本实用新型属于污泥处理技术领域，特别涉及用于污泥热水解处理的旋流式反应器。
背景技术：
污泥是污水处理过程中的副产物，具有含水率高、颗粒较细、比重较轻等特点，其中含有大量有机质、氮磷、病原微生物、寄生虫卵及病毒、重金属离子等物质。污泥中有机物易腐烂并产生恶臭，容易孽生蚊蝇；氮、磷等营养物质在雨水的冲刷下会流入地表或者地下水体，造成水体污染；未处理或处理不达标的污泥用作农肥或填埋时，病原菌及寄生虫等进入土壤，并直接或间接的与人或动物接触，危害人体和牲畜健康；重金属离子和难降解的有毒有害物质容易渗滤出来或挥发，造成水体、土壤和空气的二次污染。
污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、无害化、稳定化和资源化。污泥的大部分有机物以固体形式存在，主要集中在微生物细胞内，由于微生物细胞壁(膜)的天然屏障作用，水解酶对有机物的水解速率很低，因此水解是污泥厌氧生化降解的控制步骤。水解速率缓慢致使厌氧消化水力停留时间很长，反应器体积太大。目前研究较多的污泥预处理技术有热水解预处理、机械破碎预处理、碱处理、超声波预处理、臭氧预处理、酶处理、微波预处理等。随着热水解技术的不断成熟和发展，现在热水解已经发展成一种高效的污泥预处理技术。
热水解是将待处理的污泥置于密闭容器罐中，在一定的温度和压力环境下使污泥中的部分细胞体受热膨胀而破裂，破坏微生物的细胞壁(膜)，将胞内蛋白质和胶质等有机物释放出来，促进有机物的溶解和水解：脂肪水解成甘油和脂肪酸；碳水化合物水解成小分子的多糖，甚至单糖；蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。污泥经过热水解预处理之后，污泥中的微生物絮体解体，微生物细胞破碎，细胞中的内含物释放并进一步水解，使得污泥厌氧消化的有机物去除率提高，甲烷产量增加，污泥的脱水性能改善。
威立雅研发的两种污泥热水解工艺，分别是序批式的Biothelys工艺和连续式的ExelysTM工艺，这两种工艺已有英国、法国、意大利等多国多座污水厂采用此工艺。CambiTM工艺是目前国际上应用业绩最多的热水解工艺，该反应器由浆化罐、热水解罐、卸压罐等三部分组成。相比Biothelys工艺，CambiTM工艺的反应罐气相空间比例较小，容积利用率更高；当处理同等规模的污泥时，CambiTM工艺的生产线数量较少，蒸汽耗量保证值更低。国内以清华大学为代表的多家单位也对热水解工艺进行了研究，但技术工艺目前并不成熟，特别是缺少用于污泥热水解处理的反应器。目前，急需研发拥有自主知识产权的用于污泥热水解处理的反应器。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种用于污泥热水解处理的旋流式反应器，该旋流式反应器由热耦合器1、温度计2、搅拌电机3、污泥进口4、空气阀门5、污泥出口6、冷凝管7、搅拌轴8、冷却水出口9、装填有铜基催化剂的多孔管10、冷却水进口11、反应器底座12、气体管13、污泥管14、搅拌叶片15、反应罐16组成。
反应罐16固定在反应器底座12上，反应罐16的底部为光滑半圆弧；搅拌电机3安装在反应罐16的上部中心位置，搅拌轴8与搅拌电机3相连，搅拌叶片15安装在搅拌轴8上；污泥进口4在搅拌电机3的右边，热耦合器1安装在搅拌电机3的左边；温度计2安装在热耦合器1和搅拌电机3之间；污泥出口6在污泥进口4的下方35cm处，污泥管14与污泥出口6相连；空气阀门5安装在污泥出口6的对立面，气体管13与空气阀门5相连；冷凝管7分布在反应罐16外壁的下半部，在冷凝管7的底部设置冷却水进口11，在冷凝管7的上部设置冷却水出口9；装填有铜基催化剂的多孔管10分布在反应罐16内壁的下半部。
其中，所述铜基催化剂由如下方法制备：
(1)将84.2克粒径为3-5mm的泡沫铜颗粒在500mL质量百分比浓度为40％的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A；
(2)将4.9克乙酰基乙酰对甲氧基苯胺和4.1克4-苯氧基苯磺酰氯加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液H；
(3)将物质A加入到混合液H中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质B；
(4)将4.7克1-环丙甲酰基哌嗪和3.2克2-溴甲基吡嗪加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J；
(5)将物质B加入到混合液J中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C1，将物质C1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质C；
(6)将2.8克3-氟-4-硝基苯胺和2.4克8-氨基异喹啉加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液K；
(7)将物质C加入到混合液K中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D；
(8)将7.8克2-羟基-5-甲基嘧啶和11.5克6,8-二氯-3-氰基色酮加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液L1、混合液L2、混合液L3、混合液L4、混合液L5；
(9)将7.4克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.8克丙烯酸甲酯加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M1；
(10)将物质D加入到混合液M1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D2；
(11)将7.0克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.4克丙烯酸甲酯加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M2；
(12)将物质D2加入到混合液M2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D4；
(13)将6.6克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.0克丙烯酸甲酯加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M3；
(14)将物质D4加入到混合液M3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D6；
(15)将6.2克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和5.6克丙烯酸甲酯加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M4；
(16)将物质D6加入到混合液M4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D7，将物质D7在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D8；
(17)将5.8克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和5.2克丙烯酸甲酯加入到混合液L5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M5；
(18)将物质D8加入到混合液M5中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D9，将物质D9在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E；
(19)将2.44克CoCl2、1.27克NiCl2和3.18克CeCl2加入到1500mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液N1、混合液N2、混合液N3、混合液N4、混合液N5；
(20)将1.92克二钼酸铵和3.29克硝酸锆加入到混合液N1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O1；
(21)将物质E加入到混合液O1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E1，物质E1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E2；
(22)将1.87克二钼酸铵和3.24克硝酸锆加入到混合液N2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O2；
(23)将物质E2加入到混合液O2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E3，物质E3在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E4；
(24)将1.82克二钼酸铵和3.19克硝酸锆加入到混合液N3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O3；
(25)将物质E4加入到混合液O3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E5，物质E5在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E6；
(26)将1.77克二钼酸铵和3.14克硝酸锆加入到混合液N4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O4；
(27)将物质E6加入到混合液O4中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E7，物质E7在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E8；
(28)将1.72克二钼酸铵和3.09克硝酸锆加入到混合液N5中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O5；
(29)将物质E8加入到混合液O5中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E9，物质E9在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到的物质即为铜基催化剂。
本实用新型的有益效果是，将本发明制备的旋流式反应器应用于污泥的热水解处理具有效率高、操作方便等优点。
附图说明
附图1是用于污泥热水解处理的旋流式反应器的示意图。附图1中1为热耦合器、2为温度计、3为搅拌电机、4为污泥进口、5为空气阀门、6为污泥出口、7为冷凝管、8为搅拌轴、9为冷却水出口、10为装填有铜基催化剂的多孔管、11为冷却水进口、12为反应器底座、13为气体管、14为污泥管、15为搅拌叶片、16为反应罐。
具体实施方式
实施例
(1)用于污泥热水解处理的旋流式反应器的制备过程如下：
用于污泥热水解处理的旋流式反应器由热耦合器、温度计、搅拌电机、污泥进口、空气阀门、污泥出口、冷凝管、搅拌轴、冷却水出口、装填有铜基催化剂的多孔管、冷却水进口、反应器底座、气体管、污泥管、搅拌叶片、反应罐组成。反应罐由不锈钢制成，罐身是高为2m、半径为0.8m的圆柱体，罐底和罐盖是弦为1.6m、拱为0.3m的弧状结构，反应罐固定反应器底座上。在反应罐的顶部中心位置装有搅拌电机，在搅拌电机的一侧安装热耦合器，在搅拌电机的另一侧设置污泥进口，在热耦合器和搅拌电机之间安装温度计；污泥进口为直径是40cm的不锈钢管；搅拌轴与搅拌电机相连并伸入罐内，搅拌轴的长度为1.7m，在搅拌轴下部的两侧各安装3个搅拌叶片，共计安装6个搅拌叶片；污泥出口在污泥进口的下方35cm处，空气阀门安装在污泥出口的对立面；污泥管和气体管的长度均为1.2m，半径均为20cm，污泥管与污泥出口相连，气体管与空气阀门相连；冷凝管为直径为20cm的塑料管，冷凝管分布在反应罐外壁的下半部，在反应罐底部的冷凝管上设置冷却水进口，在冷凝管侧壁的冷凝管上设置冷却水出口；装填有铜基催化剂的多孔管分布在反应罐内壁的下半部，多孔管是直径为20cm的不锈钢管，在管壁上布满孔径大小为2mm的小孔。
(2)铜基催化剂由如下方法制备：
1)将84.2克粒径为3-5mm的泡沫铜颗粒在500mL质量百分比浓度为40％的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A；
2)将4.9克乙酰基乙酰对甲氧基苯胺和4.1克4-苯氧基苯磺酰氯加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液H；
3)将物质A加入到混合液H中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质B；
4)将4.7克1-环丙甲酰基哌嗪和3.2克2-溴甲基吡嗪加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J；
5)将物质B加入到混合液J中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C1，将物质C1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质C；
6)将2.8克3-氟-4-硝基苯胺和2.4克8-氨基异喹啉加入到300mL无水乙醇中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液K；
7)将物质C加入到混合液K中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D；
8)将7.8克2-羟基-5-甲基嘧啶和11.5克6,8-二氯-3-氰基色酮加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液L1、混合液L2、混合液L3、混合液L4、混合液L5；
9)将7.4克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.8克丙烯酸甲酯加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M1；
10)将物质D加入到混合液M1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D2；
11)将7.0克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.4克丙烯酸甲酯加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M2；
12)将物质D2加入到混合液M2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D4；
13)将6.6克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和6.0克丙烯酸甲酯加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M3；
14)将物质D4加入到混合液M3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D6；
15)将6.2克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和5.6克丙烯酸甲酯加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M4；
16)将物质D6加入到混合液M4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D7，将物质D7在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质D8；
17)将5.8克5-氯吡嗪-2-羧酸甲酯和5.2克丙烯酸甲酯加入到混合液L5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M5；
18)将物质D8加入到混合液M5中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D9，将物质D9在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E；
19)将2.44克CoCl2、1.27克NiCl2和3.18克CeCl2加入到1500mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液N1、混合液N2、混合液N3、混合液N4、混合液N5；
20)将1.92克二钼酸铵和3.29克硝酸锆加入到混合液N1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O1；
21)将物质E加入到混合液O1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E1，物质E1在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E2；
22)将1.87克二钼酸铵和3.24克硝酸锆加入到混合液N2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O2；
23)将物质E2加入到混合液O2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E3，物质E3在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E4；
24)将1.82克二钼酸铵和3.19克硝酸锆加入到混合液N3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O3；
25)将物质E4加入到混合液O3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E5，物质E5在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E6；
26)将1.77克二钼酸铵和3.14克硝酸锆加入到混合液N4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O4；
27)将物质E6加入到混合液O4中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E7，物质E7在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到物质E8；
28)将1.72克二钼酸铵和3.09克硝酸锆加入到混合液N5中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液O5；
29)将物质E8加入到混合液O5中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质E9，物质E9在65℃的干燥箱中放置140分钟，得到的物质即为铜基催化剂。
(3)用于污泥热水解处理的旋流式反应器的应用
运用本实用新型得到的旋流式反应器进行了污泥热水解处理试验，结果表明污泥经该反应器进行热水解处理后污泥破解度、溶解性蛋白质浓度和多糖浓度分别提高了31％、27％和33％。