利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法

1.本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法。


背景技术：

2.剩余污泥是活性污泥处理废水中产生的主要污染和危险废物。剩余污泥富含大量对环境有害的有机、无机物质、杂质等，不经处理直接排放会引起严重污染。传统处理方法如填埋、焚烧等均无法妥善处理剩余污泥。经研究发现，涡流空化循环流态化技术可有效破解剩余污泥，更好的实现污泥降解。
3.循环流态化技术最初用于化工、冶金、石油和环保等行业，如吸附、结晶、粉碎和污水处理等。该技术具有连续运行能力、良好的混合与接触、可靠性高等优点，特别适合于大规模操作。虽然许多循环流态化技术已经成熟，但近年来一些新兴技术正在利用循环流态化技术的原理，如化学循环燃烧、太阳能电厂发电和细胞破碎等。吸收其他剩余污泥破解方法的优点将更有助于实现循环流态化技术破解剩余污泥的可行性。
4.目前常用的污泥崩解方法有机械法、热解法、化学法、生物方法和耦合法等。在上述预处理方法中，机械崩解具有结构简单，不产生二次污染的明显优势，例如水力空化，球磨法和旋流法等。在机械崩解方法中，球磨法的水力学特性和液-固循环流态化技术的特性较为接近，都可以简化为液-固两相流。球磨法的主要原理是通过搅拌桨叶的旋转使得磨球混合并处于相对运动状态时，磨球之间或粘附在磨球上的絮体和细菌被碰撞、挤压和研磨，使得絮体分散和细菌细胞壁被破坏。球磨法适合用于大规模应用，易于控制和管理。然而球磨法的磨球填充量高达25％～85％，搅拌桨叶和研磨室的巨大侵蚀、高能量摩擦损失、堵塞问题和相当高的能量消耗是主要缺点。通过上述原理分析，开发一种污泥破解用循环流态化技术减少磨球填充量和侵蚀，实现磨球在循环流化床中大量聚集并研磨污泥却是一个技术难题。
5.研究发现，空化中来自塌缩气泡的微射流增加颗粒的冲击力；颗粒增强了空化的强度和程度；颗粒与空化对流形的影响(如涡和涡的脱落)等。除此之外，水力空化已成为污泥崩解的有效解决方案。这主要是由于其能耗低、易于放大和效率极高的优点。水力空化的主要原理是当液体中低于临界压力的静压下降会导致空化。在空化过程中，当数百万个小气泡破裂，大量能量在非常小的时空区域内释放，引发与空化相关的机械效应(即高温、剪切力、微射流和冲击波)和化学效应(主要形成
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oh)。然而水力空化法也存在极易堵塞、操作困难、空化力作用于完整细胞的概率低、机械设备表面暴露于空化侵蚀中使得缩短设备的运行寿命和性能等主要缺点。通过上述原理分析，循环流化的颗粒可以一直经过水力空化区域，从而实现颗粒与水力空化的相互作用是可行的。但是传统的孔板或文丘里管水力空化装置极易堵塞并操作困难。因此，把水力空化引入循环流态化技术却是另一个技术难题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，解决现有磨球法进行污泥破解需要填充大量磨球以及传统的涡流空化法破解效率低的问题。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，具体按照以下步骤依次实施：
8.步骤1，将进料箱的上端进料口与涡流空化器的出口通过管路连接，将进料箱的底部出口与涡流空化器的进口通过带有水泵的管路连接；
9.步骤2，开启水泵，将污泥和磨球通过水泵从涡流空化器的进口送入；
10.步骤3，污泥和磨球在涡流空化器内反应完毕后从涡流空化器的出口流入进料箱中；
11.步骤4，重复步骤2-3设定次数后将进料箱中的污泥排出。
12.作为本发明的一种优选的技术方案，所述内框架的顶梁下侧设置有挡板。
13.作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤1中，使用溢流管连通进料箱的上端进料口和涡流空化器的进口。
14.作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤1中，在连接涡流空化器进口的管道上设置流量计。
15.作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤1中，磨球的填充量为1.6％。
16.作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤4中，污泥通过排污管排出。
17.本发明的有益效果是：本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，通过对剩余污泥进行研磨、空化、离心、剪切和循环疲劳处理，有效提高了剩余污泥的细胞破解效果和效率；相比传统的球磨法，磨球填充量降低了93.60％～98.12％，从而降低了剩余污泥的处理成本；相比传统的涡流空化法，破解率提高了229％；相比传统的涡流空化法，耗电量没有增加，本发明的经济性重点关注的是添加磨球之后，耗电量是否增加，通过实验观察，添加0.8％-1.6％的磨球耗电量没有增加。
附图说明
18.图1是本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的布置原理图；
19.图2为本发明在不同条件下处理污泥后scod浓度的变化效果图。
20.图3为本发明在不同条件下处理污泥后破解率(ddscod)的变化效果图。
21.图4为本发明在不同条件下处理污泥后dna的变化效果图。
22.图中：1.水泵，2.流量计，3.涡流空化器，4.进料箱，5.磨球。
具体实施方式
23.以下结合附图表及具体实施例对本发明作进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.下面通过实施例进一步描述本发明，但不局限于下述实施实例。
25.实施例1
26.如图1所示，本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，具体按照以下步骤依次实施：
27.步骤1，将进料箱的上端进料口与涡流空化器的出口通过管路连接，将进料箱的底部出口与涡流空化器的进口通过带有水泵的管路连接；
28.步骤2，开启水泵，将污泥和磨球通过水泵从涡流空化器的进口送入；
29.步骤3，污泥和磨球在涡流空化器内反应完毕后从涡流空化器的出口流入进料箱中；
30.步骤4，重复步骤2-3设定次数后将进料箱中的污泥排出。
31.污泥和破解进入涡流空化器3，由于切向入口使得污泥和磨球5受到离心力。磨球5受离心力和涡流空化器3的结构限制使得无法逃逸出涡流空化器，随着大量的磨球5进入涡流空化器3，磨球5从涡流空化器3中流出，并穿过其空化区，进而形成空化-颗粒流。空化中来自塌缩气泡的微射流增加颗粒的冲击力；颗粒增强了空化的强度和程度；颗粒与空化对流形的影响(如涡和涡的脱落)等。
32.涡流空化循环流化研磨技术的主要原理是当液体和磨球5流过涡流空化器时，首先通过切向管沿涡流室的切线方向流入，会在涡流室中形成一股涡流。磨球5受涡流和离心力使得无法逸出涡流空化器3的涡流室。随着磨球5的逐渐增多，当一部分磨球到达涡流室的临界半径之后，切向速度分量转换为轴向分量，磨球5通过涡流室从轴向端口逸出，进而实现磨球循环流化。提升管中循环流化上升的磨球5与涡流室中旋转的磨球5发生碰撞。因此，把这种碰撞方式简称为循环流化研磨。这些特点表明，涡流空化循环流化研磨技术原理与球磨法的碰撞原理有本质的区别。
33.当切向速度足够大时，旋流中心的压力低于液体的汽化压力，从而导致涡流空化器3中产生空化。与孔板或文丘里管装置不同，涡流空化是在流体体积中产生的，而不是在限制的固体表面。因此，通过使用涡流可以消除堵塞和侵蚀的破坏性影响，并实现磨球的循环流化。其次，空化区的强径向压力梯度导致单个空腔的压力升高超过设备背压的两倍，较大的压力梯度和速度梯度有助于形成高剪切力。通过上述原理分析，涡流空化循环流化研磨技术集成了离心力、研磨、剪切力、空化和循环疲劳效应多重效应。这些多重效应可能增强污泥的崩解作用，导致污泥絮体和细菌细胞壁破坏。
34.为了吸收球磨法和水力空化方法的两大技术优点。涡流空化循环流化研磨技术采用涡流和离心力的方法诱导磨球聚集形成高浓度区域，从而显著增加磨球的碰撞速率和团聚尺寸。具体来说就是在循环流态化技术中引入一个涡流式水力空化装置。相关研究表明，与传统的线性流装置相比，涡流式水力空化装置具有初始时间早、腐蚀风险低、空化率高和不易堵塞等优点。
35.对破解完毕后的污泥进行相关检测，取样时首先用40目筛除去污泥中的大颗粒物。此时污泥特性：含水率97.42％，ts浓度24.79g/l，vs浓度13.88g/l，ss浓度20.10g/l，ph为6.68，tcod浓度为21737.59mg/l，scod浓度98.74mg/l，dna浓度4.80mg/l。
36.剩余污泥破解效果验证：
37.破解后污泥如图2所示，实验结果表明，与磨球填充量为0％对比可见，当入口压力为0.30mpa，磨球填充量为1.6％时，scod提高了218％。导致这种现象的主要原因是磨球的研磨效果可以有效的破解污泥絮体和细胞壁。
38.破解后污泥如图3所示，实验结果表明，与磨球填充量为0％对比可见，当入口压力为0.30mpa，磨球填充量为1.6％时，ddscod(破解率)提高了229％。
39.破解后污泥如图4所示，实验结果表明，与磨球填充量为0％对比可见，当入口压力为0.30mpa，磨球填充量为1.6％时，dna提高了230％。涡流空化循环流化研磨技术集成了离心力、研磨、剪切力、空化和循环疲劳效应多重效应，其中研磨起着主要作用。这些多重效应可能增强污泥的崩解作用，导致污泥絮体和细菌细胞壁破坏。
40.实施例2
41.与实施例1不同的是，本发明的一种利用涡流空化循环硫化破解剩余污泥的方法，在步骤1中，使用溢流管6连通进料箱4的上端进料口和涡流空化器3的进口。
42.增加溢流管6可以将流入多余的污泥重新排入涡流空化器3，避免外溢造成浪费。
43.实施例3
44.如图1所示，在本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法中，在步骤1中，在连接涡流空化器3进口的管道上设置流量计2。
45.与实施例1不同的是，增加流量计2可以确保实时监测污泥的流量，确保能够及时发现堵塞的现象发生。
46.实施例4
47.如图1所示，在本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法中，在步骤4中，污泥通过排污管7排出。
48.与实施例1不同的是，通过排污管7可以将污泥顺利排出，便于进行集中排放。
49.因此，与现有技术相比，本发明的一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法具有以下优点：通过对剩余污泥进行研磨、空化、离心、剪切和循环疲劳处理，有效提高了剩余污泥的细胞破解效果和效率；相比传统的球磨法，磨球填充量降低了93.60％～98.12％，从而降低了剩余污泥的处理成本；相比传统的涡流空化法，破解率提高了229％；相比传统的涡流空化法，耗电量没有增加，本发明的经济性重点关注的是添加磨球之后，耗电量是否增加，通过实验观察，添加0.8％-1.6％的磨球耗电量没有增加。
50.上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，其特征在于，具体按照以下步骤依次实施：步骤1，将进料箱的上端进料口与涡流空化器的出口通过管路连接，将进料箱的底部出口与涡流空化器的进口通过带有水泵的管路连接；步骤2，开启水泵，将污泥和磨球通过水泵从涡流空化器的进口送入；步骤3，污泥和磨球在涡流空化器内反应完毕后从涡流空化器的出口流入进料箱中；步骤4，重复步骤2-3设定次数后将进料箱中的污泥排出。2.根据权利要求1所述的利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，其特征在于，在所述步骤1中，使用溢流管连通进料箱的上端进料口和涡流空化器的进口。3.根据权利要求2所述的利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，其特征在于，在所述步骤1中，在连接涡流空化器进口的管道上设置流量计。4.根据权利要求3所述利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，其特征在于，在所述步骤1中，磨球的填充量为1.6％。5.根据权利要求4所述的利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，其特征在于，在所述步骤4中，污泥通过排污管排出。

技术总结
本发明公开了一种利用涡流空化循环流化破解剩余污泥的方法，具体按照以下步骤依次实施：步骤1，将进料箱的上端进料口与涡流空化器的出口通过管路连接，将进料箱的底部出口与涡流空化器的进口通过带有水泵的管路连接；步骤2，开启水泵，将污泥和磨球通过水泵从涡流空化器的进口送入；步骤3，污泥和磨球在涡流空化器内反应完毕后从涡流空化器的出口流入进料箱中；步骤4，重复步骤2-3设定次数后将进料箱中的污泥排出。本发明可同时降低球磨法的磨球填充量和提高水力空化的破解率。充量和提高水力空化的破解率。充量和提高水力空化的破解率。


技术研发人员：赵桐 董亮 崔亚辉
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/9