一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法与流程

1.本发明涉及污泥处理技术领域，特别是涉及一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国城市化和工业化进程的不断发展，高浓度工业废水的排放量不断增大，剩余污泥作为工业废水处理中产生的固体废物，产量也在大幅提升。工业废水尤其是煤化工废水产生的剩余污泥，成分复杂，包含有机物、氮、磷等，不稳定且有恶臭味，如处置不当将对生态环境产生极大危害。现阶段普遍采用的处理方式以垃圾场填埋处置或污水厂原位厌氧消化处置，将造成污水厂负荷增高，出水水质受影响等问题。因此对剩余污泥的资源化利用将是解决其二次污染的根本途径，而如何将这些氮磷等营养元素快速有效地释放是资源化的前提。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现对高含固率剩余污泥的资源化利用。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统，包括污泥破碎箱、微藻培养罐和固设在所述微藻培养罐内的微藻培养室，所述污泥破碎箱的下方固设有超声变幅杆，所述超声变幅杆与超声波换能器连接，所述超声波换能器与超声波发生器电连接；所述污泥破碎箱的出泥口通过通泥管与所述微藻培养罐底部的入泥口连通，所述微藻培养室与所述微藻培养罐的内壁之间存在间隔，所述微藻培养室的底端和顶端均开口，所述微藻培养罐的底端设置有正对所述微藻培养室的底端的开口的进气管，所述进气管与气源连通，所述气源中含二氧化碳和压缩空气，所述微藻培养罐的顶端设置有正对所述微藻培养室的顶端的开口的出气阀，所述微藻培养罐内的顶部设置有多个伸入所述微藻培养室内的石英玻璃管，每个所述石英玻璃管内均设置有光源组件，所述微藻培养罐的顶部设置有上清液排放管，所述微藻培养罐的中部设置有泥藻混合相排放管。
6.优选的，所述微藻培养罐的顶部还设置有一级导流罩，所述微藻培养室的顶部伸入所述一级导流罩内，所述一级导流罩的底端与所述微藻培养室的外壁之间具有间隔。
7.优选的，所述一级导流罩内设置有若干个周向分布在所述微藻培养室的顶部外侧的旋流破碎器，所述旋流破碎器通过连接杆与所述一级导流罩的内壁固连；所述旋流破碎器的顶部设置有两个与所述旋流破碎器的内腔相切的进料口，所述旋流破碎器的内壁固设有多个呈螺旋状分布的凸起，所述凸起呈四面体状，所述凸起的材料为不锈钢。
8.优选的，所述微藻培养室的侧壁上设置有导流环，所述导流环靠近所述一级导流罩的底端且位于所述一级导流罩的底端的下方。
9.优选的，所述微藻培养罐的顶部还设置有二级导流罩和三级导流罩，所述一级导
流罩、所述二级导流罩、所述三级导流罩同轴且依次由内而外分布，所述二级导流罩与所述微藻培养罐的顶端之间具有间隔，所述一级导流罩的底端缩口，所述二级导流罩的底端扩口。
10.优选的，所述微藻培养室为中空柱状体，所述微藻培养室与所述微藻培养罐同轴，所述微藻培养室通过钢筋支撑架与所述微藻培养罐固连；所述光源组件为闪光发光二极管和线缆，所述发光二级管通过线缆与电源电连接，所述线缆穿过所述微藻培养罐的侧壁，所述石英玻璃管与所述微藻培养罐之间密封连接。
11.优选的，所述上清液排放管还通过回流管与所述通泥管连通。
12.优选的，所述超声变幅杆与所述污泥破碎箱的底板之间具有大于1cm的间隔，所述超声变幅杆的两端分别与所述污泥破碎箱的侧壁焊接。
13.优选的，所述高含固率剩余污泥的含固率不低于1％，优选为1％
‑
5％；所述高含固率剩余污泥的cod值为300
‑
500mg/l、有机物质量分数不低于70％、生物易降解有机组分质量分数为40
‑
60％；优选地，所述高含固率剩余污泥为来自经重金属预去除的废水二级生化处理后的剩余污泥，预去除重金属后的剩余污泥中重金属含量达到农用污泥污染物控制标准(gb4284
‑
2018)。
14.本发明还提供一种高含固率剩余污泥培养微藻的方法，将高含固率剩余污泥通入污泥破碎箱中进行超声破碎处理后，通入微藻培养罐中，在微藻培养室中经超声破碎处理后的所述高含固率剩余污泥与二氧化碳、压缩空气和微藻一起培养，所述高含固率剩余污泥与所述微藻的混合相在进气管通入的气体的推动下从所述微藻培养室的顶端流出所述微藻培养室，然后所述混合相流经旋流破碎器被破碎，所述微藻培养罐顶部的上清液通过上清液排放管、回流管、通泥管回流至所述微藻培养罐内。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明的高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法实现了对高含固率剩余污泥的资源化利用。本发明的高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法通过在污泥破碎箱的下方固设超声变幅杆，能够对污泥破碎箱中的污泥超声辐射产生空化效应和活化效应，超声空化过程中传声的微射流可以有效地破碎细胞壁，并降解污泥中的大分子有机物，使其变为无毒无害的小分子有机物，便于微藻细胞的充分利用，提高污泥的处理效果；同时通过通入二氧化碳，使污泥被高速气流形成的剪切力快速吸入并进一步破碎，一定量二氧化碳的通入也使微藻处于一种较为平衡的混合营养状态，通过利用二氧化碳的无机碳源以及剩余污泥中的有机碳源，使得自身功能性蛋白类物质快速富集，并迅速削减污泥有机生物毒性，也有利于co2的有效固定；通过设置旋流破碎器，利用旋流产生的剪切应力破碎污泥絮体，使污泥中的多糖和蛋白质等有机质充分释放，随上清液回流至进泥段，提高剩余污泥培养微藻的效果，同时旋流破碎器对微藻细胞进行适度破碎，使微藻胞内功能性蛋白质在一个较高回收率下充分释放，并保持了微藻蛋白的生物活性。本发明的高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法运行步骤简单，处理系统稳定，无副产物生成，回收的泥藻混合物质可以进一步加工资源化利用。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统的结构示意图；
19.图2为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统的部分结构示意图；
20.图3为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统中旋流破碎器的结构示意图；
21.图4为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统中旋流破碎器的结构示意图一；
22.图5为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统中旋流破碎器的结构示意图二；
23.图6为本发明高含固率剩余污泥培养微藻的系统中旋流破碎器的结构示意图三；
24.其中：100、高含固率剩余污泥培养微藻的系统；1、污泥破碎箱；2、通泥管；3、微藻培养罐；4、微藻培养室；5、气泡；6、钢筋支撑架；7、进气管；8、旋流破碎器；801、进料口；802、凸起；9、出气阀；10、上清液排放管；11、一级导流罩；12、二级导流罩；13、三级导流罩；14、泥藻混合相排放管；15、超声变幅杆；16、导流环；17、回流管。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明的目的是提供一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现对高含固率剩余污泥的资源化利用。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.如图1至图6所示：本实施例提供了一种高含固率剩余污泥培养微藻的系统100，包括污泥破碎箱1、微藻培养罐3和固设在微藻培养罐3内的微藻培养室4。高含固率剩余污泥的含固率不低于1％，优选为1％
‑
5％，其中，高含固率剩余污泥的cod值为300
‑
500mg/l、有机物质量分数不低于70％、生物易降解有机组分质量分数为40
‑
60％；优选地，高含固率剩余污泥为来自经重金属预去除的废水二级生化处理后的剩余污泥，预去除重金属后的剩余污泥中重金属含量达到农用污泥污染物控制标准(gb4284
‑
2018)。
29.污泥破碎箱1的作用为对箱内的高含固率剩余污泥进行超声波破碎预处理。具体的，污泥破碎箱1的下方固设有多个并联设置的超声变幅杆15，超声变幅杆15与超声波换能器连接，超声波换能器与超声波发生器电连接；超声变幅杆15与污泥破碎箱1的底板之间具有大于1cm的间隔，超声变幅杆15的两端分别与污泥破碎箱1的侧壁焊接。其中，超声波发生器将220v工频交流电转换为与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)传递给变幅杆；变幅杆释放超声波，对进入系统的剩余污泥产生预破碎作用，总超声功率1500
‑
2000w，超声频率20
‑
25khz，超声时间4min，环境温度0
‑
30℃。通过超声波对污泥破碎箱1内的高含固率剩余污泥超声波破碎预处理时，能够对污泥破碎箱1中的污泥超声辐射产生空化效应和活化效应，超声空化过程中传声的微射流可以有效地破碎细胞壁，并降解污泥中的大分子有机物，使其
变为无毒无害的小分子有机物，便于微藻细胞的充分利用，提高污泥的处理效果。
30.污泥破碎箱1的出泥口通过通泥管2与微藻培养罐3底部的入泥口连通，微藻培养室4与微藻培养罐3的内壁之间存在间隔，微藻培养室4的底端和顶端均开口，在本实施例中，微藻培养室4为中空柱状体，微藻培养室4与微藻培养罐3同轴，微藻培养室4通过钢筋支撑架6与微藻培养罐3固连。
31.微藻培养罐3的底端设置有正对微藻培养室4的底端的开口的进气管7，进气管7与气源连通，气源中含二氧化碳和压缩空气，压缩空气与二氧化碳的体积比为1
‑
9:1，优选为2.5:1。微藻培养罐3的顶端设置有正对微藻培养室4的顶端的开口的出气阀9。
32.微藻培养罐3内的顶部设置有多个伸入微藻培养室4内的石英玻璃管(图中未示出)，每个石英玻璃管内均设置有光源组件，光源组件为闪光发光二极管和线缆，发光二级管通过线缆与电源电连接，线缆穿过微藻培养罐3的侧壁，石英玻璃管与微藻培养罐3之间密封连接。作为更优选的方案，也可以将微藻培养室4的侧壁设置为透明材质，将闪光发光二极管设置在微藻培养室4的侧壁中，石英玻璃管与微藻培养室4的侧壁密封连接，石英玻璃管仅作为架设线缆的通路，避免线缆与液体直接接触造成短路。
33.微藻培养罐3的顶部设置有上清液排放管10，微藻培养罐3的中部设置有泥藻混合相排放管14，上清液排放管10还通过回流管17与通泥管2连通。微藻培养罐3顶部的上清液能够通过上清液排放管10、回流管17和通泥管2回流至微藻培养罐3内；上清液回流的回流比为2
‑
4。
34.微藻培养罐3的顶部还设置有一级导流罩11、二级导流罩12和三级导流罩13，一级导流罩11、二级导流罩12、三级导流罩13同轴且依次由内而外分布，二级导流罩12与微藻培养罐3的顶端之间具有间隔，一级导流罩11的底端缩口，二级导流罩12的底端扩口。微藻培养室4的侧壁上设置有导流环16，导流环16靠近一级导流罩11的底端且位于一级导流罩11的底端的下方；导流环16与微藻培养室4的外壁之间紧密接触，导流环16与微藻培养室4的外壁之间没有间隙。导流环16、一级导流罩11、二级导流罩12和三级导流罩13的作用为对从微藻培养室4顶端涌出的藻泥混合相进行导流，使得上清液能够从上清液排放管10流出，经部分回流后进入进泥口，而不是直接流入微藻培养罐3的底部。
35.微藻培养室4的顶部伸入一级导流罩11内，一级导流罩11的底端与微藻培养室4的外壁之间具有间隔。一级导流罩11内设置有两个周向均匀分布在微藻培养室4的顶部外侧的旋流破碎器8，旋流破碎器8通过连接杆与一级导流罩11的内壁固连；旋流破碎器8的顶部设置有两个与旋流破碎器8的内腔相切的进料口801，旋流破碎器8的内壁固设有多个呈螺旋状分布的凸起802，凸起802呈四面体状，凸起802的材料为不锈钢。凸起802的分布间距为旋流破碎器8内径的20
‑
30％，凸起802高度为旋流破碎器8内径的5％
‑
10％。旋流破碎系统中的强剪切力来自泥藻混合相通过旋流破碎器8所产生的较大速度梯度以及旋流破碎器8内壁上的不规则不锈钢凸起802所造成的强摩擦力。通过增大进入旋流破碎器8的泥藻混合相的流速，可以加强破碎效果。经过旋流破碎器8的旋流处理后使得泥藻混合相中至少60％的絮体粒径为0.5mm
‑
1mm，泥藻混合相在旋流破碎器8中的速度梯度不低于1000s
‑1，优选为2000
‑
3000s
‑1。
36.本发明还提供一种高含固率剩余污泥培养微藻的方法：基于上述高含固率剩余污泥培养微藻的系统100，将高含固率剩余污泥通入污泥破碎箱1中进行超声破碎处理后，通
入微藻培养罐3中，在微藻培养室4中经超声破碎处理后的高含固率剩余污泥与二氧化碳、压缩空气和微藻一起培养，通过通入二氧化碳，使污泥被高速气流形成的剪切力快速吸入并进一步破碎，一定量二氧化碳的通入也使微藻处于一种较为平衡的混合营养状态，通过利用二氧化碳的无机碳源以及剩余污泥中的有机碳源，使得自身功能性蛋白类物质快速富集，并迅速削减污泥有机生物毒性，也有利于二氧化碳的有效固定。
37.进气管7通入的气体在高含固率剩余污泥与微藻的混合相中形成气泡5，高含固率剩余污泥与微藻的混合相在气泡5的推动下从微藻培养室4的顶端流出微藻培养室4，然后混合相流经旋流破碎器8被破碎；通过设置旋流破碎器8，利用旋流产生的剪切应力破碎污泥絮体，使污泥中的多糖和蛋白质等有机质充分释放，随上清液回流至进泥段，提高剩余污泥培养微藻的效果，同时旋流破碎器8对微藻细胞进行适度破碎，使微藻胞内功能性蛋白质在一个较高回收率下充分释放，并保持了微藻蛋白的生物活性。
38.微藻培养罐3顶部的上清液通过上清液排放管10、回流管17、通泥管2回流至微藻培养罐3内，对上清液进行重复利用；通过上清液排放管10将微藻培养罐3顶部回流比之外比例的上清液进行排放。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一级”、“二级”、“三级”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。