。现有的单一破解污泥法通常只能部分实现污泥破解，两种或多种联合可以充分发挥各自优势，且相较于联合破解技术，单一破解技术存在效率低，成本和能耗高等缺点。在污泥处置与处理技术领域里已展开了超声与碱联合处理、超声联合热处理、微波辐射与碱联合处理、超声与磁场联合处理等多种联合破解技术研究。机械作用下利用旋流剪切力快速破碎污泥絮体结构，缩短破解时间；而在超声空化作用下，产生强烈的冲击波和高温高压，并伴随产生有强氧化剂的自由基(如：·oh等)，致使胞外聚合物和微生物细胞壁不断受到破坏，释放出胞内物质，大量固体性有机物转化为溶解性有机物。
如今，我国在剩余污泥破解方面已经做了很多工作，如河南工业大学刘永德等的中国专利申请cn200910227265.4提出采用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法；中国矿业大学白向玉等的中国专利申请cn201310391589.8提出了一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法；清华大学王建龙等的中国专利申请cn201510920896.x提出涉及一种剩余污泥的破解方法及在发酵产氢中的应用。上述相关联合污泥破解减量化技术都具有显著的效果，破解后也明显改善了剩余污泥脱水性能，但是现有方法仍然存在成本较高，破解率较低，破解时间较长，在工业领域应用还存在一定差距。因此，亟须寻找一条高效经济的污泥减量化技术路线，以实现剩余污泥资源化和减量化。
技术实现要素：
本发明基于以上技术问题，提供一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺。该工艺不仅具有操作简便、无二次污染、成本低等特点，而且破解后的污泥中有机质含量升高，可改善污泥的可降解性和污泥脱水性，解决现有单一超声破解技术上的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明的具体技术方案如下：
一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺，包括如下步骤：
(1)将城镇生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩预处理；(2)将其预处理后的剩余污泥通过旋流器进行旋流剪切破解，并通过旋流回流比调节流场强度；
(3)将初步破解后的污泥进行超声空化处理，以释放胞内和胞外有机物至水体。
进一步地，步骤(1)中，所述的剩余污泥经过重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93％～98％，更进一步优选为93.70％。
步骤(2)中，所述的旋流器处理装置的进口操作压力为0.01～0.3mpa，旋流剪切时间为0～10min。
进一步地，步骤(2)中，所述的旋流器的柱段直径为20～250mm，单个旋流器处理量为50～100m3/h。
步骤(2)中，所述的旋流器进口为切向进口，可采用多管并联或串联的连接方式。
步骤(2)中，所述的旋流剪切破解过程的溢流分流比为5％～20％，较优的为10％。
步骤(3)中所述的超声波频率为20～40khz，功率密度为0.01～0.1w/ml，处理时间为0.01～41h。
进一步地，所述的超声空化破解阶段超声波的频率为40khz，功率密度为0.01、0.03、0.05、0.07w/ml中任意一种。
步骤(3)中，所述的超声波产生装置置于旋流破解器末端，经旋流破解后的污泥混合液进行超声破解，上清液化学需氧量(cod)浓度增加50％～200％。
本发明提供了一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺，先采用的旋流器剪切力只对剩余污泥中的菌胶团破解显著，对破解效果的影响不大，但是增强了后续超声波空化破解污泥的效果。通过旋流器的剪切力和超声波的空化联合作用对剩余污泥进行破解处理，实现微生物细胞壁破碎，充分释放出胞外聚合物和细胞内有机质转移到液相中，进一步增高了污泥上清液中scod浓度、总磷和总氮浓度，为剩余污泥后续厌氧发酵、产气提供底物。与单独采用旋流器或超声波处理相比，很大程度地提高了污泥细胞破解率，降低了剩余污泥的含水率，缩短了剩余污泥破解时间，实现了剩余污泥减量化的效果。同时针对超声波和旋流器单独破解污泥的效率低、时间长等不足，采用联合破解方式不仅实现了旋流器单独破解将污泥快速破碎成小絮体，超声波单独破解将微生物细胞膜高效破碎，释放有机质，进而实现了各自的优势互补；而且有效地解决了剩余污泥的处置与处理问题。本发明方法操作简便、环保节能、安全可靠和具有可操作性，适用于城镇污水处理厂二沉池产生的剩余污泥处置与处理，具有良好的环境与经济效益。
本发明的积极效果体现在：
(一)、利用了外加旋流能量场中强剪切、强湍动和离心分离作用实现了大絮体的快速磨削破散并释放大部分胞外聚合物(eps)和胞内有机物，并在离心力作用下实现絮体母体与有机物(如cod)的彻底分离，此过程能耗低、占地面积少、处理量大。
(二)、结合了超声空化作用破解小絮体和微生物细胞壁，释放胞内外聚合物至水体，联合工艺属于机械破解，并没有进入额外物质，无二次污染。
(三)、相比于单一污泥破解法，超声与旋流联合破解工艺提高了污泥破解率和脱水率。
附图说明
图1为本发明所述用一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺的流程图。
图中标记：进水箱1、阀门(2、4、8、10、11、12、14)、离心泵3、阀门4、压力表(5、7)、旋流器6、流量计9、超声波清洗机13。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
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一种剩余污泥超声旋流联合破解工艺，其具体技术步骤包括：将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩预处理；然后将其预处理后的剩余污泥通过旋流器进行旋流剪切破解污泥；最后将其旋流破解后的剩余污泥进行超声波空化处理破解污泥。
具体步骤如下：
将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93％～98％，较优的为93.70％，得到预处理剩余污泥；
取出5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，并设定进口压力表5的旋流操作压力为0.01～0.3mpa，循环剪切破解时间为0～10min，利用旋流器剪切力对剩余污泥中的菌胶团进行破解处理，使得菌胶团内微生物细胞壁破裂和细胞内有机物质的释放，增强了后续超声波空化破解污泥的效果。
进一步地，所述的旋流剪切破解过程的溢流分流比为10％，增大底流回流充分破解污泥混合液，以提高剩余污泥破解强度。
然后将旋流器破解处理后的5l剩余污泥放入超声波容器中，并设置超声波频率为20～40khz，功率密度为0.01～0.1w/ml和超声空化时间为0.01～41h，同时低速搅拌污泥混合液。采用超声波空化作用对旋流破解后的剩余污泥进行处理，进一步破解微生物细胞壁，提高污泥中的溶解cod浓度，以达到污泥破解减量和改善污泥脱水性能的效果。
进一步地，所述的超声空化破解阶段超声波的频率为40khz，功率密度为0.01、0.03、0.05、0.07w/ml中的任意一种。
经过超声波破解处理完成后，取出适量样品，以4000r/min离心10min，再过滤取其上清液，置于冰箱0℃恒温保存，冷藏的待测试样必须在超过两天内检测分析完毕。
破解效果检测分析：
剩余污泥的破解率计算式如下:
式中：scod1表示经破解处理后剩余污泥中的溶解性cod，mg/l；tcod表示未经破解处理的剩余污泥与1mol/l的naoh溶液处理24h，离心取其上清液过滤，测定出scod值，即tcod；scod0表示未经破解处理剩余污泥中溶解性cod，mg/l。
污泥抽滤后含水率是污泥脱水性能的一个重要指标。本实验抽滤的真空压力为0.05mpa，抽滤时间为30min，抽滤后的湿污泥在烘箱为105℃温度下恒温干燥2h左右，然后取出并放入干燥器中冷却半小时后称重。按下式计算：
式中：m0—烘干前污泥样品加滤纸质量，g；
m1一烘干滤纸质量，g；
m2—烘干后污泥样品加滤纸质量，g。
实施例1
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，以旋流器单独作用破解该剩余污泥，设定进口压力表5的旋流操作压力为0.1mpa和循环破解时间为5min，破解后剩余污泥scod为524mg/l，tn为13.7mg/l，tp为0.65mg/l，污泥破解率为16.89％，污泥含水率为92.78％。
实施例2
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入超声波容器中，以超声波单独作用破解该剩余污泥，并设置超声波的频率为40khz，功率密度为0.07w/ml，空化时间为10min，此时，剩余污泥的scod为472mg/l，tn为8.1mg/l，tp为0.79mg/l，污泥破解率为12.37％，污泥含水率为91.98％。
实施例3
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，设定进口压力表5的旋流操作压力为0.1mpa，超声波频率为40khz，功率密度为0.07w/ml，先旋流器循环剪切破解5min后，剩余污泥的scod为524mg/l，tn为13.7mg/l，tp为0.65mg/l，污泥破解率为16.89％，污泥含水率为92.78％；再启动超声波空化处理10min，此时，剩余污泥的scod为589mg/l，tn为12.7mg/l，tp为0.91mg/l，污泥破解率为22.56％，污泥含水率为91.27％。
实施例4
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，设定进口压力表5的旋流操作压力为0.06mpa，超声波频率为40khz，功率密度为0.05w/ml，先旋流器剪切破解5min后，剩余污泥的scod为495mg/l，tn为8.9mg/l，tp为0.57mg/l，污泥破解率为14.37％，污泥含水率为87.84％；再启动超声波空化处理8min，此时，剩余污泥的scod为553mg/l，tn为23.2mg/l，tp为0.73mg/l，污泥破解率为19.43％，污泥含水率为86.71％。
实施例5
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，设定进口压力表5的旋流操作压力为0.04mpa，超声波频率为40khz，功率密度为0.03w/ml，先旋流器剪切破解5min后，剩余污泥的scod为403mg/l，tn为13.3mg/l，tp为0.49mg/l，污泥破解率为6.35％，污泥含水率为88.31％；再启动超声波空化处理5min，此时，剩余污泥的scod为500mg/l，tn为10.2mg/l，tp为0.66mg/l，污泥破解率为14.81％，污泥含水率为87.63％。
实施例6
(1)将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥进行重力沉降浓缩后，其污泥含水率为93.70％，ph为7.5，经测定剩余污泥中总固体含量mlss为1238mg/l，tcod为1478mg/l，其中溶解性cod为330mg/l，tn为5.2mg/l，tp为0.22mg/l。
(2)取5l经过重力沉降浓缩预处理后的剩余污泥置入进水箱中，设定进口压力表5的旋流操作压力为0.02mpa，超声波频率为40khz，功率密度为0.01w/ml，先旋流器剪切破解5min后，剩余污泥的scod为357mg/l，tn为25mg/l，tp为0.23mg/l，污泥破解率为2.35％，污泥含水率为91.96％；再启动超声波空化处理2min，此时，剩余污泥scod为406mg/l，tn为13.0mg/l，tp为0.26mg/l，污泥破解率为6.62％，污泥含水率为90.01％。
结合以上实施例可以得出，实施例1和实施例2是分别单独利用旋流器或超声波破解剩余污泥的方法，它们单独作用的破解效果相对两者联合作用的破解效果较差。
结合实施例3、4、5、6可以得出，在对剩余污泥的破解过程中，旋流器的进口操作压力、超声波功率密度及作用时间都对破解效果产生很大影响，剩余污泥破解率随着旋流器进口操作压力的增大而增大，而含水率先随旋流器进口操作压力的增大而减小，后又随旋流器进口操作压力的增大而增大；对于同一旋流器进口操作压力和循环剪切破解时间下，随着超声波功率密度增大和空化时间延长，污泥胞外聚合物与微生物的破坏程度逐渐增大，溶解性有机物浓度逐渐升高，使得污泥的破解率增大；总磷浓度随着旋流器进口操作压力的增大而增大；与污泥破解前相比，联合破解后的总氮浓度有显著升高。
由此可以看出，本发明很大程度上联合破解比单一破解的污泥破解率提高了30％～150％，缩短了污泥破解的时间，联合破解后污泥的含水率降低了5％～35％，实现了剩余污泥的破解减量的效果，具有节能高效、操作简便、绿色环保和安全可靠的优势。
以上所述实例仅是本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。