本发明属于活性污泥资源化利用领域，涉及一种机械与化学组合方法无害化处理活性污泥法剩余污泥、并资源化利用处理产物的新型方法及装置。具体地说，涉及一种碱性环境下采用旋流破解预处理剩余污泥促进其水解酸化并用作生化碳源的新型组合工艺、以及实现该方法所用的装置。
背景技术：
剩余活性污泥是以微生物细胞质为主的有机物，其水解酸化过程产生的挥发酸等小分子有机物是污水脱氮除磷的良好碳源。污泥的主要成分蛋白和多糖被认为是水解酸化产生挥发酸的主要底物，蛋白在水解酸化过程中能够被分解成氨基酸，再通过各种脱氨基反应形成小分子酸，并在其水解过程中会释放氨氮；多糖在水解酸化过程中水解为单糖，继而分解成丙酮酸，最后形成丙酸和丁酸；污泥中还含有一定的脂类，在水解酸化过程中可被降解释放磷酸盐；剩余污泥中大量的有机物经过水解由大分子向小分子物质转变、并使颗粒性物质向溶解性物质转变。污泥水解过程中，污泥胞外聚合物的聚合网状结构和细胞壁稳定存在，菌胶团结构的破坏过程相当缓慢，且胞外聚合物阻碍了细胞壁与水解酶的接触反应，致使污泥不能被轻易降解；一般污泥水解酸化15-30天时，仅有30％-45％的挥发性固体得到降解。
通过物理、化学、生物等预处理手段破散污泥的胞外聚合物并溶出胞内基质，可高效实现释碳。1)热预处理：通过破坏污泥中蛋白质、脂肪等物质并使之变性，同时溶解细胞质膜中脂肪、破坏细胞膜并释放胞内物质。2)臭氧预处理：臭氧先后溶解胞外结构和细胞壁，可有效溶解和氧化大部分有机物，提高污泥中挥发性有机物的比例和污泥的可生化性；但臭氧氧化会随之溶出N/P(氮/磷)而增加后续脱除负荷。3)微波预处理：微波辐射条件下污泥中的水、蛋白、脂类等极性分子，在微波电场中旋转产生摩擦力和热而促进有机物破解；微波工艺功效更快，能损更低。4)碱预处理：碱预处理一方面能破坏污泥的渗透压使之分解溶出有机物，又能与污泥中的脂类发生皂化反应进一步破坏细胞壁，还能使胞外聚合物中含有的酸性基团解链而破坏胞外聚合物，可高效促使污泥胞内颗粒有机物向溶解性有机物转化。5)超声预处理：超声过程通过水力机械剪切产生强大的空化作用、同时生成·H、·OH、·O、·N等氧化基团且释放一定热能，从而破解污泥絮体结构及其中微生物的细胞壁，促进细胞质溶解。
单一预处理方法通常只能部分实现污泥破解，采用上述两种或更多方法联合可充分发挥各自优势，实现高效低耗、环保可行的剩余污泥资源化利用，是工业应用研究的热点。学术界已开展了超声联合碱处理、超声联合热处理、均质机联合热处理、微波辐射联合碱处理、球磨机联合碱处理等多种联合方法研究。碱处理能破坏污泥的渗透压使污泥分解并溶出有机物，同时能和污泥中含有的脂类发生皂化反应进一步破坏细胞壁，还能使胞外聚合物中含有的酸性基团解链从而加以破坏，从而将污泥胞内颗粒有机物向溶解性有机物转化；而机械作用下利用其剪切力破散污泥絮体，可显著改善细胞壁与水解酶的接触面积而提高水解效率。
我国在剩余污泥破解污泥方面也做了很多工作，同济大学周琪等的中国专利申请CN200910052495.1提出了一种联合超声波和NaOH提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法；北京林业大学张盼月等的中国专利申请CN201510456401.2提出采用高压均质技术破解剩余污泥提高污泥水解酸化效率的方法；河南工业大学刘永德等的中国专利申请CN200910227265.4提出涉及用超声-磁场耦合破解污泥使污泥减量化的方法；东北大学朱彤等的中国专利申请CN201510126131.9提供了一种利用高压脉冲放电破解剩余污泥的装置及其使用方法，即利用高压脉冲放电产生的瞬间超高温高压形成的冲击波实现高效破解剩余污泥的一种新型装置与技术。清华大学王建龙等的中国专利申请CN201510920896.X具体涉及一种利用辐照与碱耦合处理破解剩余污泥方法及在发酵产氢中的应用。
在剩余污泥破解方法上的广泛研究正不断拓展广泛的工业应用领域，但对于高效性和经济性的追求上，现有方法离工业应用仍存在一定差距。鉴于现有技术存在的上述问题，故至今为止尚无能以合适的工业化途径，实属剩余污泥资源化利用获得有效改善和提高的可行切入点。因此，本领域迫切需要开发高效经济的剩余污泥破解新工艺方法及装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种机械与化学组合方法无害化处理生化池剩余污泥、并回用处理产物以强化生化单元处理效率的新型方法及装置，从而解决了现有技术中存在的问题。
一方面，本发明提供了一种碱渣和剩余污泥耦合旋流释碳方法，该方法包括以下步骤：
(1)使用碱渣废液调节剩余污泥的pH值以碱预处理剩余污泥；
(2)通过旋流释碳进一步破解处理剩余污泥，并通过旋流回流比调节破解强度；
(3)对破解处理剩余污泥的上清液进行pH调节后水解酸化，且水解酸化过程伴随碱过程调节；以及
(4)沉淀水解酸化剩余污泥并滗出上清液以补充碳源。
在一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，调节剩余污泥的pH值至10-12，且剩余污泥的总悬浮固体浓度(TSS)控制在不小于15000mg/L。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，旋流释碳破解过程的溢流和大部分底流回流继续破解，少部分充分破解的底流流向下游持续碱处理破解。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，旋流回流比及后续碱处理破解停留时间由破解处理剩余污泥的上清液的溶解性化学需氧量(SCOD)的要求决定，所述旋流回流比为20-50倍。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(3)中，破解处理剩余污泥的上清液的水解酸化过程中pH值调节至8-10以抑制挥发酸消耗，且仍采用碱渣废液进行碱过程调节。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(4)中，用作碳源的水解酸化上污泥清液的悬浮物浓度(SS)控制在100mg/L以内。
另一方面，本发明提供了一种碱渣和剩余污泥耦合旋流释碳装置，该装置包括：
与污泥沉淀池连接的调节池，用于调节剩余污泥的pH值以碱预处理剩余污泥；
与调节池连接的旋流释碳器，用于进一步破解处理剩余污泥；
与旋流释碳器连接的水解酸化池，用于对破解处理剩余污泥的上清液进行pH调节后水解酸化；以及
与水解酸化池连接的污泥沉淀池，用于沉淀水解酸化污泥并滗出上清液以补充碳源。
在一个优选的实施方式中，调节池的池体满足不少于2小时停留且内设搅拌装置。
在另一个优选的实施方式中，旋流释碳器的旋流释碳芯管根据破解剩余污泥处理量采取并联方式布置；旋流释碳器的压降为不超过0.2MPa。
在另一个优选的实施方式中，水解酸化池的停留时间为7-21天。
有益效果：
采用本发明方法和装置破解和资源化利用剩余污泥及工业碱渣废液大幅实现了污泥减量，并释放了剩余污泥中碳源以提高污水生化效率。
附图说明
附图是用以提供对本发明的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是根据本发明的一个实施方式的碱渣和剩余污泥耦合旋流释碳方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入的研究，针对上述现有技术的缺陷，提供了一种污水生物处理领域联合碱渣废液和旋流破解预处理剩余污泥为生化池补充碳源，资源化利用工业废液的同时并污水深度脱氮和污泥减量的新方法，采用本发明的方法破解和资源化利用剩余污泥及工业碱渣废液大幅实现了污泥减量，并释放了剩余污泥中碳源以提高污水生化效率。
在本发明的第一方面，提供了一种碱性环境下采用旋流破解预处理剩余污泥促进其水解酸化并用作生化碳源的新型组合方法，该方法包括：
(1)利用工业碱渣废液调节剩余污泥至适宜pH值以预处理剩余污泥；
(2)通过旋流释碳器进一步破解处理剩余污泥，并通过旋流回流比调节破解强度；
(3)对破解预处理污泥上清液进行pH调节后水解酸化，且水解酸化过程伴随碱过程调节；
(4)沉淀水解酸化污泥并滗出上清液为污水生化池补充碳源。
在本发明中，在步骤(1)中，利用污水生化池内污水调节剩余污泥pH值至10-12，优选10或11，且剩余污泥TSS控制在不小于15000mg/L，优选20000mg/L。
在本发明中，在步骤(2)中，旋流破解过程溢流及大部分底流回流至进口继续破解，少量充分破解底流流向下游持续碱预处理破解。
在本发明中，在步骤(2)中，旋流破解回流比及后续碱预处理停留时间由破解预处理上清液的SCOD的要求决定，所述旋流回流比为20-50倍。
在本发明中，在步骤(3)中，破解预处理污泥水解酸化过程中pH值调节至8-10，优选9以抑制挥发酸消耗，且仍采用碱渣废液调节。
在本发明中，在步骤(4)中，用作碳源的水解酸化上清液SS控制在100mg/L以内。
在一个优选的实施方式中，采用某乙烯装置pH＝12.2、温度＝45℃的碱渣废液处理某生活污水处理厂剩余污泥，并将碱处理污泥按20倍回流比经过压降为0.15MPa的旋流释碳器破解处理，再经过适度水解酸化和澄清分离，得到60％以上、SCOD浓度超过5000mg/L的高浓度碳源上清液。
在另一个优选的实施方案中，经过碱和旋流破解预处理的剩余污泥水解酸化上清液用于补充50L/h中试规模A/O(缺氧/好氧)反应器，装置不仅资源化处理工业碱渣废液，并使反应器剩余污泥减量40％，且硝氮脱除率提高20％。
在本发明的第二方面，提供了一种用于上述方法的装置，包括：
污泥沉淀池，其中的剩余污泥脱水后进入调节池，引入碱渣废液调节适宜pH对剩余污泥作碱预处理，再泵入旋流释碳器中进一步破解污泥，旋流破解溢流及底流分别回流及流入下游水解酸化池，最后流入污泥沉淀池滗水收集碳源产物。
在本发明中，调节池池体满足不少于2小时停留且内设搅拌装置。
在本发明中，所述旋流释碳器的规模可根据剩余污泥处理量调整旋流释碳芯管数量，并可根据场地要求不同形式的安装需求。
在本发明中，旋流释碳器的旋流释碳芯管根据破解污泥处理量采取并联方式布置。
在本发明中，旋流释碳器的压降为不超过0.2MPa，优选0.15MPa。
在本发明中，水解酸化池停留时间为7-21天，优选15天。
在本发明中，旋流释碳器处理过程的少量溢流回到调节池，大量底流回流循环旋流破解处理，以提高剩余污泥破解强度。
以下参看附图。
图1是根据本发明的一个实施方式的碱渣和剩余污泥耦合旋流释碳方法的工艺流程示意图。如图1所示，来自于生化二沉池的剩余污泥集中收集到污泥沉淀池1中进一步沉淀脱水，沉淀污泥在调节池2中混入适量的碱渣废液，对剩余污泥进行预处理；经过碱预处理后的剩余污泥被泵送入旋流释碳器3进行深度破解处理，旋流处理后的剩余污泥中，少量带水的溢流回到调节池2，大部分底流产物回至泵进口前循环旋流破解以增加破解强度，少量底流产物流至下游水解酸化池4处理；水解酸化上清液到污泥沉淀池5中进一步脱泥后沥出上清液，做生化补充碳源用，从而实现剩余污泥和碱渣废液的资源循环利用。
实施例
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。
实施例1：
1.工艺流程
如图1所示。
2.关键设备
该工艺流程中的关键设备为旋流释碳器，旋流释碳器芯管可根据场地结构采取钢构框架集成固定安装，设备进口、溢流口和底流口均设置压力表、流量表和阀门进行运行调节。旋流释碳器芯管处理量可调，单管外形尺寸为Φ200×1500，集成成套装置配套进口、底流及溢流汇管；所有芯管采取可拆卸式连接方式。
3.控制
满负荷工况下，单管旋流释碳器的处理量为12m3/h，进料压力为0.15MPa(表压)，溢流分流比为5％，操作温度为常温。
4.运行效果
该实施例以乙烯装置碱渣废水进行破解可行性分析。乙烯装置碱渣废水pH值为12.2、水温约为40℃、总量约为1m3/h，其COD(化学需氧量)含量、难降解总酚及无机组分如下表1所示，有机组份GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)测试结果如表2所示。碱渣废液中COD极高，但由于含油、总酚和硫化物等难降解物质，不能直接进行生化处理。联合破解剩余污泥后随上清液循环至炼油厂污水处理系统现有的气浮和汽提单元，可显著降低浮油含量并分离出酚等挥发性难降解有机物，在生化池得到充分降解。
表1.组分分析
表2.乙烯装置碱渣废液组分(GC-MS)
运行工况下，含水率约为98％的剩余污泥在沉淀池进一步沉淀脱水后通过重力进入调节池，利用碱渣废液将剩余污泥pH值调节至11，调节池停留时间为2小时；经过废碱初步破解处理后的剩余污泥通过被泵送入旋流释碳器进一步破解处理，利用旋流场内的剪切磨削、离心溶胞和自转脱附的共同作用，破散絮体中的胞外多聚物的同时破解细胞壁，充分释放污泥絮体中的有机质；旋流破解过程的回流循环比根据实际工况可调节至20-50倍。经过废碱和旋流破解预处理后的剩余污泥进入水解酸化池，将溶出的大分子有机物降解生化性更加的小分子有机物，水解酸化池停留时间为15天；水解酸化产生的上清液在沉淀池沉淀，集聚的挥发酸融入上清液用作补充碳源；水解酸化池沉淀的泥渣通过定期清理外排。用作碳源的挥发酸产量是剩余污泥特性而定，通常产量不低于1000mg/L，经过pH调节后可用作生活污水处理厂的补充碳源。
运行过程中，唯一的能耗来源为泵能耗，单位污泥的泵耗为0.1KW/Kg MLSS；污泥破解预处理过程还存在因为场地、污泥外排或其他原因造成的输运泵耗，需视具体情况而定。
5.技术效果
a、资源化处理碱渣废液
碱渣废水是炼油厂为了改良油品性状、提高油品质量而在燃料油炼制过程中采用碱洗油品以脱除其中的S、N等元素而产生的废液。碱渣废水含高浓度难降解有机物、盐分及重金属，很难直接通过活性污泥法对其全部去除，而稀释后生化处理则可能对生化池菌群造成冲击，一直是炼油化工行业的重点关注对象。利用碱渣废液与处理剩余污泥，不仅能充分利用其中残存的有机物和碱液，且可通过水解酸化过程适当降解其中的部分难降解物，不仅有效处理了碱渣废液，且充分实现其资源化利用。
b、剩余污泥资源化利用
剩余污泥问题成为活性污泥法应用中的顽疾；利用碱渣废液联合旋流工艺预处理剩余污泥，资源化利用废碱和极低旋流能耗的条件下，充分破散污泥胞外多聚物并破解细胞壁溶出胞内基质，并通过水解酸化提高溶出有机物的可生化性，绿色降低污泥残留有机物的同时、溶出碳源可用作其他生化装置的补充碳源，提高其他生化装置的营养物去除率，也降低了剩余污泥的处理难度。
通过中试试验研究某炼油企业利用乙烯装置碱渣废液和旋流单元连续处理其A/O装置剩余污泥，运行周期内剩余污泥处理成套装置运行稳定，操作便捷，期间的溶出上清液挥发酸产量接近1600mg/L，完全可用作补充碳源；且消耗的碱渣废液并未造成装置连续性影响。
上述所列的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依据本发明申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，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。