一种破解剩余污泥的旋流式壅塞空化器

摘要

本发明涉及一种水力空化破解污泥装置。一种破解剩余污泥的旋流式壅塞空化器，其特征在于包括旋流体、旋流芯、壅塞体和背压罩，旋流体和旋流芯配合形成旋流喷嘴，壅塞体内通孔形成壅塞管，壅塞体和背压罩配合形成溃灭腔，背压罩径向开有背压孔。流体经旋流体进入旋流喷嘴后，沿螺旋通道流动具有了切向速度和径向速度，经出口端射出时形成旋转射流，在壅塞管上游诱发产生大量的空泡和剧烈的剪切效应，携带空泡的流体在壅塞管下游穿过壅塞截面时溃灭，形成壅塞空化，空泡溃灭时形成的微射流等机械效应有效促进了剩余污泥的破解。与已有技术相比，本发明的旋流式壅塞空化器具有结构简单，空化强度高，机械剪切力作用大，剩余污泥破解率高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理及污泥破解领域，具体提供了一种剩余污泥破解的旋流式壅 塞空化器。

背景技术

目前世界上有近90%的城市污水处理厂采用生物处理工艺。生物处理工艺自20世 纪初开始应用于污水处理以来，已经成为全世界应用最为广泛的一种处理工艺，但该方法 的主要弱点之一是产生大量的剩余污泥。剩余污泥处理的费用高，大约占污水处理厂总运 行费用的25%～40%，有时甚至高达60%。污泥中的絮状体和细菌细胞壁在厌氧发酵的环境下 被分解的速度较慢，从而阻碍了胞内有机物的有效降解，是传统生物处理工艺处理污泥技 术的障碍所在。因此，破解剩余污泥中的细菌，使细菌胞内有机物充分释放很有必要。

破解剩余污泥的方法有很多，常用的有超声波法、微波技术、氧化剂破碎法、热处 理法、湿式氧化法、超临界水氧化法等，但是超声波、微波技术、热处理等方法能耗大，氧化 剂破碎法资源消耗大且可能带来二次污染，湿式氧化法、超临界氧化法的装置造价高。这些 方法很难满足工程实际中剩余污泥处理量大的需求。

水力空化过程能产生强冲击波（其冲击频率可高达2000~3000Hz）和高速微射流 （速度可达100m/s）等极端条件，能在常温、常压下，不添加（或少添加）化学试剂，就能实现 对污泥的絮状体和细菌细胞壁的破解。而且水力空化法具有高效节能、无二次污染、适合建 立大规模工业化水处理设备等优点，是一种具有应用潜力的新技术。

水力空化形式很多，常见的有射流空化、孔板空化、涡流空化和壅塞空化等。射流 空化充分发挥了射流的冲击效应，但是能量利用率低且部分空泡不能有效溃灭；孔板空化 能在较大范围水体内诱发空化，结构简单，但是空化强度不高；涡流空化所需入口压力低， 能在较大范围水体内产生空化，但是空泡的溃灭与射流空化类似，部分空泡没有得到有效 溃灭。壅塞空化同时解决了在更大范围水体内产生空化和使空泡有效溃灭这两大技术难 题。但是，在同等条件下环流式壅塞空化器（CN102491485A）产生的空泡不够多，空化强度 较低，且污泥易堵塞环缝。

发明内容

本发明的目的是提供一种破解剩余污泥的旋流式壅塞空化器，弥补了已有技术存 在的缺点和不足，提供一种低成本、高效率的破解剩余污泥的新型空化器。旋流式壅塞空化 器的设计是基于壅塞空化理论和旋转射流理论，通过设计特定的空化器结构，在能使空泡 有效溃灭的同时，采用旋流喷嘴诱发更多的空泡，大大提升了空化效应和机械剪切力效应 协同破解剩余污泥的能力和效率，且同时解决了环状式壅塞空化器易堵塞的问题，从而使 水力空化技术在走向工业应用的道路上又迈出了一大步。

如图1所示，本发明的水流从旋流体1进入旋流喷嘴A后，沿旋流芯2的螺旋通道流 动而具有了切向速度和径向速度，经旋流喷嘴A出口端射出后形成旋转射流。旋流射流产生 剧烈的机械剪切力效应，并扩大了射流剪切层面积，在壅塞体3入口段产生强烈的涡流扰 动，在壅塞管B的上游诱发了更多数量的空泡。随着携带大量空泡的液体往壅塞管B下游流 动，管内气含量极速增加，当地音速急剧下降，而混合流体的流速则不断增加，在壅塞体3下 游的某截面（称为壅塞截面）处导致了当地马赫数Ma=1，出现了气液两相流“壅塞”现象。根 据气液两相流临界理论，在一定的压力范围内，壅塞截面下游的流场压力变化不会影响上 游流场的压力。因此，在壅塞截面的上游，存在一个有利于空泡生长和发育的低压区域。通 过背压罩4对背压的调节，在壅塞截面下游形成一个有利于空泡溃灭的高压区域。这样，一 个旋流式壅塞空化器就能同时满足空泡产生以及溃灭对流场的不同要求。在壅塞截面下游 压力恢复梯度（最大静压力恢复梯度高达1.9×10⁸Pa/m）的作用下，空泡能够在壅塞管B的 出口附近和溃灭腔C内快速有效溃灭，形成剧烈的空化现象。

水力空化能以每秒数十万次的频率连续作用于水中污物。该装置产生的高速微射 流和流体剪切力形成的机械剪切效应能够高效的破碎剩余污泥中的絮状体和微生物细胞 壁，将其中可溶性有机物和水释放出来，使水相中SCOD值增加；强烈的涡流扰动，扩大了射 流剪切层面积，加速把大分子或大粒径物质破碎成小分子或小粒径物质。这将有助于微生 物的厌氧消化，提高甲烷产量。

本发明提供的的旋流式壅塞空化器，其特征在于包括旋流体1、旋流芯2、壅塞体3 和背压罩4，旋流体1和旋流芯2配合形成旋流喷嘴A，壅塞体3内通道形成壅塞管B，旋流体1 和壅塞体3配合保证旋流芯2和壅塞管B同轴，壅塞体3和背压罩4配合形成空泡溃灭腔C，旋 流芯（2）用台阶（6）轴向定位，旋流喷嘴A的当量直径为d。旋流芯2的螺旋角为18°～38°，长 度不大于一个导程。壅塞管B的直径D为（2~5）d，长度为(1~5)D。背压罩4上的背压孔5的当量 直径为（1～5）d。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

（1）旋流式壅塞空化器结构简单，能产生更多的空泡并使空泡有效溃灭（经空化诱发产 生的空泡绝大多数都能快速有效地溃灭）；

（2）旋流式壅塞空化器采用旋流喷嘴结构，不但提高了空化强度，而且大大地提高了破 解污泥絮状体和微生物细胞壁所需要的机械剪切力；

（3）旋流式壅塞空化器用于剩余污泥破解时，能量利用率高，破解率高，无需添加任何 化学药剂，不造成二次污染；

（4）本发明不仅可以单独用于剩余活性污泥破解，也可以与其他污泥破解方法联合使 用。

附图说明

图1为旋流式壅塞空化器的结构示意图；

图2为旋流体的结构示意图；

图3为旋流芯的结构示意图；

图4为壅塞体的结构示意图；

图5为背压罩的结构示意图；

图6为水力空化破解剩余污泥的试验系统图。图中7为涡轮流量计，8为压力表，9为离心 泵，10为水箱，11为旋流式壅塞空化器；

图7为SCOD溶出率DR随处理次数N的变化曲线图。

具体实施方式

1）本发明的实施参数

如图1，旋流体1和壅塞体3用螺栓连接，旋流芯2与旋流体1采用较紧的间隙配合，且旋 流芯2出口端有一个0.4mm的台阶6来作轴向定位，壅塞体3和背压罩4用圆柱销连接，旋流体 1与外部供水管用螺纹连接。各连接部位采用相应的密封形式。旋流喷嘴的当量直径为 3.2mm，溃灭腔的直径为90mm，轴向长度为30mm。

如图2，旋流体1与旋流芯2配合段内径为6.5mm，长度为40mm，台阶6的内径为 5.7mm，长度为2mm。

如图3，旋流芯2的螺旋角β=27°，最大长度可取一个导程L=40mm。本实例采用的旋 流芯长度分别为1L/4、2L/4、3L/4和4L/4。

如图4，壅塞管的直径为10mm，长度为50mm。

如图5，背压罩4的周围分布有背压孔5，背压孔用来控制背压。背压孔直径可取 3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm和6mm，也可采取多个背压孔组合的方式。

2）实验系统

实验系统如图6所示。水力空化破解剩余污泥的实验系统为封闭循环系统，包括：水箱 10（200L），涡流泵9，高压管，压力表8，流量计7和旋流式壅塞空化器11等。处理对象为某污 水处理厂厌氧池中的剩余污泥。

3）旋流式壅塞空化器及试验参数

旋流式壅塞空化器，泵压为0.80MPa，流量为1.4m³/h，喷嘴的当量直径为3.2mm，背压孔 直径取不同的组合，旋流芯长度分别取1L/4、2L/4、3L/4和4L/4。

4）实验条件

取某污水处理厂厌氧池中一定浓度的剩余活性污泥50L，取四种不同长度的旋流芯，分 别改变6次背压孔直径（即改变背压），每组试验循环20次。未循环处理前取一个初始样，每 循环处理4次取一次样，每组试验一共取样6个。

5）样品测试

用快速消解分光光度法测试。对于所取试样，先采用转速为2000rpm的TDL-4型离心机 （最高转速4000rpm）离心五分钟，然后取上清液测SCOD。测定SCOD时采用JK-DA-16N型COD 消解仪和5B-3C型COD快速测定仪。

可溶解性COD溶出率DR按下式计算：

DR=(SCOD_f－SCOD_i)/SCOD_i×100%

式中，SCOD_f为处理后的污泥的可溶解性COD，mg·L^-1；

SCOD_i为初始污泥的可溶解性COD，mg·L^-1。

6）处理结果

图7为SCOD溶出率随处理次数N的变化曲线图，图中曲线分别代表旋流芯长度为1/4导 程，2/4导程，3/4导程和4/4导程时对应最佳背压的实验结果。从图中可见，旋流式壅塞空化 器能够有效地破解剩余污泥。旋流式壅塞空化器能够产生三大效应来破解剩余污泥：一是 污泥混合液从旋流喷嘴呈螺旋状喷射出来后，形成了大涡强烈的剪切作用；二是由旋流喷 嘴喷射出来的高速流体和壅塞管内的低速流体由于速度差在其边界层产生强烈的剪切作 用；三是由旋流喷嘴诱发产生的空泡在壅塞效应作用下溃灭瞬间在污泥混合液中形成高速 微射流的冲击作用，这种高速微射流以高频率不断冲击污泥混合液中的絮状体和细胞壁。 在旋流式壅塞空化器产生的三大效应作用下，污泥混合液中的絮状体被破碎和微生物的细 胞壁被打破，将其包裹的可溶解性有机物释放出来，从而使液相中的SCOD成倍增加，实现污 泥的有效破解。

当旋流芯的长度为3/4导程，背压为89KPa时，SCOD溶出率取得最大值，为661.57%。 随着背压增大，空泡溃灭的压力增大，微射流的速度增大，但背压过大，则会使壅塞管内的 壅塞截面往上游移动，生长的空泡来不及长大就溃灭了，且大背压也会抑制大涡的形成，所 以对于不同的旋流芯长度均存在最佳背压达到最佳SCOD溶出率。随着旋流芯长度的增长， 喷嘴出口流体的旋度增强，有利于大涡的形成，但旋流芯过长，则会使流体在螺旋流道中的 阻力损失加大，降低喷嘴出口流体的旋度，所以也存在最佳的旋流芯长度达到最佳SCOD溶 出率。

以上所述仅为本发明示范性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均 属于本发明保护的范围。