[发明专利]超声波与化学试剂协同剩余污泥溶胞过程的动力学数学模型及溶胞效率和溶胞成本函数模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市污水生物处理过程中产生的大量剩余污泥的减量化方法及其操作过程的动力学数学模型及溶胞效率和溶胞成本函数模型，为超声波与化学试剂(氢氧化钠与表面活性剂)在协同处理剩余污泥中的经济高效的优化提供技术方法，属于污水处理和固体废弃物处理领域的污泥处理技术。 

背景技术

随着社会经济的发展与城市化进程的加快，城镇污水及其污泥数量快速增加。我国年产湿污泥已高达1200万吨，年增长速度为10-15％之间。由于污泥处理成本占污水处理厂处理成本的50％左右，成本很高，因此我国许多污水处理厂往往只处理到污水而避开了污泥处理，以填埋和堆放为主，引发严重的环境污染问题。因此，在积极进行污水处理的同时对污泥进行科学合理的处理处置已是势在必行。 

剩余污泥的厌氧消化以及污泥溶胞-微生物隐性生长方法均对剩余污泥的减量化具有比较明显的效果。但无论是厌氧消化还是污泥溶胞-隐性生长过程中的主要限制因素是剩余污泥中微生物细胞壁的阻碍。因此，如何经济、高效破解污泥中细胞壁的阻碍成为污泥消化或隐性生长减量化的关键。为此，人们提出了各种污泥预处理方法，如酸溶解、碱溶解、臭氧氧化、超声波破壁、热溶解、低温冷冻等，以促进污泥絮体分解、微生物破壁、细胞溶解，释放出污泥微生物细胞内有机物，以促进微生物对污泥中的有机物高效代谢，达到减量化的目的。 

目前，已有较多文献报道了超声波频率、能量密度、与碱氢氧化钠浓度在不同温度下不同处理时间对不同浓度的剩余污泥的破壁溶胞处理效果变化规律。这些研究往往只注重剩余污泥破壁溶胞效果的变化趋势，缺乏对该过程中的动力学数学模型的研究和报道，也没有有关剩余污泥破壁溶胞过程中不同操作条件下的经济效率模型，因此无法准确指导现实中剩余污泥破壁溶胞操作参数的优化。关于如何采用数学模型评价破壁溶胞效果、如何利用数学模型来优化破壁过程的经济、高效方面的内容还未见学术文献和专利报道，而且相应的超声波反应器设计也缺乏专利技术支持。所有目前报道的超声波碱协同剩余污泥处理的成本往往较高，处理效果和经济性较差，无法推广应用。 

为此，首先本发明专利通过化工传质与固液反应理论建立了超声波与化学试剂对城镇剩余污泥溶胞进行破壁溶胞过程的动力学数学模型。该数学模型包括超声波频率、能量密度、化学试剂浓度、污泥浓度、操作时间、操作温度等操作参数，为超声波协同化学试剂(氢氧化钠和表面活性剂吐温80)对剩余污泥溶胞过程中优化提供了依据和方法；其次，建立了完全溶胞率条件下处理剩余污泥所对应的原污水体积的经济成本。最后，在实施例中利用 matlab7.1软件，采用非线性优化方法对超声波协同化学试剂(碱和表面活性剂吐温80)过程的动力学参数进行优化，得到动力学模型，并依据经济效率模型，利用最优化技术确定了最佳的剩余污泥破壁溶胞操作参数。 

参考文献： 

1.Tsuyoshi Yamaguchi，Masaru Nomura，Tatsuro Matsuoka，Shinobu Koda.Effects of frequency and powerof ultrasound on the size reduction of liposome.Chemistry and Physics of Lipids，2009，160(1)：58-62 

2.Keun wan Lee著，郑敏，王建民  译.C.I分散红在超声波作用的破碎性.国外纺织技术，2002，(11)：21-24. 

3.Chu C.P，Chang BEA-VEN，Liao G.S.，et al.Observations on Changes in Ultrasonically TreatedWaste-Activated Sludge.Wat.Res.2001，35(4)：1038-1046. 

4.Khakpay A.，Abolghasemi H.，Salimi-Khorshidi A.The effects of a surfactant on mean drop size in amixer-settler extractor.Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2009，48(6)：1105-1111. 

发明内容