本发明涉及一种污泥处理技术，尤其涉及一种市政生活污泥气浮浓缩处理设备及方法，属于废水废气处理技术领域。
背景技术：
随着我国城市化进程的加快，生活污水处理率逐步提高，生活污水处理过程中所产生的污泥具有含水率高、体积大、有机质含量高、稳定性差、有恶臭等特点，数量也越来越多，同时由于污泥处理的高成本和污泥中有毒物质和病原体对环境和人体健康的威胁，由此带来的环境问题日益突出，污泥的处理处置引起了高度关注。
城市生活污泥的处理技术主要有污泥浓缩脱水、好氧消化、厌氧消化、干化、堆肥和焚烧等。其中，污泥浓缩脱水是处理、处置污泥的第一步，对减少后续处理的污泥体积、方便污泥的输送及后续处理工艺的正常运行有着重要意义。污泥的浓缩技术主要分为重力浓缩、机械浓缩和气浮浓缩三类，我国城市污水处理厂污泥浓缩技术主要采用重力浓缩为主。
传统的重力浓缩、机械浓缩仍是目前生活污水处理厂主流的污泥浓缩工艺，重力浓缩工艺在我国污水处理厂应用的比例在70％以上，但这两种工艺在应用过程中还存在很多问题。
目前重力浓缩池仍是城市污水处理厂污泥浓缩的主要技术。虽然工艺技术、构造和运行管理简单，但占地面积大、卫生条件差。不进行曝气搅拌时，在池内可能发生污泥的厌氧消化，污泥上浮，从而影响浓缩效果，这种厌氧状态还使污泥已吸收的磷释放，重新进入污水之中，造成出水磷超标。安装在重力浓缩池中心的水下轴承易出故障，搅拌栅易腐蚀，需要频繁检修。重力浓缩后的污泥含固率低，特别是对于剩余活性污泥的重力浓缩，一般浓缩后污泥含固率不超过4％，含固率低使后续处理构筑物容积增大，增加投资和运行成本，随着污水处理工艺的发展和污水处理标准的提高，特别是对脱氮除磷的要求的提高，使重力浓缩工艺在剩余活性污泥浓缩方面的应用受到限制。
机械浓缩包括离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓、螺压浓缩机浓缩等。离心浓缩占地小，不会产生恶臭，对于富磷污泥可以避免磷的二次释放，提高污泥处理系统总的除磷率，造价低，但运行费用和机械维修费用高，经济性差，一般很少用于污泥浓缩，但对于难以浓缩的剩余活性污泥可以考虑使用。带式浓缩机主要用于污泥浓缩脱水一体化设备的浓缩段，带式浓缩机主要由框架、进泥配料装置、脱水滤布、可调泥耙和泥坝组成。带式浓缩机常见滤带跑偏、污泥外溢及滤带起拱等故障，影响带式浓缩机的运行和环境。转鼓、螺压浓缩机或类似的装置主要用于浓缩脱水一体化设备的浓缩段，转鼓、螺压浓缩是将经化学混凝的污泥进行螺旋推进脱水和挤压脱水，转鼓、螺压浓缩机是污泥含水率降低的一种简便高效的机械设备。
国内气浮浓缩技术的应用相对较少，对相关工艺参数及设备缺乏系统研究。在国外， 1983年瑞典Simona Cizinska开发了生物气浮污泥浓缩工艺，加入硝酸盐利用污泥的自身反硝化能力，污泥进行反硝化作用产生气体使污泥上浮而进行浓缩。生物气浮浓缩工艺的日常运转费用比压力溶气气浮污泥浓缩工艺低，能耗小，设备简单，操作管理方便，但污泥停留时间比压力溶气气浮浓缩工艺长，需投加硝酸盐。
气浮浓缩又分为溶气气浮、生物气浮和涡凹气浮三类。溶气气浮应用较多，但是存在设备复杂，操作管理困难等问题；生物气浮利用污泥的反硝化作用，运行简单、能耗低，但是停留时间长，易产生臭气和发生释磷反应；涡凹气浮具有设备简单、停留时间短、不会发生厌氧反应及释磷反应等优点，在浓缩效果和投资成本上具有较大优势，但国内气浮浓缩技术的应用较少，对相关工艺参数及设备缺乏系统研究。
技术实现要素：
本发明提供一种市政生活污泥气浮浓缩处理设备，该设备具有浓缩时间短、设备简单、用电省、回流比可调等优点，有效解决含市政生活污泥浓缩处理过程中存在的占地面积大、污泥腐化、释磷反应、设备庞杂等难题。
本发明还提供一种市政生活污泥浓缩处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种市政生活污泥气浮浓缩处理设备，该设备包括进行定量加药、混合、反应的污泥调理单元，和将空气溶于污泥中并完成分离的涡凹气浮浓缩单元；涡凹气浮浓缩单元内设置用于涡凹溶气的气浮头，气浮头与中空的旋转轴相连，该气浮头包括与旋转轴连通的中心盘和多个安装在中心盘侧部的溶气支管，溶气支管具有多个用于通气的微孔。
市政生活污水处理过程中产生的剩余污泥，经过化学调理后进入本发明的市政生活污泥气浮浓缩处理设备，经涡凹溶气后实现气浮分离，上浮的污泥进行脱水处理，清液送回污水处理系统，浓缩后的混合液通过内部循环后再次经过涡凹溶气、气浮分离，实现连续不断地污泥浓缩，具有浓缩时间短、设备简单、用电省、回流比可调等优点，有效解决含市政生活污泥浓缩处理过程中存在的占地面积大、污泥腐化、释磷反应、设备庞杂等难题，具有广泛的技术先进性及有益效果。
本发明利用涡凹气浮原理，通过化学调理、在特定运行控制参数下实现了较好的污泥浓缩处理效果，具有占地面积小、停留时间短、工程造价低、管理运行简便、运行成本低等优点，没有厌氧反应产生臭气及释磷反应导致水质不合格的风险。
涡凹气浮浓缩单元中的可调出水堰及中心反应筒用于控制回流比；最高单机处理能力≥250t/h，可以满足各种规模污水处理厂的需要。
作为优选，涡凹气浮浓缩单元包括涡凹气浮浓缩池，污泥调理单元通过中心进料管与涡凹气浮浓缩池的底部相连通，涡凹气浮浓缩池内中心处设置有一个中心反应筒，中心反应筒的中间段呈圆筒状，中心反应筒的上下两端均为喇叭口，所述气浮头安装在中心反应筒内轴心处，涡凹气浮浓缩池的内壁上设有可调出水堰，中心反应筒的顶部外缘与涡凹气浮浓缩池的内壁之间设有污泥槽。
作为优选，污泥调理单元为调理池，涡凹气浮浓缩池具有双锥底部。
作为优选，气浮头位于中心反应筒内底部且处于中心反应筒的下端喇叭口进口处。
作为优选，污泥槽靠近涡凹气浮浓缩池内壁的一侧安装有高于液面的挡泥板，该挡泥板使污泥槽的左右两侧一边高一边低，有利于收集浓缩污泥，清液从挡泥板溢出流向可调出水堰。
作为优选，所述的中心盘为顶部设有与旋转轴配合连接的开口且内部为空腔的圆柱体，中心盘的外壁均布若干与溶气支管配合连接的侧孔。
作为优选，所述的各溶气支管以中心盘为中心呈放射状均布于中心盘周围。
作为优选，所述的溶气支管为中空的直线型管或曲线型管。由于直线型管的结构规则，加工方便，直线型管可作为气浮头直径较小情况下的溶气支管的较优选择；气浮头在高速旋转过程中，转速一般为1500r/min-3500r/min，随着气浮头直径的增大，溶气支管远端的线速度较其他部位更大，由于液体的压差阻力与速度成二次方关系，在满足溶气需要后大量的功率消耗在克服压差阻力上。这时采用曲线型管作为溶气支管，在常用转速下，满足溶气需要的线速度后，溶气支管远端部分背离旋转方向弯折成流线型，减小垂直于溶气支管的速度矢量，从而大幅减小压差阻力。这一过程中虽然客观增加了弯折部分沿溶气支管的速度矢量，但是由于粘滞阻力与速度的一次方成正比，而压差阻力与速度的二次方成正比，综合而言，在相同气浮头直径的情况下，曲线型管的溶气支管可以减小20％以上的运行阻力，并且减阻效果随着气浮头直径的增加而进一步优化，从而减少相应的功率消耗，具有良好的节能效果。
作为优选，所述的溶气支管的数量为2个以上。
作为优选，所述的微孔设于溶气支管背离旋转方向的一侧。这样设计的好处是，气浮头顺时针高速旋转时，在旋转方向背面溶气支管与液体有分离趋势，形成低压环境，此处压力低于周围液体及大气压力，空气通过旋转轴、中心盘、溶气支管和微孔进入液体，并在溶气支管高速旋转的搅拌作用下分散成细小气泡，以便裹挟液体中的污泥及其他固体颗粒上浮，实现溶气、气浮分离的过程。
作为优选，所述的微孔直径为0.1mm-20mm。
一种市政生活污泥浓缩处理方法，该方法是：市政生活污泥进入污泥调理单元，投加 PAM搅拌调理，之后在重力作用下通过中心进料管进入涡凹气浮浓缩池；PAM投加量为 1.5kg/tDS-2.5kg/tDS；在涡凹气浮浓缩池中，通过气浮头实现高效率的均匀溶气，气泡裹挟污泥颗粒在浮力和水流带动下在中心反应筒内快速上浮，通过中心反应筒上部的扩散段减速后，在水平方向上向周边扩散，溶有气泡的污泥与水实现分离，污泥通过污泥槽收集排走，分离后的清液通过可调出水堰收集排走，部分未分离的污泥沿中心反应筒与气浮池之间的循环通道再次进入中心反应筒内部，与新进入的污泥一起再次溶气进行气浮浓缩分离。
在涡凹气浮浓缩池中，气浮时间≤1min，分离时间≤8min，回流比10％-150％，气浮浓缩每吨污泥每小时消耗功率≤50w，溶气量≥10mL/L。
本发明的有益效果是：本发明提供的市政生活污泥浓缩处理方法，通过简单化学调理后，进行气浮浓缩。利用涡凹溶气原理，通过改进的涡凹气浮浓缩单元，实现了单机处理能力250t/h以上，停留时间≤9min，出泥含水率≤96％。相比现有重力浓缩技术，大大减少了停留时间，避免了厌氧反应释放臭气和释磷反应导致的出水磷超标，同时减少了占地面积；相比现有的机械浓缩和溶气气浮浓缩，减少了设备数量和装机功率，具有较大的节能优势；相比现有的矩形涡凹气浮浓缩机，单机处理能力更大，回流比可调节，设备整体为圆柱形，没有死角，，适应较大规模污水处理厂的需要。
附图说明
图1为本发明的工艺示意图；
图2为本发明的浓缩设备结构示意图；
图3是本发明实施例1的结构示意图；
图4是本发明实施例1的侧视图；
图5是本发明实施例2的结构示意图。
图中：调理池1，中心进料管2，涡凹气浮浓缩池3，中心反应筒4，可调出水堰5，气浮头6，旋转轴7，侧孔61，微孔62，溶气支管63，中心盘64，开口65。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
实施例1：
一种市政生活污泥气浮浓缩处理设备如图2所示，该设备包括进行定量加药、混合、反应的污泥调理单元和将空气溶于污泥中并完成分离的涡凹气浮浓缩单元。本实施例中污泥调理单元为调理池1，调理池1通过中心进料管2与涡凹气浮浓缩池3的底部相连通，涡凹气浮浓缩池3具有双锥底部，涡凹气浮浓缩池3内中心处设置有一个中心反应筒4，中心反应筒4 的中间段呈圆筒状，中心反应筒4的上下两端均为喇叭口，中心反应筒4内轴心处安装有与旋转轴7连接的气浮头6，气浮头位于中心反应筒4内底部且处于中心反应筒4的下端喇叭口进口处。涡凹气浮浓缩池3的内壁上设有可调出水堰5，中心反应筒4的顶部外缘与涡凹气浮浓缩池3的内壁之间设有污泥槽，污泥槽靠近涡凹气浮浓缩池3内壁的一侧安装有高于液面的挡泥板，该挡泥板使污泥槽的左右两侧一边高一边低，有利于收集浓缩污泥，清液从挡泥板溢出流向可调出水堰5。
如图3和图4所示的用于涡凹溶气的气浮头，气浮头的顶端连接中空的旋转轴7，该气浮头包括六个表面设有多个微孔62并且中空的溶气支管63，以及用于连接旋转轴和溶气支管并中空的中心盘64。溶气支管为具有空心结构的直线型管，微孔设于溶气支管背离旋转方向的一侧，微孔直径为2mm。中心盘为顶部设有可与旋转轴配合连接的开口65且内部为空腔的圆柱体，中心盘的外壁均布六个可与溶气支管配合连接的侧孔61。
每个溶气支管的一端连接中心盘，六个溶气支管以中心盘为中心呈射线状均布于中心盘周围，每个微孔与溶气支管的内部相通，溶气支管、中心盘和空心旋转轴的内部相通。
使用时，该气浮头顺时针高速旋转，在旋转方向背面溶气支管与液体有分离趋势，形成低压环境，此处压力低于周围液体及大气压力，空气通过旋转轴、中心盘、溶气支管和微孔进入液体，并在溶气支管高速旋转的搅拌作用下分散成细小气泡，以便裹挟液体中的污泥及其他固体颗粒上浮，实现溶气、气浮分离的过程。
本实施例的工艺示意图如图1所示，市政生活污泥经过PAM(聚丙烯酰胺)调理后，进入涡凹气浮浓缩单元，通过涡凹溶气实现气浮分离。利用出水堰板和中心反应筒协同作用，调节污泥回流比，保证不同进泥浓度下，浓缩污泥含水量均≤96％。
市政生活污泥进入调理池，投加PAM搅拌调理之后，在重力作用下通过中心进料管进入涡凹气浮浓缩池3。通过特殊设计的气浮头实现高效率的均匀溶气，气泡裹挟污泥颗粒在浮力和水流带动下在中心反应筒内快速上浮，通过中心反应筒上部的扩散段减速后，在水平方向上向周边扩散，溶有气泡的污泥与水实现分离，污泥通过污泥槽收集排走，分离后的清液通过可调出水堰收集排走，部分未分离的污泥由中心反应筒进入反应筒内部，与新进入的污泥一起再次溶气进行气浮浓缩分离。
具体的，中心进料管的进料速度不宜超过1m/s；气浮头周边线速度约为20m/s-40m/s，过低不利于空气溶入，过高动力消耗较大；中心反应筒内上升流速约为10mm/s-20mm/s；通过中心反应筒和出水堰板的上下调节，回流比可以在10％-150％之间调整，满足浓缩污泥含水量的要求。
在本实施例中，对于含水量在99.6％的市政生活污水剩余污泥，PAM调理加药量 1.8kg/tDS、回流比50％左右时，浓缩后污泥含水量在95.5％-95.8％之间，每吨污泥每小时消耗功率约为35W，具有良好的处理效果。
本实施例相比现有重力浓缩技术，大大减少了停留时间，避免了厌氧反应释放臭气和释磷反应导致的出水磷超标，同时减少占地面积50％以上；相比现有的机械浓缩和溶气气浮浓缩，减少了设备数量和装机功率，气浮浓缩每吨污泥每小时消耗功率≤50w，具有较大的节能优势；相比现有的涡凹气浮浓缩，单机处理能力更大，回流比可调节，采用圆形布置没有死角，适应较大规模污水处理厂的需要。
实施例2：
一种市政生活污泥气浮浓缩处理设备，具体方案同实施例1，不同之处在于如图5所示的一种用于涡凹溶气的气浮头，气浮头的顶端连接中空的旋转轴7，该气浮头包括六个表面设有多个微孔62并且中空的溶气支管63，以及用于连接旋转轴和溶气支管并中空的中心盘64。溶气支管为具有空心结构的曲线型管，微孔设于溶气支管背离旋转方向的一侧，微孔直径为 5mm。中心盘为顶部设有可与旋转轴配合连接的开口65且内部为空腔的圆柱体，中心盘的外壁均布六个可与溶气支管配合连接的侧孔61。
每个溶气支管的一端连接中心盘，六个溶气支管以中心盘为中心呈射线状均布于中心盘周围，每个微孔与溶气支管的内部相通，溶气支管、中心盘和空心旋转轴的内部相通。
气浮头在顺时针高速旋转过程时，转速一般为1500r/min-3500r/min，随着气浮头直径增大，溶气支管远端线速度较其他部位更大，由于液体的压差阻力与速度成二次方关系，在满足溶气需要后大量的功率消耗在克服压差阻力上。通过优化设计，溶气支管为曲线型管，在常用转速下，满足溶气需要的线速度后，溶气支管远端部分背离旋转方向弯折成流线型，减小垂直于溶气支管的速度矢量，从而大幅减小压差阻力。这一过程中虽然客观增加了弯折部分沿溶气支管的速度矢量，但是由于粘滞阻力与速度的一次方成正比，而压差阻力与速度的二次方成正比，综合而言，在相同气浮头直径的情况下，作为优化，实施例2可以减小20％以上的阻力，并且减阻效果随着气浮头直径的增加而进一步优化，从而减少相应的功率消耗，具有良好的节能效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。