專利名稱：超聲波與化學(xué)試劑協(xié)同剩余污泥溶胞過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型及溶胞效率和溶胞成本函數(shù)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城市污水生物處理過程中產(chǎn)生的大量剩余污泥的減量化方法及 其操作過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型及溶胞效率和溶胞成本函數(shù)模型，為超聲波與化學(xué)試劑(氫 氧化鈉與表面活性劑)在協(xié)同處理剩余污泥中的經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)化提供技術(shù)方法，屬于污水 處理和固體廢棄物處理領(lǐng)域的污泥處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)污水及其污泥數(shù)量快速增加。我 國年產(chǎn)濕污泥已高達(dá)1200萬噸，年增長速度為10-15%之間。由于污泥處理成本占污水處 理廠處理成本的50%左右，成本很高，因此我國許多污水處理廠往往只處理到污水而避開 了污泥處理，以填埋和堆放為主，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，在積極進(jìn)行污水處理的 同時(shí)對污泥進(jìn)行科學(xué)合理的處理處置已是勢在必行。剩余污泥的厭氧消化以及污泥溶胞_微生物隱性生長方法均對剩余污泥的減量 化具有比較明顯的效果。但無論是厭氧消化還是污泥溶胞-隱性生長過程中的主要限制因 素是剩余污泥中微生物細(xì)胞壁的阻礙。因此，如何經(jīng)濟(jì)、高效破解污泥中細(xì)胞壁的阻礙成為 污泥消化或隱性生長減量化的關(guān)鍵。為此，人們提出了各種污泥預(yù)處理方法，如酸溶解、堿 溶解、臭氧氧化、超聲波破壁、熱溶解、低溫冷凍等，以促進(jìn)污泥絮體分解、微生物破壁、細(xì)胞 溶解，釋放出污泥微生物細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物，以促進(jìn)微生物對污泥中的有機(jī)物高效代謝，達(dá)到減 量化的目的。目前，已有較多文獻(xiàn)報(bào)道了超聲波頻率、能量密度、與堿氫氧化鈉濃度在不同溫度 下不同處理時(shí)間對不同濃度的剩余污泥的破壁溶胞處理效果變化規(guī)律。這些研究往往只注 重剩余污泥破壁溶胞效果的變化趨勢，缺乏對該過程中的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的研究和報(bào)道， 也沒有有關(guān)剩余污泥破壁溶胞過程中不同操作條件下的經(jīng)濟(jì)效率模型，因此無法準(zhǔn)確指導(dǎo) 現(xiàn)實(shí)中剩余污泥破壁溶胞操作參數(shù)的優(yōu)化。關(guān)于如何采用數(shù)學(xué)模型評價(jià)破壁溶胞效果、如 何利用數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化破壁過程的經(jīng)濟(jì)、高效方面的內(nèi)容還未見學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和專利報(bào)道，而 且相應(yīng)的超聲波反應(yīng)器設(shè)計(jì)也缺乏專利技術(shù)支持。所有目前報(bào)道的超聲波堿協(xié)同剩余污泥 處理的成本往往較高，處理效果和經(jīng)濟(jì)性較差，無法推廣應(yīng)用。為此，首先本發(fā)明專利通過化工傳質(zhì)與固液反應(yīng)理論建立了超聲波與化學(xué)試劑對 城鎮(zhèn)剩余污泥溶胞進(jìn)行破壁溶胞過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型包括超聲波頻率、能 量密度、化學(xué)試劑濃度、污泥濃度、操作時(shí)間、操作溫度等操作參數(shù)，為超聲波協(xié)同化學(xué)試劑 (氫氧化鈉和表面活性劑吐溫80)對剩余污泥溶胞過程中優(yōu)化提供了依據(jù)和方法；其次，建 立了完全溶胞率條件下處理剩余污泥所對應(yīng)的原污水體積的經(jīng)濟(jì)成本。最后，在實(shí)施例中 利用matlab7. 1軟件，采用非線性優(yōu)化方法對超聲波協(xié)同化學(xué)試劑(堿和表面活性劑吐溫 80)過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到動(dòng)力學(xué)模型，并依據(jù)經(jīng)濟(jì)效率模型，利用最優(yōu)化技術(shù) 確定了最佳的剩余污泥破壁溶胞操作參數(shù)。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種城鎮(zhèn)污水活性污泥法生物處理產(chǎn)生的剩余污泥的超聲 波與化學(xué)試劑(氫氧化鈉和表面活性劑吐溫80)協(xié)同破壁溶胞的技術(shù)方法、數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化 方法和處理裝置，為剩余污泥的超聲波化學(xué)試劑協(xié)同溶胞提供經(jīng)濟(jì)、高效的技術(shù)支持。本發(fā)明專利通過課題組的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的超聲波與氫氧化鈉 協(xié)同剩余污泥中加入表面活性劑吐溫80可以強(qiáng)化和提高破壁溶胞效果。其原因在于表面 活性劑的加入可以有利于對污泥絮體的分散，提高污泥與堿的固液反應(yīng)面積，有利于反應(yīng) 的進(jìn)行，最終有利于污泥中有機(jī)物的溶出，提高了超聲波堿(氫氧化鈉)協(xié)同破壁溶胞的效 果。超聲波的主要作用在于破碎污泥粒子達(dá)到增加污泥與氫氧化鈉的固液反應(yīng)面積。為 此，本發(fā)明專利中所涉及的化學(xué)試劑為氫氧化鈉和表面活性劑吐溫80。本專利即是針對超 聲波協(xié)同氫氧化鈉和吐溫80情況下的剩余污泥破壁溶胞數(shù)學(xué)模型。1、剩余污泥破壁溶胞動(dòng)力學(xué)模型目前關(guān)于剩余污泥破壁溶胞效果考察指標(biāo)往往采用化學(xué)需氧量(C0D)。本專利中 仍采用化學(xué)需氧量來評價(jià)剩余污泥破壁過程。剩余污泥破壁釋放出有機(jī)物的過程可以看 為超聲波和氫氧化鈉與吐溫80的共同作用下污泥固體中有機(jī)物釋放過程。剩余污泥中有 機(jī)物化學(xué)需氧量貢獻(xiàn)中絕大部分為蛋白質(zhì)(通常蛋白質(zhì)COD貢獻(xiàn)大于65% )，還有部分脂 類、多糖和核酸等有機(jī)物。因此，剩余污泥破壁溶胞過程主要為細(xì)胞膜中磷脂水解釋放出細(xì) 胞內(nèi)有機(jī)物和污泥中蛋白質(zhì)的水解反應(yīng)。在該過程中氫氧化鈉的主要作用是催化劑，通過 影響水解反應(yīng)中的活化能達(dá)到提高反應(yīng)速率常數(shù)的目的，最終加速污泥中有機(jī)物的釋放速 度。反應(yīng)過程中污泥濃度變化關(guān)系如下J^l 道(1)
dt其中，t為反應(yīng)時(shí)間(s)，k反應(yīng)速率常數(shù)(kg. m_2. S"1)，Cs為污泥濃度(kg. m_3)，V 為污泥體積(m3)，A為污泥粒子的表面積(m2)，表達(dá)式為
其中，P s為污泥顆粒粒子的密度(kg. πΓ3)，在污泥的破壁溶胞過程中可以近似為 常數(shù)。d為污泥粒子的粒度(m)。污泥粒子粒度的變化受兩方面的影響，一是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生 的污泥溶解而引起的粒度變化，其關(guān)系如式(3)所示。d Cs173(3)另一方面，污泥粒度的變化是由于超聲波物理破碎和表面活性劑分散作用引起 的。文獻(xiàn)[1]在研究超聲波頻率、能量密度和頻率對脂質(zhì)體的作用過程中發(fā)現(xiàn)其粒度隨 超聲處理時(shí)間的增加而呈先快速下降隨后緩慢下降趨勢，而頻率越小則越有利于粒度的減 小，粒子粒度隨超聲波能量密度增加而下降；文獻(xiàn)[2]在利用超聲波對分散紅60的破碎處 理過程中也發(fā)現(xiàn)粒子粒度隨超聲波處理時(shí)間的延長而呈先快后慢的下降趨勢，同時(shí)，超聲 波能量密度越大則越有利于粒子的粒度減小。文獻(xiàn)[3]在利用超聲波處理污泥的過程中也 有相同的現(xiàn)象即粒度隨時(shí)間增加而下降，能量密度越大，則粒度則越小。文獻(xiàn)[4]在研究 表面活性劑苯胺對甲苯_水體系中的乳化顆粒的粒度影響規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，粒度隨表面活性劑 加入量增加而下降。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[1 4]在關(guān)于超聲波頻率、能量密度和時(shí)間以及表面 活性劑對粒子粒度的影響規(guī)律，我們對污泥粒子在超聲波和表面活性劑作用下的粒度變化 關(guān)系采用經(jīng)驗(yàn)公式(4)來表示。 d
faPbCbctd
⑷ 其中，f為超聲波頻率(kHz)，P超聲波能量密度(W/ml)，Cb為吐溫80的濃度(kg. m_3)。因此，污泥顆粒在處理過程中的粒度變化關(guān)系由公式(3)和(4)可有
權(quán)利要求
1. 一種超聲波與化學(xué)試劑協(xié)同剩余污泥溶胞過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，其特征是超聲波、氫氧化鈉和吐溫80協(xié)同剩余污泥破壁溶胞過程動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，模型公式有式為
2.超聲波與化學(xué)試劑協(xié)同剩余污泥溶胞過程的溶胞效率和溶胞成本函數(shù)模型，其特征 是超聲波、氫氧化鈉和吐溫80協(xié)同剩余污泥破壁溶胞過程溶胞效率和溶胞成本函數(shù)模型， 模型公式有式為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市污水生物處理過程中產(chǎn)生的大量剩余污泥的減量化方法及其操作過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型及溶胞效率和溶胞成本函數(shù)模型，和為超聲波與化學(xué)試劑(氫氧化鈉與表面活性劑)在協(xié)同處理剩余污泥中的經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)化提供技術(shù)方法，屬于污水處理和固體廢棄物處理領(lǐng)域的污泥處理技術(shù)。
文檔編號G06F17/50GK102004837SQ20101057710
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者劉勇, 秦曉 申請人:天津大學(xué)