活性污泥的物理分解方法及其设备 【技术领域】
本发明涉及一种环保工艺及其设备，具体涉及一种活性污泥的物理分解方法以及这种方法所使用的活性污泥的物理分解设备。
背景技术
为满足人们对清洁用水和优质环境的要求，大型城市的污水处理成为了一个紧迫的任务。但是现有技术中各大型城市的污水处理厂的运作，是采用活性废水经过生物处理以达到净化水质效果，这种处理方法会产生大量废弃的活性污泥。越来越多的活性污泥已经成为威胁污水厂安全运行的问题。随着各国大型污水处理厂的不断增加，如何安全、灵活而且经济地处理污水厂产生的污泥，使其不至成为二次污染的污染源，已经成为环保技术领域的一个难题。
随着城市污水处理程度的提高，近年来很多城市都在寻找活性污泥处理技术。活性污泥单独填埋会造成土地永久的不可再利用，活性污泥焚烧也存在成本过高和环境污染问题，物理干化处理污泥虽然实现了减量化，但因活性污泥含水量过高，也要消耗大量的能源。
除此之外，蔬菜、水果、食品与皮革等产业，也产生大量有机垃圾，经减量、消化后，其中部份可以作为堆肥；无再利用价值部份，才进入掩埋场，大量减少掩埋场空间需求。这类“有机污泥”，亦包含于所述的“活性污泥”内。
现有技术中活性污泥的处理方法是，利用喜气或厌气污泥消化方式，稳定活性污泥性质及改善活性污泥脱水性，进而达到活性污泥减量效果，但是活性污泥进行污泥消化时，由于污泥均为固形物，而且团块或颗粒的直径较大，所以，当借由生物消化过程将固形物转换成生物可利用水溶液时，需要相当长时间。解决办法是在喜气或厌气污泥消化的前，利用物理或化学分解方式使固形物的团块或颗粒分解破碎，以有效缩短整个污泥水解与分解时间。现有技术中的许多物理破碎方式如研磨或高热及高压等，虽然可以达到污泥分解破碎效果，但操作高温及高压系统的技术层次高，而有导致操作成本高等问题。另外，现有技术的加碱水解处理化学方式，是将污泥先进入生物处理池，再进入沉淀池予以沉淀，经由加碱水解处理，可以回收至生物处理池进行重新处理或经由脱水，干燥处理步骤而获得。因其需添加化学药品至废弃活性污泥中以达到污泥水解的效果，所以会增加药品费用的成本及水解污泥中不纯物如盐类等增加，造成废水处理场操作上的困扰及使化学污染物增加等的反效果，造成环境上的二次公害，在应用上经常受到限制，且这种含有化学污染物的活性污泥有无法进行有机堆肥等问题存在。
【发明内容】
为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种活性污泥的物理分解破碎方法，以及这种方法所使用的设备。本发明是采用一种纯粹物理方法，以提高活性污泥的(细胞)破碎效果、促进水解与消化(消化所产生沼气，可供发电)，达到活性污泥减量处理的目的。由于本发明是采用物理方式进行污泥的破碎分解，所以不会增加污泥中的化学物质(如盐类)，不会造成后续处理与处置的困难。
完成上述发明任务的方案是，一种活性污泥的物理分解方法，其特征在于，步骤如下：
(1).将活性污泥送入沉淀池中沉淀，成为浓缩的活性污泥；
(2).将沉淀池中浓缩的活性污泥送入物理分解装置的进料口；
(3).物理分解装置中的加压机构升压到10,000～50,000psi；
(4).将加压机构中的高压流体(注：直接加压于流体。该流体即指活性污泥)，垂直或接近垂直地通过所述的进料口；由于伯尔尼效应，高压气流在进料口处产生的侧向负压，将所述进料口处的活性污泥吸出，剪断，分解，并带入高速气流；该区域构成活性污泥的高剪断区；
(5).高剪断区中带有活性污泥颗粒的高压气流通过10至200微米的喷射孔隙，以接近音速或超音速的高速射流射出到反应器中；
(6).10至200微米的喷射孔隙中射出地活性污泥射流在反应器中以90度至120度的角度对撞或高速强力剪断，达到进一步破碎、分散效果，使颗粒达到更小的粒径及更窄分布(注：步骤4至步骤6是连续动作，不能切割)。
本发明的进一步优化，是在以上方法中增加超声波处理步骤：
(7).将活性污泥送入超声波处理器，以20～100kHz的频率与17～20μm振幅(Sonotrode amplitude)的超声波处理，以打破污泥中微生物的细胞壁，达到细胞破碎、促进水解与消化的效果。
所述的超声波处理步骤，可以设置在所述第(3)步骤之前或之后；或者设置在所述第4步骤之前或第(6)步骤之后；也可以单独使用超声波方式处理。
本发明推荐，所述的超声波处理步骤，可以每1～60分钟为一次处理时间，待污泥冷却到室温后(在高温50～55℃消化时，未必要降温冷却)，再进行下一次超声波处理；先后共处理1～10次。
在高压、高速流体流动下使活性污泥可以在反应器内，借由超音波的气穴效应(cavitation effect)、共振效应(resonance effect)，而使污泥颗粒呈90度互相对撞，冲击(impact)，或高速剪断(Shear)，诱发差动式速度(differential velocity)而导致流体变形、分散，达到破碎、分解的效果。
所述的喷射孔隙的直径为10至200微米；(孔隙直径也可以配合活性污泥之大小加以改变)
所述的活性污泥射流最大流体速度为200m/s。
所述活性污泥的射流可以一次或至多五次地通过喷射孔隙，所以，本发明的另一个优化方案，是在以上方法中增加以下步骤：
(8).将步骤(5)或步骤或(6)步骤(7)得到的活性污泥，返回到步骤(2)，即重新返回沉淀池，然后再次通过喷射孔隙中射出。
因为通过喷射孔隙的次数太多次会不敷成本，本发明推荐，该步骤反复进行2～4次。
活性污泥重新返回的沉淀池可以是原来的沉淀池，也可以是另一个沉淀池(即沉淀池可以是沉淀池A与沉淀池B交替使用)。这样，所述活性污泥的射流可以一次或反复多次地通过喷射孔隙。
经过本发明上述物理方法处理后的活性污泥破碎分解效果良好，可以继续进行现有技术中的其它处理步骤。例如，污泥的脱水处理、生物发酵处理、消化处理。消化所产生沼气，可供发电，以及最终填埋处理等步骤。即本发明还可以增加步骤(9).各以上步骤所产生的沼气，引入发电设备进行发电。
完成本申请第二项发明任务的方案是：一种上述活性污泥的物理分解方法所使用的活性污泥对撞破碎的物理分解设备，其特征在于，结构如下，该物理分解设备上设有进料口；该进料口后面连接有活性污泥的高剪断区；同时，该物理分解设备上设有加压装置，该加压装置上设有空气压缩机，以产生10,000～50,000psi的压力；该加压装置的高压气流的流向与所述进料口成垂直或接近垂直地设置；自该进料口开始的流体流动方向，构成所述的活性污泥的高剪断区；在该高剪断区后面连接有反应器；所述高剪断区与该反应器之间设有10至200微米的喷射孔隙；所述的反应器的另一端设有出料口。
以上设备的优化方案有：
1、还增设有超声波处理单元(作为活性污泥对撞破碎的物理分解设备中的一段)，该超声波处理单元连接在所述的活性污泥的高剪断区之前，或设置在所述的活性污泥的高剪断区与反应器之间，或者设置在所述的反应器之后；该超声波处理单元中设置有超声波发生器。
2、所述进料口处设有漏斗状的进料装置；
3、所述的喷射孔隙由陶瓷及烧结钻石所构成；
4、所述的高剪断区与反应器采用以下结构：
(1).高剪断区与反应器构成十字形：该高剪断区与反应器设置在同一轴在线，所述的进料口与该轴线垂直；所述反应器的直径大于高剪断区的直径，也大于其后的出料口，截面构成十字形。在这种形式的反应器内，在高压、高速流体流动下使活性污泥可以在反应器内，借由超音波的气穴效应(cavitation effect)、共振效应(resonance effect)，使其中的生物细胞破碎并快速水解。(注：直接加压于流体＝活性污泥)
(2).高剪断区与反应器构成Y形：所述的加压装置同时设置两个，该两个加压装置同时通过两个高剪断区和两个喷射孔隙与同一个反应器连接；形成两股活性污泥喷射流在反应器内的对撞。该Y形结构可以采用单槽或多槽形式。
(3).高剪断区与反应器构成山字形：所述的进料口向下的管道垂直转为水平，与加压装置向下的管道垂直相交，构成高剪断区，并继续延伸后垂直转向上，通过喷射孔隙连接到反应器。
(4).高剪断区与反应器构成Z形：所述的加压装置及其后的高压流体管道及进料口垂直设置，与其连接的高剪断区水平设置；再向下与垂直s设置的反应器通过喷射孔隙连接。该Z形结构可以采用单槽或多槽形式。
(5).高剪断区与反应器为多槽形：一个加压装置其后平行地设置有若干个高剪断区，所有高剪断区分别通过各自的喷射孔隙与同一个反应器连接；
(6).高剪断区与反应器为对撞的多槽形：上述第(5)方案中的“一个加压装置其后平行地设置有若干个高剪断区”，设置有两组，该两组所有高剪断区分别通过各自的喷射孔隙一一对应地喷入同一个反应器。
以上所述的各种优化方案之间可以彼此组合，例如：“高剪断区与反应器为多槽形”的结构也可以设置为十字形、Y形、Z形或其它形状。
5，对应于活性污泥的物理分解方法中所增加的步骤(8)(即，将步骤(5)或步骤(6)或步骤(7)得到的活性污泥，返回到(2)，即重新返回沉淀池，然后再次通过喷射孔隙中射出)，本设备中增加有：所述的反应器的前面或后面，设置有返回管道和返回污泥泵。该返回管道的出口设置在原沉淀池处；或另一个沉淀池处。
本发明采用了纯粹物理方法，达到了提高活性污泥的破碎分解效果，达到活性污泥减量处理的目的。由于本发明是采用物理方式进行污泥的破碎分解，所以不会增加污泥中的化学物质(如盐类)，不会造成后续处理与处置的困难。本发明所提供的设备除空气压缩机以外，没有活动部件，所以结构简单，容易维护，使用寿命较长。其中，增加超音波处理每次(12min)所耗电量为0.09kWh，VSS减少与CODs增加之结果如下：
以超音波破碎污泥之结果(36min)，VSS可减量17％，COD约增加5645mg/L，由于此乃初步试验结果，尚未寻求最佳化测试条件，未来经最佳化后，超音波水解效果应可达到减量40％的目标。
因污泥破碎后，会增加有机物的浓度，因此，为减少放流水有机物浓度以及考虑回收再利用，会在后续增加厌氧消化程序，一方面可将污泥继续消化减量，同时也利用超音破破碎后增加之有机物，另一方面可产生甲烷气体，以作为能源使用。
【附图说明】
图1为本发明活性污泥的处理流程图；
图2为本发明实施例1结构示意图；
图3为本发明实施例2结构示意图；
图4为本发明实施例3结构示意图；
图5为本发明实施例4结构示意图；
图6为本发明实施例6结构示意图；
图7为本发明实施例7结构示意图；
图8为本发明处理的各种不同活性污泥耗氧率变化图。
【具体实施方式】
实施例1，活性污泥的物理分解方法，所处理的的活性污泥来自化纤厂活性污泥系统的废弃污泥，该污泥性质如表1所示，其中平均总污泥浓度(SS)为7060mg/L，可挥发污泥浓度(VSS)为6090mg/L，VSS/SS比值为0.86。
表1化纤业废弃活性污泥基本性质*
pH CODs Mg/L CODt mg/L SS mg/L VSS mg/L VSS/SS 导电度 μs/cm 7.1 170 9440 7060 6090 0.82 2050
*CODs为溶解性COD；CODt为总COD；TKN为总凯氏氮
参照图1，
处理步骤如下：(1).将活性污泥送入沉淀池中沉淀，成为浓缩的活性污泥；(2).将沉淀池中浓缩的活性污泥送入对撞破碎装置的进料口；(3).对撞破碎装置中的加压机构升压到10,000～50,000psi；(4).将加压机构中的高压流体，垂直或接近垂直地通过所述的进料口；由于伯尔尼效应，高压流体在进料口处产生的负压，将所述进料口处的活性污泥吸出，剪断，分解，并带入高速流体；该区域构成活性污泥的高剪断区；(5).高剪断区中带有活性污泥颗粒的高速流体通过10至200微米的喷射孔隙，以接近音速或超音速的高速射流射出到反应器中；(6).10至200微米的喷射孔隙中射出的活性污泥射流在反应器中以90度至120度的角度对撞或高速强力剪断，达到进一步破碎、分散效果，使颗粒达到更小的粒径及更窄分布。
经过本发明上述物理方法处理后的活性污泥破碎分解效果良好，可以继续进行现有技术中的其它处理步骤。
表2示出本发明与加碱水解处理化纤业废弃污泥的结果。分析方法的code是依照pH：NIEA W424.51A，导电度：NIEA W203.51B，COD：NIEAW517.50B，SS：NIEA W210.56A.。使用本发明处理后，对于导电度与处理前原污泥比较并没有明显变化，而加碱水解污泥会使导电度从2050μs/cm增加至15，130μs/cm。在污泥颗粒粒径大小方面，原污泥、本发明及加碱水解分别为3941、1467及2818nm(以D50表示)，本发明可以有效将污泥颗粒粒径变小，达到污泥污泥微细化效果。与加碱比较时，可以有效提高污泥水解率从20％提高至32％(以VSS减少率表示)，可以大幅提升后续水解污泥分解或减量的效果。
表2.污泥水解处理效果的归纳
项目 原污泥 本专利 加碱水解 PH 7.1 6.78 6.78 导电度(μs/cm) 2050 2040 15130 TSS(mg/L) 7063 5875 6615 VSS(mg/L) 6093 4148 4893 D50(nm) 3941 1467 2818 VSS减少率(％) 31.9 19.7
CODt：total chemical oxygen demand，总化学需氧量
CODs：soluble chemical oxygen demand，溶解性化学需氧量
TSS：total suspended solids，总悬浮固体物
VSS：volatile suspended solids，挥发性浮固体物
将原污泥、加碱水解及本发明产生水解污泥进行比摄氧率(specificoxygen uptake rate，SOUR)比较，实验结果如图8所示，以1,000mg/L污泥浓度(以COD浓度表示)为例，原污泥、加碱水解污泥及本发明水解污泥的比摄氧率分别为27、145及198mgO2/g VSS.hr，经本发明设备处理后水解污泥由于污泥颗粒粒径变小及污泥水解率提高，故可以增加喜气微生物比摄氧率，加速水解污泥分解速度及达到污泥减量效果。
上述活性污泥的物理分解方法所使用的活性污泥的物理分解设备结构参照图2：物理分解设备上设有进料口1进料口处设有漏斗状的进料装置1-1，物理分解设备上还设有加压装置2，加压装置2上设有空气压缩机，以产生10,000～50,000psi的压力；加压装置2的高压气流的流向与进料口1垂直设置；自进料口1开始的气流流动方向，构成活性污泥的高剪断区3；在高剪断区3后面连接有反应器4；反应器4与高剪断区3之间设有10至200微米的由陶瓷及烧结钻石所构成的喷射孔隙5；反应器4的另一端设有出料口6。高剪断区3与反应器4设置在同一轴在线，所述的进料口1与该轴线垂直；反应器4的直径大于高剪断区3的直径，也大于其后的出料口6，截面构成十字形。
实施例2，参照图3：与实施例1基本相同，但加压装置2同时设置两个，该两个加压装置2同时通过两个高剪断区3和两个喷射孔隙5与同一个反应器4连接；高剪断区3与反应器4构成Y形；形成两股活性污泥喷射流在反应器4内的对撞。
实施例3，参照图4：与实施例1基本相同，但进料口1向下的管道垂直转为水平，与加压装置2向下的管道垂直相交，构成高剪断区3，并继续延伸后，垂直转向上，通过喷射孔隙5连接到反应器4。高剪断区与反应器构成山字形。反应器4后面通过喷射孔隙5b连接有第2个高剪断区3b。
实施例4，参照图5：与实施例1基本相同，但加压装置2及其后的高压流体管道及进料口1垂直设置，与其连接的高剪断区3水平设置；再向下与垂直设置的反应器4通过喷射孔隙5连接。高剪断区3与反应器4构成Z形。(注：直接加压于流体＝活性污泥)
实施例5，与实施例1基本相同，但高剪断区与反应器为多槽形：加压装置2的后面平行地设置有若干个高剪断区3，所有高剪断区3分别通过各自的喷射孔隙5与同一个反应器4连接(本实施例没有附图，结构可以参考实施例6的附图6)。
实施例6，参照图6：与实施例1基本相同，但高剪断区与反应器为Y形对撞的多槽形：上述第(5)方案中的“一个加压装置其后平行地设置有若干个高剪断区”，设置有两组，该两组所有高剪断区分别通过各自的喷射孔隙一一对应地喷入同一个反应器。
实施例7，参照图7：与实施例6基本相同，但高剪断区3与反应器4为多槽形”的结构设置为ㄅ字形。
实施例8，与实施例1基本相同，但还增设有超声波处理单元(作为活性污泥对撞破碎的物理分解设备中的一段)，该超声波处理单元连接在所述的反应器之后；该超声波处理单元中设置有超声波发生器。