在微生物體懸浮液中的顆粒有機物的破碎方法和裝置的製作方法
2023-08-10 12:14:11 1
專利名稱：在微生物體懸浮液中的顆粒有機物的破碎方法和裝置的製作方法
技術領域：
在按照所謂活性淤泥法處理工業和地區生物汙水處理廠的廢水時，由於更換了通過細菌而生物可降解的材料就產生了細菌懸浮形式的汙泥。因為根據法律和經濟方面的壓力，只還可以在有限的範圍內存放、燃燒或在農業上利用這種汙泥，因此減少甚至避免產生汙泥具有越來越大的意義。
作為減少廢料的方法最近幾年來已經試驗過對汙泥中所含有的有機體進行機械的細胞破碎(分解)。在分解汙泥時有意地破碎至少一部分在汙泥裡所含有的微生物體的細胞壁並使細胞內容釋放出來。
這種細胞破碎主要有兩個目的。一方面應該是通過一種加速和加強降解來改善厭氧汙泥處理。這種加速是基於水解的機械支持，因為細胞破碎造成可以容易降解的細胞內水釋放出來。另外還應該使兼性的壓氧微生物體分解，這些微生物體否則的話可能部分地在腐爛過程中倖免於難並且在腐泥中對於有機物料的剩餘含量是有責任的。它們通過細胞破碎應該能實現強化的降解。
另一方面分解應該提供以下可能應用含有有機物質如蛋白質和聚合酶的細胞內水作為內部的碳氫化合物源。因此既應該減小汙泥量和腐爛時間又要提高可利用作能源的沼氣的量。其它優點還在於破碎了漂浮汙泥和線性細菌以及改善了汙泥的沉積性能。
背景技術：
有關傳統的機械破碎法的概況已經由N.Dichtl，J.Müller，E.Englmann，F.W.Günthert和M.Osswald在「(KorrespondenzAbwasser)廢水通信」1997(44)第10號，1726頁至1738頁的一篇文章「汙泥的分解-當前概況」中作了介紹。按照這文章適合於大規模使用的首先是-攪拌球磨器，-高壓均化器，和
-超聲均化器。
在攪拌球磨器裡在一個圓筒狀的裝有硬玻璃或陶瓷製成的研磨球的研磨腔裡通過球的旋轉進行細胞破碎，而為了在超聲均化器和高壓均化器中破碎細胞則利用了氣蝕過程。
對於所有已知的用於機械分裂的方法來說都有如下特點用於產生氣蝕過程的成本費用和能耗都很高，通過這氣蝕過程產生了引起微生物體的細胞壁分裂的力。這既適合於高壓均化器和超聲均化器的製造也適合其運行和維護。對於高壓均化器來說必須要產生很高的壓力，這要求泵的容量大，而對於超聲方法來說則需要大量的電能輸送給聲極。在這方面利用氣蝕現象的缺點還在於這造成器具和材料的剝離現象，因此特別對於易磨損的構件，例如象超聲波聲極就必須使用昂貴的材料，例如象鈦。
在較早的，未在先公開的德國專利DE 102 14 689 A1中，為了在產生氣蝕現象時減小能耗和裝備費用已經建議了對於有機物的破碎不使用機器複雜和耗能大的超聲-或高壓分解裝置，而是懸浮液在壓力作用下運送通過一個噴嘴，其橫斷面首先變窄然後又加大，一種所謂拉瓦爾噴嘴。由於減小了橫斷面就使懸浮液的流動速度增高，從而使壓力在載體物質也就是水的蒸汽壓力作用下下降，而在流過緊接著又擴大的橫斷面時由於壓力平衡則產生破裂的氣蝕氣泡。
通過用氣蝕現象對這樣的懸浮液進行處理雖然有一定的效果，也就是說提高了沼氣的產出量並減少了汙泥的比例，但卻不能確定地搞清楚這些作用效果是否由於流動通道裡產生的剪切應力、由於氣蝕氣泡的產生和破裂或者由於其它至今沒有明確搞清楚的現象所引起。無論如何氣蝕氣泡的產生和破裂以一種底部內爆的形式只有局部的作用，但並不是引起細胞的破碎和因此微生物體的粉碎的主要原因。
發明內容
基於這種背景，本發明的要解決的技術問題是用類似的較小材料花費和能耗可以在細胞破壞的意義上實現微生物體的適當破解。
按照本發明此任務通過具有權利要求1所述特徵的方法來解決。
本發明的主題還有按照權利要求8所述的用於實施這種方法的裝置。
有利的改進方案可見從屬權利要求。按照本發明用流體動力學的方法實現分解作用。發明構思在於在運送懸浮液時在封閉的流動通道內，尤其是管路內創造一個作用腔，在這作用腔裡使懸浮液的載體介質，也就是水的流動速度升高，從而由於由此所產生的壓力降而明顯低於蒸汽壓力，因此不僅產生氣蝕氣泡，它們馬上又破碎，而且使液體狀態實際上完全轉變成蒸汽，這種蒸汽誠然在離開這作用腔之後馬上又凝結了。
由於在液體狀態轉變成蒸汽狀態時體積明顯加大，因此介質的流動速度也以相同的程度增高。這造成對流體狀態的加裝料，也就是對由蒸汽流一起帶走的細菌和其它顆粒施加極端的加速力，它們緊接著在蒸汽凝結成液相時又轉變成減速力。由於顆粒的慣性，尤其是細胞核相對於細胞質和細胞質外皮的慣性，通過圍繞微生物體的載體介質的總體狀態改變對微生物體施加力，這種力通過改變汙泥絮片的構造並通過改變薄膜表面的性能就產生效果，而不會總體上破壞微生物體以及使其內含物釋放出來。尤其是通過尚不至引起撕斷的慣性力使微生物體的薄膜表面伸長使微生物體的表面活性的材料脫離掉，直到慣性力最終造成撕斷細胞質外皮並因此使細胞破碎。
特別有利的是通過相應地選擇載體介質在作用腔裡的流動速度就可以選擇懸浮液的不同的處理方式，它們可以從破碎大的絮片，通過破碎線狀細菌直至使細胞完全破解。
以下根據附圖對本發明進行詳細說明。附圖所示圖1按照本發明的具有泵和作用腔的一個運輸段的示意簡圖；圖2和3懸浮液在作用腔部位裡的壓力變化圖；圖4通過管路裡的一個阻尼點構成的作用腔簡圖；圖5不同處理方式的圖表；圖6具有按照本發明的裝置的分解設備示意圖。
具體實施例方式
本發明的主要特徵從物理上看是一個作用腔，它在運送所要處理的懸浮液時由一個流動通道構成。在圖1中簡明表示了懸浮液實際上如何從容器的靜止狀態(起始速度u≈0)起在環境壓力p0時藉助於一個泵1，在使用外部的能量/時間pel下，經過管路2運送至一個分解裝置的作用腔3裡。在這作用腔3裡使載體介質，也就是水，通過總體狀態的變化而經受極端的加速和減速，在這之後在隨後的流動通道4裡以流動速度u在環境壓力p0下又離開這作用腔。
按照本發明力求提高在作用腔3的進入部位裡的流動速度u，使得在作用腔本身裡不可能產生詳述過的蒸汽氣泡，也不再產生通常的氣蝕，而是轉變成完全的蒸汽流，它作用在載體介質加載的整個表面上，就是微生物體上，從而對這蒸汽流產生一個加速作用，該加速緊接著又由於蒸汽的凝結而轉變成減速。通過這種組合的加速和減速作用，影響到微生物體的內部，其最終效果使其細胞膜破壞並使細胞質以及細胞核釋放出來。
參照圖1，圖2用壓力圖表表示了不同的運送距離x時懸浮靜壓的升高和降低。泵1前面的壓力相當於環境壓力p0，而它對應於泵1的電功率pel則升高至工作壓力pp，以便在分解裝置的作用腔3裡降低到一個壓力pX，該壓力低於載體介質的蒸汽壓力pD。在離開作用腔3並流過通道4之後懸浮液裡的靜壓又與環境壓力p0一致。
圖3(又是參照圖1)表示出流動速度與運送距離關係的曲線，由圖可見如何通過提高水的流動速度在進入作用腔處提高水流的動能/體積，直到最大值ρw·uK2/2從而在這作用腔裡由於靜壓的降低在蒸汽壓力作用就可以形成蒸汽流。在該蒸汽流由於冷凝又降低到在緊接著的管路4裡的動能/體積之前，它可以被利用來破碎或破壞細胞的構造。其中ρW代表載體介質的密度(對於水來說，例如ρW＝10kg/m3)；UK表示在進入作用腔時的流動速度。
實際上構成本發明基礎的作用腔3可以通過一個布置在流動通道5裡的節流器或節流擋板6來實現，通過這種節流器具使流動通道5的橫斷面大大變窄(圖4)。通過使流經相應泵單元的懸浮液的壓力升高和選擇節流器的直徑d，就可以在節流點的長度l上使懸浮液的流動速度提高，從而不超出蒸汽點，也就是使載體介質，就是說水完全轉變成蒸汽狀態。
根據懸浮液進入作用腔的速度的不同，細胞構造的破碎度是不同的；由此可以推導出各種不同的處理方式X，它們可以定義為一個普遍的、幾乎是理想的速度uW，id(大約14m/s)的乘數。這可以按照圖5所示曲線加以說明。
普遍的水速度uW，id在一定程度上是「臨界的」速度，此時必須表示出純粹計算的首先的氣蝕現象，但這些現象受摩擦損失和其它損失的限制，事實上只有在大約兩倍值時，也就是在uW≈28m/s時才出現。結果是狀態X＝1隻規定了臨界速度，從而只是使水速為uW≈28m/s的狀態X＝2可以用絮片結構改變的開始表示為處理階段。速度為uW≈42m/s的處理階段X＝3以釋放出表面活性的材料影響薄膜表面直至使細狀細胞破壞，而uW＞≈50m/s時的處理方式X＝4則使細胞破碎開始，也就是說用釋放其成分使薄膜破壞。
節流器的開口大小d及其長度l(圖4)最好這樣選擇，尤其是要使加速狀態和減速狀態能夠充分地被利用來破壞微生物體。同時可以通過相應地選擇比值d∶l也使使用的能量最小化。比值d∶l＝1∶5已經證實是優選的。
在一種這樣的設備運行時在節流器前面的堆堵區裡和在其後面卸荷區裡在設備運行時產生沉積，這已經在圖4至6中試圖表示出來。在一定條件下也可能減小噪聲的這樣一種槽斷面的變化大致類似於已知的拉瓦爾噴嘴。
圖6概略表示了一種設備10作為本發明技術應用的實例，這種設備是用於廢水、汙泥或類似物的二級分解工藝的一部分。一種這樣的微生物體懸浮液在箭頭11的方向上運送經過裝置10，此裝置包括管路12、一個輸送泵13和一個以本發明的方式包括有作用腔的分解裝置14。
作為分解工藝的第一階段最好在前面接一個均質化裝置，例如一種破碎器具15，它應該有助於實現在懸浮液裡儘可能均勻的粒度分布並保護這作用腔不受粗物料作用。然後藉助於輸送泵13使懸浮液輸送經過真正的分解裝置14，在那裡按照本發明使聚集料發生所希望的破壞並使細胞破碎。
在圖6實施例中，作用腔位於一個按照拉瓦爾噴嘴式樣設計的，具有相應小的橫斷面的噴嘴16的中央通道裡。管路12的輸送橫斷面優選一直變窄到小的橫斷面，以便然後又以相應的方式擴大。噴嘴16更為有利地位於管路12的一個垂直布置的分支裡，以排除重力對於作用腔裡的過程的可能影響。
作為設計分解噴嘴16的尺寸的實例，剩餘汙泥的處理可以以5-10％的乾量和工作體積流量VB＝12m3/h為基礎。
為了處理由微生物體組成的懸浮液加料，選擇在作用腔入口處尚為流體的載體介質(水)的速度uw，B＝X·uw，id其中X表示方式的乘數，UW，id表示對於載體介質水來說普通的速度為14m/s。剩餘汙泥的處理應用X＝3來實施，它通過確保了在腐爛塔裡實現所希望的生物學作用(圖5)。用這樣選擇的速度uW，B＝42m/s與規定的工作體積流量VB＝12m3/h一起就得出作用腔的必要直徑dVB=uw,Bd2/4d=4VBuw,B=10mm]]>作用腔的長度選擇用l＝50mm，使載體材料的聚集狀態變化(水→水蒸汽)通過整個作用腔來確保並因此使由泵注入系統裡的能量儘可能有效地在作用腔裡被利用來處理加料(微生物體)。
為了設計泵的尺寸大小，用進入作用腔處的動壓頭並注意到尚處於流體的載體材料(水)的密度ρw＝103kg/m3估計出必需的增壓p=w2uw,B2=9bar]]>並然後一起算出必需的液壓功率Phyd=pVB=w2d24uw3=m2uw2=3kW]]>
計算是基於以下認識泵的液壓功率歸根結底只需要用來產生必需的流入速度UW，B。phyd因此對應於進入作用腔裡的流動的動能/時間。
一種例如可使用的流體靜力的螺杆泵的機械液壓效率採用η≈0.5，最終還可以給出由泵從電網上取下的功率為P＝Pel＝Phyd/η＝6kW。
權利要求
1.在一種載體介質中尤其在生物汙水處理廠的廢水或汙泥中的微生物體懸浮液裡的顆粒有機物的破碎方法，其特徵在於，有機物在一個作用腔(3)裡由於在一個封閉的流動通道內流動的載體介質短時間內極端地加速並馬上緊接著減速而經受慣性力。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，使作用腔裡的載體介質蒸發，然後冷凝。
3.按照權利要求2所述的方法，其特徵在於，載體介質的總體狀態通過流動速度的改變而改變。
4.按權利要求3所述的方法，其特徵在於，通過使流動通道橫斷面變窄來提高流動速度。
5.按權利要求1至4中之一所述的方法，其特徵在於，對懸浮液多次地相繼地進行處理。
6.按權利要求5所述的方法，其特徵在於，使懸浮液多次地通過同一個作用腔進行輸送。
7.按權利要求1至6中之一所述的方法，其特徵在於，使懸浮液按垂直輸送方向從下向上輸送，經過作用腔。
8.用於實施按權利要求1所述方法的裝置，具有一個用於輸送懸浮液的管路和一個輸送泵，其特徵在於，在管路裡在輸送泵後面布置了一個節流點作為作用腔。
9.按權利要求8所述的裝置，其特徵在於，節流點的直徑(d)和長度(1)之比大約為1∶5。
10.按權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，流動通道的橫斷面在節流點前面其直徑變窄，然後又擴大。
11.按權利要求10所述的裝置，其特徵在於，流動橫斷面的變窄和擴大連續地變化。
全文摘要
在一種載體介質中尤其在生物汙水處理廠的廢水或汙泥中的微生物體懸浮液裡的顆粒有機物的破碎方法和裝置，其中有機物在一個作用腔裡由於在一個封閉的流動通道內流動的載體介質短時間內極端地加速並馬上緊接著減速而經受著慣性力。為產生這種慣性力使載體介質在這作用腔裡蒸發並隨後凝結，其中載體介質的總體狀態通過改變流動速度而改變。由於在轉變至蒸汽狀態時極大地加大了液態相的體積，因此介質的流動速度以相同的程度提高。這引起對液體相的加料施加極端的加速力，這些力立即接著在蒸汽凝結成液相時又轉變成減速力。通過相應的選擇載體介質在作用腔裡的流動速度就可以選擇懸浮體的不同處理方式，它們可以從破碎大的絮片，通過破碎線狀細菌直至使細胞完全分解破壞。
文檔編號C02F3/00GK1845876SQ200480024838
公開日2006年10月11日 申請日期2004年8月21日 優先權日2003年8月29日
發明者M·裡希特, J·昂格爾 申請人:拜奧尼克環保創新科技有限責任公司