专利名称：利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统及方法
技术领域：
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统及方法。
背景技术：
氮磷导致的水体富营养化问题日益突出，迫使国家对氮磷的排放标准要求越来越严格。在污水生物处理过程中，有机碳源是污水生物脱氮除磷的控制性因素。我国城市污水中碳源含量相对较低，污水处理厂一般需要投加甲醇、乙酸、乙酸钠等外碳源以实现氮磷的达标排放，增加了污水处理成本。生物污泥水解酸化获取脱氮除磷碳源是公认的较为可行的工艺。但污泥水解耗时较长，一般需要15d-30d(即15-30天)的停留时间，溶解性有机物的产率相对较低，并且污泥水解过程中释放的氨氮和磷酸盐可能会增加污水脱氮除磷处理系统的氮磷负荷。污泥水解时间长、氮磷释放量大成为污水水解提供碳源工艺的应用瓶颈。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种低耗、高效的获取污泥中碳源的系统及方法。本发明以城市污水处理厂生物污泥为原料，利用超声波空化效应所产生的水力剪切力，破坏污泥絮体结构和细胞壁。经超声波预处理后的污泥进入厌氧水解反应器，在厌氧条件下，大分子的固态有机物经过一系列的生物水解最终转化为乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFAs)，这些有机物均为污水脱氮除磷过程中的优质碳源。本发明借用超声波处理与厌氧水解工艺的耦合，提高了污泥释放碳源的效率和速率；并利用结晶法对水解释放的 N、P进行了有效的去除与回收。本发明可解决目前脱氮除磷工艺的碳源缺乏问题，并在一定程度上实现污泥的稳定化与资源化。为实现上述发明目的，本发明提供一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法，其包括如下步骤生物污泥首先进入超声波污泥处理器进行超声波预处理，利用超声波空化效应所产生的水力剪切力，破坏生物污泥絮体结构及部分微生物细胞壁，加速厌氧水解释放碳源的过程；以及经超声波预处理后的污泥被引入厌氧水解反应器中，通过一系列的生物水解作用，该厌氧水解反应器中的厌氧菌将所述生物污泥中的大分子固态有机物最终转化为可溶态的小分子有机物，其中这些小分子有机物例如为乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFAs)，这些均是污水脱氮除磷过程中的优质碳源，同时在污泥厌氧水解过程中还释放出一定量的NH4+-N、Ρ0/—-Ρ。根据本发明的实施例，所述利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法还包括如下步骤经水解酸化处理后的污泥在泥水分离设备中实现泥水分离；经泥水分离出来的富含 VFAs的上清液被引入结晶反应器中，所述上清液中的NH/-N、Ρ0/--Ρ与Mg2+等发生化学结晶反应，形成磷酸氨镁结晶颗粒物，实现上清液中部分N、P物质的去除与回收；经结晶反应后的富含VFAs的上清液被引入污水脱氮除磷处理系统，利用其为生物脱氮除磷过程提供
4碳源；以及经泥水分离后的污泥被引入污泥处理系统，完成污泥的最终处理与处置。根据本发明的实施例，其中，该超声波污泥处理器的运行条件为工作频率为 20kHz 40kHz的低频，所述生物污泥快速穿过该超声场的时间为Imin lOmin，超声波声能密度为0. 3 0. 5W/mL。根据本发明的实施例，其中，当生物污泥在该厌氧水解反应器内停留3 6天后， 污泥上清液中的SCOD含量为800 2000mg/l，VFAs含量为700 1300mg/l。为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其包括依次连通的超声波污泥处理反应器、厌氧水解反应器、泥水分离设备和结晶反应器，所述生物污泥在经由该超声波污泥处理器进行超声波预处理之后，依次通过厌氧水解反应器、泥水分离设备和结晶反应器形成用于污泥脱氮除磷系统的富含SCOD、VFAs的优质碳源的上清液。根据本发明的实施例，其中，该超声波污泥处理反应器包括处理器主体；超声波发生器，设置在该处理器主体外部，将交流电转换为电磁振荡能量；振子，设置在该处理器主体内部；以及能量转换器，设置在该处理器主体内部，且位于所述振子的前端并与所述振子连接，该能量转换器与该超声波发生器电连接，将所述电磁振荡能量转换为所述振子的机械振动，其中所述生物污泥从位于该处理器主体下部的污泥入口进入该处理器主体，快速穿过由所述振子构成的超声场后流出；以及所述振子的振动能量被输入到所述生物污泥中，在污泥介质中形成压缩和膨胀，最终产生很多微小的气孔，产生空化效应。根据本发明的实施例，其中，该厌氧水解反应器为完全混合式反应器，下部进泥， 上部出泥，由搅拌器实现污泥的完全混合。根据本发明的实施例，其中，该泥水分离设备为带式或板框式压滤机或离心脱水机。根据本发明的实施例，其中，该结晶反应器包括曝气-pH实时控制系统，通过曝气吹脱(X)2来提升溶液pH值；以及镁盐投加系统，向溶液中投加镁盐，以使其中的NH4+和 PO43-与所述镁盐反应而形成磷酸铵镁。根据本发明的实施例，该曝气-pH控制系统由在线pH监控系统实时控制曝气量， 将所述溶液PH控制在7. 5 8. 5之间。根据本发明的实施例，所投加的镁盐为氢氧化镁、海水和卤水中的任意一种物质。本发明具有以下优点1、本发明中的超声波是在低频、短作用时间下运行，能耗低，避免了超声波设备应用于污泥处理中由于能耗高而限制其推广应用的问题。2、在利用超声波强化污泥水解的方法中，经超声波处理后的污泥在厌氧水解反应器中的水解时间缩短至3 6d，加速了碳源释放速率，在短时间内获得了大量乙酸、丙酸等 VFAs的累积。3、污泥水解上清液进入污水脱氮除磷系统前进行结晶处理，可去除和回收废水中的氮、磷物质，减小了整个污水脱氮除磷处理系统的氮磷负荷。4、根据本发明的利用超声波强化污泥水解酸化的方法，实现了污泥的资源化，并去除了部分污泥中的有机物，一定程度上实现了污泥的稳定化。5、本发明的方法可广泛应用于污水处理厂中污泥处理以及脱氮除磷碳源的获取和利用。
图1是本发明的超声波强化污泥水解获取碳源的方法的流程2是本发明的超声波污泥处理器的结构示意3是本发明的结晶反应器的结构示意图
具体实施例方式为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面对本发明的实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。图1示出本发明的利用超声波强化污泥水解提供碳源的方法的流程图。如图1所示，生物污泥依次经过超声波污泥处理器1、厌氧水解反应器2、泥水分离设备3和结晶反应器4进行处理，最后形成富含SC0D、VFAs等优质碳源的上清液，最后将上清液所述直接投入脱氮除磷系统。具体而言，该方法包括以下步骤将污泥引入该超声波污泥处理器1，污泥经过超声波作用后絮体解体，部分细胞壁破裂，微生物活性增加，完成污泥的物理预处理；将经过超声波预处理后的污泥引入该厌氧水解反应器2，在水解酸化过程中，有机物污泥中的大分子的固态有机物经过一系列的生物水过程，微生物细胞破裂，胞内物质流出，在水解酸化菌的作用下转化为尺寸更小的有机物，并进一步降解为富含乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸 (VFAs)的可溶态的小分子有机物，这些小分子有机物均为污水脱氮除磷系统中所需要的优质碳源。在超声波和水解处理过后，泥水混合液可以直接投入污水脱氮除磷系统中，此时即可获得比现有技术更多的碳源。然而，由于污泥经超声波破解后粒径变得比较小，沉降性变差，可能导致脱氮除磷系统出水悬浮物增加，此外，在超声波的作用下，在释放碳源的同时还会从污泥中释放出一定量的NH4+-N、PO43T等物质，如果不加处理而直接送往污水脱氮除磷处理系统，会增加污水脱氮除磷处理系统的N、P处理负荷，而N、P是污水处理出水的主要控制指标。因此，本发明在工艺上从两个方面来解决这个问题，一是在厌氧水解过程中利用 N、P释放和碳源释放的规律寻找最优运行条件，在此条件下碳源释放较高而氮磷释放较低； 二是在将经过超声波和水解处理后的污水投放至污水脱氮除磷系统之前，首先利用泥水分离设备3进行污泥脱水，再利用结晶反应器4进行结晶处理以将氮磷回收，这样即可获得富含SCOD、VFAs等而N、P含量较少的优质碳源。根据上述，本发明的利用超声波强化污泥水解提供碳源的方法还可包括以下步骤经水解酸化处理后的污泥被引入泥水分离设备3，在泥水分离设备3中实现泥水分离， 即将所述泥水分离为上清液和污泥；经泥水分离出来的富含VFAs的上清液被引入结晶反应器4中，所述上清液中的NH4+-N、Ρ0/—-Ρ与Mg2+等发生化学结晶反应，形成磷酸氨镁结晶颗粒物，实现上清液中部分N、P物质的去除与回收；以及经结晶反应后的富含VFAs的上清液被引入污水脱氮除磷处理系统，利用其为生物脱氮除磷过程提供优质碳源。
此外，经过在泥水分离设备3中进行泥水分离后的脱水后的污泥可以被引入污泥处理系统，完成污泥的最终处理与处置。根据本发明的实施例，超声波可以导致污泥中的絮体破碎以及细胞壁破裂，能量输入以及作用时间不同导致的破裂效果不同。本发明的工作频率以低频实现，且作用时间短，因此能耗较低，N、P物质释放相对较少。因此，本发明中主要通过对超声波的频率、工作时间和声能密度等的控制而将破碎的这个过程保持到污泥絮体解体、部分细胞壁破裂的程度即可，加速厌氧水解反应器2中的水解速率。如果细胞壁完全破裂，会导致在释放碳源的同时还会释放大量的氮磷，不利于该系统所产生的碳源的利用。根据本发明的一个实施例，超声波污泥处理器1的运行条件可以为低频 (20kHz 40kHz)、短停留时间(Imin IOmin)、超声波声能密度为0. 3 0. 5W/mL。根据本发明的一个实施例，生物污泥在厌氧水解反应器2内停留3 6d后，污泥上清液中SCOD含量为800 2000mg/l，VFAs含量为700 1300mg/l。为了实现上述方法，本发明还提供一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其包括通过泥水输送管道等依次连通的超声波污泥处理反应器1、厌氧水解反应器2、 泥水分离设备3和结晶反应器4，所述生物污泥在经由该超声波污泥处理器1进行超声波预处理之后，依次通过厌氧水解反应器2、泥水分离设备3和结晶反应器4形成用于污泥脱氮除磷系统的富含SC0D、VFAs的优质碳源的上清液。根据本发明的一个实施例，该超声波污泥处理反应器1可包括处理器主体10 ；超声波发生器11，设置在该处理器主体10外部，将交流电转换为电磁振荡能量；振子13，设置在该处理器主体10内部；以及能量转换器12，设置在该处理器主体内部，且位于所述振子 13的前端并与所述振子13连接，该能量转换器12与该超声波发生器11电连接，将所述电磁振荡能量转换为所述振子13的机械振动，其中所述生物污泥从位于该处理器主体10下部的污泥入口进入该处理器主体10，快速穿过由所述振子13构成的超声场后流出；以及所述振子13的振动能量被输入到所述生物污泥中，在污泥介质中形成压缩和膨胀，最终产生很多微小的气孔，产生空化效应。根据本发明的一个实施例，该厌氧水解反应器2可以为完全混合式反应器，下部进泥，上部出泥，由搅拌器实现污泥的完全混合。污泥在厌氧水解反应器内的停留时间为 3 6d，污泥经厌氧水解反应器后SC0D、VFAs的转化率进一步增加。根据本发明的一个实施例，该泥水分离设备3可以为带式或板框式压滤机，或离心脱水机。根据本发明的一个实施例，该结晶反应器4包括曝气-pH实时控制系统，通过曝气吹脱CO2来提升溶液PH值，同时去除和回收MAP ；以及镁盐投加系统，向溶液中投加镁盐， 以使其中的NH4+、P043_和Mg2+等与所述镁盐、钙盐等发生化学结晶反应，形成磷酸铵镁(MAP) 等结晶物质，同步实现上清液中部分氮磷物质的去除与回收 其中，该曝气-pH控制系统由在线pH监控系统实时控制曝气量，将所述溶液PH控制在7. 5 8. 5之间。所投加的镁盐可以是选自氢氧化镁、海水和卤水中的任意一种物质。经结晶反应器4处理后，上清液中NH4+-N的去除率达到40 %，Ρ043__Ρ的去除率达到90%，结晶对污泥水解上清液中SCOD、VAFs含量影响不大。将经过结晶反应器后的污泥水解上清液引入污水脱氮除磷处理系统，为脱氮除磷提供优质碳源。此外，将经过泥水分离设备后的污泥引入污泥处理系统，完成污泥的最终处理与处置。根据本发明的一个实施例，本发明的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统及方法可以具有如下的运行参数生物污泥取自某城市污水处理厂浓缩池，污泥含水率约96 %，TCOD约35g/l ,MLSS 约为43g/l、MLVSS/MLSS比值在0. 5-0. 6。超声波运行条件为频率采用21kHz，声能密度为0. 3W/mL、作用时间为1. Omin。经超声波预处理后的污泥进入厌氧水解反应器，水解5天 (5d)后，污泥上清液中SCOD含量达到1500mg/l，VFA含量达到1000mg/l。污泥水解上清液经过结晶反应器后，NH/-N的去除率达到40%，P043_-P的去除率达到90%，结晶对污泥上清液中的SCOD、VAFs含量影响不大。本发明具有以下优点1、本发明中的超声波是在低频、短作用时间下运行，能耗低，避免了超声波设备应用于污泥处理中由于能耗高而限制其推广应用的问题。2、在利用超声波强化污泥水解的方法中，经超声波处理后的污泥在厌氧水解反应器中的水解时间缩短至3 6d，加速了碳源释放速率，在短时间内获得了大量乙酸、丙酸等 VFAs的累积。3、污泥水解上清液进入污水脱氮除磷系统前进行结晶处理，可去除和回收废水中的氮、磷物质，减小了整个污水脱氮除磷处理系统的氮磷负荷。4、根据本发明的利用超声波强化污泥水解酸化的方法，实现了污泥废水的资源化和有效利用，并去除了部分污泥中的有机物，一定程度上实现了污泥的稳定化。5、本发明的方法可广泛应用于污水处理厂中的污泥处理以及脱氮除磷碳源的获取和利用。
权利要求
1.一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法，其包括如下步骤生物污泥首先进入超声波污泥处理器(1)进行超声波预处理，利用超声波空化效应所产生的水力剪切力，破坏生物污泥絮体结构及部分微生物细胞壁，加速厌氧水解释放碳源的过程；以及经超声波预处理后的污泥被引入厌氧水解反应器O)中，通过一系列的生物水解作用，该厌氧水解反应器O)中的厌氧菌将所述生物污泥中的大分子固态有机物最终转化为可溶态的小分子有机物，其中这些小分子有机物均为污水脱氮除磷过程中的优质碳源，同时在污泥厌氧水解过程中还释放出一定量的nh4+-N、PO43_-P。
2.根据权利要求1所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法，其还包括如下步骤经水解酸化处理后的污泥在泥水分离设备(3)中实现泥水分离；经泥水分离出来的富含VFAs的上清液被引入结晶反应器中，所述上清液中的 NH/-N、Ρ0/—-Ρ与Mg2+等发生化学结晶反应，形成磷酸氨镁结晶颗粒物，实现上清液中部分 N、P物质的去除与回收；经结晶反应后的富含VFAs的上清液被引入污水脱氮除磷处理系统，利用其为生物脱氮除磷过程提供碳源；以及经泥水分离后的污泥被引入污泥处理系统，以完成污泥的最终处理与处置。
3.根据权利要求1或2所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法，其中，该超声波污泥处理器(1)的运行条件为工作频率为20kHz 40kHz的低频，所述生物污泥快速穿过该超声场的时间为Imin lOmin，超声波声能密度为0. 3 0. 5W/mL。
4.根据权利要求1或2所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的方法，其中，当生物污泥在该厌氧水解反应器O)内停留3 6天后，污泥上清液中的SCOD含量为800 2000mg/l, VFAs 含量为 700 1300mg/l。
5.一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其包括依次连通的超声波污泥处理反应器(1)、厌氧水解反应器O)、泥水分离设备(3)和结晶反应器G)，所述生物污泥在经由该超声波污泥处理器(1)进行超声波预处理之后，依次通过厌氧水解反应器O)、泥水分离设备(3)和结晶反应器(4)形成用于污泥脱氮除磷系统的富含SCOD、VFA的优质碳源的上清液。
6.根据权利要求5所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，该超声波污泥处理反应器(1)包括处理器主体(10)；超声波发生器(11)，设置在该处理器主体(10)外部，将交流电转换为电磁振荡能量；振子(13)，设置在该处理器主体(10)内部；以及能量转换器(12)，设置在该处理器主体(10)内部，且位于所述振子(1 的前端并与所述振子(1 连接，该能量转换器(12)与该超声波发生器(11)电连接，将所述电磁振荡能量转换为所述振子(1 的机械振动，其中所述生物污泥从位于该处理器主体(10)下部的污泥入口进入该处理器主体(10)，快速穿过由所述振子(13)构成的超声场后流出；以及所述振子(1 的振动能量被输入到所述生物污泥中，在污泥介质中形成压缩和膨胀，最终产生很多微小的气孔，产生空化效应。
7.根据权利要求5所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，该厌氧水解反应器( 为完全混合式反应器，下部进泥，上部出泥，由搅拌器实现污泥的完全混合。
8.根据权利要求5所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，该泥水分离设备(3)为带式或板框式压滤机或离心脱水机。
9.根据权利要求5所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，该结晶反应器⑷包括曝气-PH实时控制系统，通过曝气吹脱CO2来提升溶液pH值；以及镁盐投加系统，向溶液中投加镁盐，以使其中的NH4+和PO43-与所述镁盐反应而形成磷酸铵镁。
10.根据权利要求9所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，该曝气-pH控制系统由在线pH监控系统实时控制曝气量，将所述溶液pH控制在7. 5 8. 5之间。
11.根据权利要求9所述的利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统，其中，所投加的镁盐为氢氧化镁、海水和卤水中的任意一种物质。
全文摘要
一种利用超声波强化污泥水解获取碳源的系统及方法。以城市污水处理厂生物污泥为原料，首先利用超声波空化效应所产生的水力剪切力，破坏污泥的絮体结构和细胞壁，经超声波预处理后的污泥再进入厌氧水解反应器，在厌氧条件下，大分子的固态有机物经过一系列的生物水解作用最终转化为乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFAs)。本发明借用超声波处理与厌氧水解工艺的耦合，提高了污泥释放碳源的效率和速率；并利用结晶法对水解释放的N、P进行了有效的去除与回收。本发明可解决目前脱氮除磷工艺的碳源缺乏问题，并在一定程度上实现污泥的稳定化与资源化。同时，由于污泥水解速率的增加，极大的缩短了污泥水解时间，降低了工程的投资与运行成本。
文档编号C02F11/00GK102229463SQ20111012899
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者刘贺清, 宋英豪, 杨俊杰, 梁康强, 熊娅, 王凯军, 贾立敏 申请人:北京市环境保护科学研究院