專利名稱：污水處理廠污泥分相消化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
污水處理廠污泥分相消化方法，涉及一種污水處理廠污泥處理與資源化利用技術(shù)，屬污水廠污泥廢棄物污染控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用好氧生物處理工藝的污水處理廠，污泥是不可避免的二次污染物。城市污水處理廠物料平衡測試結(jié)果表明，污水廠水處理工序中去除的70％以上有機物富集于污泥之中。因此，“減量化、無害化、資源化”是污水處理廠污泥管理的原則，也是其處理技術(shù)發(fā)展與選擇所遵循的基本準則。目前，符合污水處理廠污泥管理原則的污泥厭氧消化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其中發(fā)達國家的應(yīng)用率達到50％以上。污泥厭氧消化可以通過降解污泥有機物直接對污泥進行減量，同時也有助于改善污泥的可脫水性，間接地有利于污泥的脫水減量處理和無害化(污泥在50～55℃進行高溫厭氧消化后，可直接達到衛(wèi)生無害化的要求，即使是32～38℃中溫厭氧消化也有利于抑制和減少污泥中的致病菌數(shù)量)。污泥厭氧消化可產(chǎn)生沼氣，提供了能源回收利用的可能，同時厭氧消化后，有機物被生物穩(wěn)定化處理后的污泥還可作土地利用，實現(xiàn)植物營養(yǎng)元素和有機物還田。
盡管如此，污泥厭氧消化技術(shù)仍面臨兩方面的基本問題，一是提高厭氧消化過程的有機物轉(zhuǎn)化率，這與污泥消化處理的減量化、無害化水平及能源回收效率均有很大的相關(guān)性；二是控制污泥厭氧消化過程中磷的溶出。
對于上述厭氧消化面臨的第一個問題，目前的主要方法是發(fā)展二階段污泥厭氧消化，即從厭氧消化的原理出發(fā)，優(yōu)化消化的環(huán)境和微生物相。在環(huán)境優(yōu)化方面，基于有機物厭氧消化由水解酸化、乙酸化產(chǎn)氫和甲烷化3個基本步驟組成，且水解酸化微生物與乙酸化和甲烷化微生物的代謝優(yōu)化環(huán)境條件不同，將污泥消化分為水解和甲烷化2個階段，在控制不同環(huán)境條件的反應(yīng)器中完成，可使參與污泥厭氧消化的不同微生物菌群的代謝環(huán)境條件均能得到優(yōu)化(“TWO-PHASE，TWO-STAGE，AND SINGLE-STAGE ANAEROBIC PROCESSCOMPARISON”.Azbar N，Speece R E.Journal of Environmental Engineering，127(3)240-248，2001)。而對于消化的微生物相優(yōu)化，由于，目前的污泥二階段消化均采用固液混合方式，因此，只能采用部分消化污泥循環(huán)接種的方式，對消化微生物作出調(diào)整。而更為有效的微生物固定化或顆?；勰嗟葍?yōu)化厭氧降解微生物相的方法無法實施。
對于第二個厭氧消化中的磷釋放問題，為了控制水體富營養(yǎng)化，污水處理中除磷脫氮去除植物營養(yǎng)元素的操作逐漸普及，很多污水廠的除磷采用生物工藝，而除磷微生物的生物特征是好氧聚磷、厭氧釋磷(見高廷耀、顧國維，“水污染控制工程(下冊)”，第二版。高等教育出版社，北京，1999)。因此，在傳統(tǒng)的厭氧消化中，污泥中的磷必然將大量釋放(EXPERIMENTAL STUDIESSIMULATING POTENTIAL PHOSPHORUS RELEASE FROM MUNICIPALSEWAGE.Rydin E，Wat.Res.30(7)1695-1701，1996)，并隨消化出水回流至污水處理廠，使得從污水中分離的磷重新返回污水中，導(dǎo)致污水處理中的除磷無法取得實際效果。要控制污泥厭氧消化過程中磷的溶出，必須要保持消化環(huán)境的有氧狀態(tài)，這與厭氧消化菌群的生理特征沖突。因此，目前在污泥厭氧消化的框架內(nèi)，尚缺乏解決方案，為了避免污泥消化中的磷釋放問題，只能改用好氧消化或不采用消化技術(shù)，但是污泥好氧消化對于處理容量大于5萬m3/d的污水廠，其經(jīng)濟性明顯劣于厭氧消化。而不采用消化技術(shù)，在采用同樣的脫水技術(shù)條件下，污泥的脫水效果明顯下降，不利于污泥的減量化?？傊?，目前還沒有方法解決污泥厭氧消化中普遍存在的這些技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種污水處理廠污泥厭氧消化技術(shù)，采用該技術(shù)能優(yōu)化微生物代謝環(huán)境，從而抑制了污泥中磷的釋放、降低了污泥的含水率，提高了有機碳轉(zhuǎn)化為沼氣的轉(zhuǎn)化率。
為了達到上述目的，本發(fā)明按污泥消化的水解和甲烷化微生物菌群代謝特征，確定了污泥消化的基本流程分二段進行第一段是從污水廠污泥濃縮池排出的濃縮污泥先進入曝氣水解消化反應(yīng)器進行曝氣水解消化，控制反應(yīng)器中溶解氧濃度須大于1.5mg/L，使污泥磷釋放率小于80％；第二段是固液分離得到的水解液再進入填料式甲烷化反應(yīng)床進行甲烷化消化產(chǎn)生沼氣；而分離得到的污泥泥餅則利用沼氣進行熱干燥后作土地利用。
具體步驟如下第一步濃縮預(yù)處理后的污水處理廠污泥，先通過換熱器A加熱至35℃～40℃后進入曝氣反應(yīng)器中水解消化；曝氣反應(yīng)器主體為2個直徑不同的同心圓筒，內(nèi)筒下部設(shè)有曝氣管，運行時，內(nèi)筒中的污泥與曝氣釋放的氣泡混合，使其表觀密度低于內(nèi)、外筒環(huán)隙內(nèi)的污泥，由此，可使反應(yīng)器內(nèi)的污泥，在環(huán)隙和內(nèi)筒間形成持續(xù)的流動，保證消化傳質(zhì)條件。通過控制曝氣的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平，同時pH控制在5.5～6.0，反應(yīng)器內(nèi)溫度維持在30℃～35℃，消化水力停留時間6d，即獲得水解消化產(chǎn)物；第二步水解消化產(chǎn)物采用離心分離因素1800～2200的臥式螺桿卸料離心機作固液分離，得水解液和泥餅；第三步水解液通過換熱器B加熱40～45℃進入填料式甲烷化反應(yīng)床，在外接的離心式泥漿泵驅(qū)動下，以0.005-0.02m/s循環(huán)流速在填料式甲烷化反應(yīng)床中循環(huán)，反應(yīng)溫度為32～38℃，進行甲烷化消化產(chǎn)生沼氣和消化出水；通過離心式泥漿泵出口的一個三通閥，將消化出水排出甲烷化反應(yīng)床，并通過調(diào)節(jié)三通閥的開度，控制排液流量，使水解液在該反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時間為3d。沼氣收集后進入燃氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽，消化出水回流至污水處理廠配水井，部分消化出水進入曝氣水解消化反應(yīng)器中，使曝氣水解消化反應(yīng)時pH控制在5.5～6.0。
第四步先將泥餅與干燥污泥攪拌混合至含水率在50％～60％范圍，再進入工業(yè)用臥式空心槳葉干燥器中干燥至含水率32％～38％，干燥用的熱源為污泥甲烷化產(chǎn)生的沼氣在燃氣鍋爐生產(chǎn)的壓強200～250kPa(表壓)，溫度140℃～150℃的過熱蒸汽，蒸汽在干燥器的夾套和空心軸中流動，以間接加熱方式對干燥過程供熱完成泥餅加熱干燥，成為干化污泥作土地利用；干燥器干燥污泥產(chǎn)生的二次蒸汽由循環(huán)空氣帶出，先進入換熱器B將水解液加熱到40～45℃后，再進入換熱器A將濃縮預(yù)處理后的污泥加熱到35～40℃，換熱器A出來的尾氣通過分流閥，排除氣量的1/10，排除尾氣的同時補充等量新鮮空氣，然后再返回干燥器循環(huán)；排出的尾氣與沼氣燃燒所需的空氣一起進入燃氣鍋爐，燃燒脫臭后，通過煙道排除。二次蒸汽在兩個換熱器中冷凝成的冷凝液回流至污水廠配水井。
所述的第三步的填料式甲烷化反應(yīng)床，其圓筒體中部的高度為直徑的3～6倍，圓筒體中部內(nèi)懸垂吊掛聚酯無紡?fù)凉げ?，作為甲烷化消化微生物的附著生長填料載體，土工布規(guī)格400g/m2，裁成5cm寬長條后吊掛使用，土工布吊掛密度250～400條/m2。土工布懸掛空間下部設(shè)0.3m厚的碎石填充層，碎石級配粒徑5-20mm。反應(yīng)床頂部設(shè)離心分離的水解液進口和沼氣收集口，側(cè)壁按上進、下出方式設(shè)2個液體進出口，并與離心式泥漿泵連接，驅(qū)動液體在填料床中由上至下流動。
所述的第一步的污泥在曝氣反應(yīng)器中水解消化，所用的反應(yīng)器由內(nèi)、外同心圓筒組成，內(nèi)、外筒直徑比控制在1∶(1.4～1.6)，外筒的直徑與高度比值為1∶(3～5)，外筒為密閉結(jié)構(gòu)，下部設(shè)污泥進口，上部設(shè)溢流式污泥出口，頂部設(shè)氣體釋放口；內(nèi)筒上下兩端敞開，下端截面內(nèi)平行安裝微孔曝氣釋放管，各釋放管間隔8～15cm，使污泥能在其間流動；運行時，內(nèi)筒中的污泥與曝氣釋放的氣泡混合，使其表觀密度低于內(nèi)、外筒環(huán)隙內(nèi)的污泥，使反應(yīng)器內(nèi)的污泥在環(huán)隙和內(nèi)筒間形成持續(xù)的流動，保證消化傳質(zhì)條件；反應(yīng)器環(huán)隙內(nèi)設(shè)置2～3個溶解氧和pH探頭，持續(xù)測試污泥的溶解氧濃度和pH。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明將污泥的消化過程分為兩段，一段為低氧的水解消化，一段為厭氧的甲烷化消化，能優(yōu)化2類消化微生物的代謝條件，使水解消化后離心分離的泥餅含水率平均為76.5％(值域73％～79％)，甲烷化后有機碳的氣相(沼氣)轉(zhuǎn)化率平均達到了93％(值域89％～95％)。
2.水解菌群大部分為兼性微生物，曝氣水解不影響其代謝活性，本發(fā)明控制控制曝氣量，減少了有機物好氧轉(zhuǎn)化為CO2和H2O的比例，污泥水解溶出的有機碳的氣相轉(zhuǎn)化率降低至平均為6％(值域4％～10％)，因此，保證了后續(xù)的液相甲烷化有足夠的基質(zhì)，使沼氣轉(zhuǎn)化率達到93％。
3.本發(fā)明污泥在水解段消化后即與液相分離，不經(jīng)歷厭氧條件，其低氧的水解環(huán)境條件抑制了污泥中磷的釋放，消化全過程中磷的釋放小于20％，與常規(guī)的厭氧消化中磷的釋放率達60％相比，有效減輕了磷回流對污水廠除磷效果的影響。
4.本發(fā)明從全過程能量平衡的要求出發(fā)，兩段消化(污泥水解和甲烷化)均采用中溫(30℃～38℃)，既保證了泥餅達到土地利用的衛(wèi)生無害化要求(通過后續(xù)熱干燥殺滅致病菌)，又利用甲烷化產(chǎn)生的沼氣對泥餅進行熱干燥處理，實現(xiàn)污泥植物營養(yǎng)元素的還田。
5.由于本發(fā)明污泥曝氣水解消化的溶解氧控制在1.5～2.0mg/L，消化時間為6d，即使污泥中有機物水解溶出率平均達到40.8％(值域38％～44％)，且污泥中的顆粒物在水解段消化后已與液相分離，提供了采用填料式甲烷化反應(yīng)床作甲烷化轉(zhuǎn)化的條件，填料附著生長保證了甲烷化微生物的優(yōu)化，因此，水解液中有機物沼氣轉(zhuǎn)化率達93％，能量回收率較高。
6.本發(fā)明利用甲烷化產(chǎn)生的沼氣生產(chǎn)蒸汽，蒸汽干化水解后分離的泥餅，二次蒸汽再加熱水解液和濃縮污泥，尾氣通過鍋爐燃燒脫臭排放，實現(xiàn)了能量綜合利用。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明的曝氣水解消化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的填料式甲烷化反應(yīng)床結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-污泥進口，2-液面，3-外筒，4-內(nèi)筒，5-微孔曝氣管，6-排空口，7-污泥出口，8-除沫器，9-排氣口，10-水解液進口，11-懸垂填料吊架，12-反應(yīng)器壁，13-懸垂填料，14-碎石填料，15-排空管，16-循環(huán)管，17-離心式泥漿泵，18-消化出水排出口，19-排出流量控制三通閥，20-沼氣收集口。
具體實施例方式
下面以污泥干固體產(chǎn)生量為20t/d的污水處理廠(相當(dāng)于日處理污水10萬m3的污水處理容量)為例，結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的具體實施方式
。
請參閱圖1、2和3。
污泥干固體產(chǎn)生量為20t/d的污水處理廠濃縮污泥量約400m3/d(含水率95％)，濃縮污泥首先在換熱器A中與通過換熱器B的來自空心槳葉干燥器的二次蒸汽進行間壁式換熱，升溫至35℃～40℃，再進入曝氣水解消化反應(yīng)器中，進行水解消化；曝氣水解消化反應(yīng)器主體為2個直徑不同的同心圓筒，外筒3為密閉結(jié)構(gòu)，上部一側(cè)設(shè)污泥進口1，上部另一側(cè)設(shè)溢流式污泥出口7，頂部設(shè)釋放氣體的排氣口9；內(nèi)筒4上下兩端敞開，下端截面內(nèi)平行安裝微孔曝氣管5，每個曝氣反應(yīng)器外筒3的內(nèi)徑為5m，高20m、操作時實際液深18m，為使消化水力停留時間達到6d，采用7個相同的反應(yīng)器平行操作；內(nèi)筒4直徑為3.2m，高15m，上、下分別距外筒3實際液面和底面均為1.5m，同心安裝于外筒3內(nèi)，內(nèi)筒4底部截面處，每間隔15cm平行安裝19條長度與底部截面相對應(yīng)的微孔曝氣管5。運行時，連接羅茨風(fēng)機進行曝氣，使內(nèi)筒4中的流體(污泥)與曝氣釋放的氣泡混合，致其表觀密度低于內(nèi)、外筒環(huán)隙內(nèi)的流體，使反應(yīng)器內(nèi)的流體(污泥)在環(huán)隙和內(nèi)筒間形成持續(xù)的流動，保證消化傳質(zhì)條件。反應(yīng)器環(huán)隙內(nèi)中間截面均勻設(shè)置測試溶解氧和pH探頭各2個，持續(xù)測試污泥的溶解氧濃度和pH，通過控制曝氣的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平；同時，通過回流部分甲烷化消化出水控制pH在5.5～6.0的水平。
水解消化完成的產(chǎn)物采用臥式螺桿卸料離心機作固液分離，將污泥分離為泥餅和水解液。離心機筒體直徑0.45m、長徑比3.3，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘(離心分離因素約2000)，單臺分離消化產(chǎn)物流量20m3/h，配置2臺。
離心機排出的水解液，流量約330 m3/d，首先在換熱器B中與來自空心槳葉干燥器的二次蒸汽進行間壁式換熱，升溫至40℃～45℃，再進入填料式甲烷化反應(yīng)床中進行甲烷化消化。填料式甲烷化反應(yīng)床為圓筒體，內(nèi)徑6m，高23m，筒內(nèi)頂面下2m設(shè)懸垂填料吊架11，懸垂吊掛聚酯無紡?fù)凉げ甲鳛榧淄榛⑸锏母街L載體-懸垂填料13，土工布規(guī)格400g/m2，每條寬5cm、長度15m，垂直方向間隔3m設(shè)懸垂填料固定架穩(wěn)定土工布，土工布在反應(yīng)床中均勻分布，吊掛數(shù)量8500條；土工布懸掛空間下部設(shè)0.3m厚的碎石填料14，碎石級配粒徑5～20mm；反應(yīng)床頂部設(shè)離心分離的水解液進口10和沼氣收集口20，側(cè)壁按上進、下出方式設(shè)2個液體進出口，通過循環(huán)管16與離心式泥漿泵17連接，驅(qū)動水解液在反應(yīng)床內(nèi)由上至下流動，泥漿泵17流量1200m3/h，水頭25m；泥漿泵17出口另設(shè)一個排出流量控制三通閥19，使消化完成的消化出水通過消化出水排出口18排出。甲烷化消化產(chǎn)生的沼氣收集后去燃氣鍋爐，甲烷消化出水回流至污水處理廠配水井。
收集的沼氣通過氣體燃燒鍋爐產(chǎn)生壓強200～250kPa(表壓)，溫度140℃～150℃的過熱蒸汽。
污泥固液分離產(chǎn)生的泥餅約36t/d，先與干燥污泥攪拌混合，至混合污泥含水率在50％～60％范圍，混合污泥量約77t/d，再進入工業(yè)用臥式空心槳葉干燥器中干燥，沼氣燃燒產(chǎn)生的過熱蒸汽在干燥器的夾套和空心軸中流動，以間接加熱方式為干燥過程供熱。干燥器直徑1.2m、長度8m，操作時物料充滿度0.5，干燥時間1.5h，單臺處理能力約4t/h，共配置4臺；污泥干燥產(chǎn)生的二次蒸汽由流量15000m3/h的循環(huán)空氣帶出，循環(huán)空氣先通過換熱器B，再經(jīng)過換熱器A依次加熱進入填料式甲烷化反應(yīng)床的水解液和進入曝氣水解消化反應(yīng)器的濃縮污泥，并使其中的蒸汽冷凝排出，冷凝液回流至污水廠配水井。換熱器出來的尾氣通過分流閥排除氣量的1/10，排除尾氣的同時補充等量新鮮空氣，然后再返回干燥器循環(huán)；排出的尾氣與沼氣燃燒所需的空氣一起進入燃氣鍋爐，燃燒脫臭后，通過煙道排除。干燥產(chǎn)生的干化污泥即可作土地利用。
本發(fā)明對實施例進行計算驗證發(fā)現(xiàn)，每1kg含有機物65％的干污泥，消化后可回收沼氣(體積比CH465％、CO235％)0.22m3，其所含熱值為5.72MJ，可加熱干燥蒸發(fā)掉污泥脫水泥餅中2.04kg的水量(熱干燥時，每kg水分蒸發(fā)的平均消耗燃料能量2.8MJ)；而以1kg干污泥計，其消化后的干固體體重734.8g，換算為含水率76.5％的泥餅重量為3126.8g，泥餅含水2392g，蒸發(fā)2040g后，剩余352g，則干燥后干化污泥含水率32.4％，可以滿足土地利用的貯存與運輸要求。
權(quán)利要求
1.污水處理廠污泥分相消化方法，其特征在于先將濃縮預(yù)處理后的污泥通過換熱器A加熱至35℃～40℃后進入曝氣水解消化反應(yīng)器中進行曝氣水解消化反應(yīng)，通過控制曝氣的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平，同時pH控制在5.5～6.0，反應(yīng)器內(nèi)溫度維持在30℃～35℃，消化水力停留時間6d，即獲得水解消化產(chǎn)物；水解消化產(chǎn)物進入離心分離因素1800～2200的臥式螺桿卸料離心機作固液分離得水解液和泥餅；水解液通過換熱器B加熱至40～45℃進入填料式甲烷化反應(yīng)床，在循環(huán)流速為0.005～0.02m/s，反應(yīng)溫度為32～38℃條件下，進行水力停留時間為3d的甲烷化消化產(chǎn)生沼氣和消化出水，沼氣收集后在燃氣鍋爐中生產(chǎn)蒸汽，消化出水回流至污水處理廠配水井；泥餅先與干燥污泥攪拌混合至含水率為50～60％，然后在干燥器中用鍋爐生產(chǎn)的蒸汽加熱干燥，成為干化污泥作土地利用；干燥器產(chǎn)生的二次蒸汽由循環(huán)空氣帶出，先進入換熱器B將水解液加熱到40～45℃，然后再進入換熱器A將污泥加熱到35～40℃，換熱器A出來的尾氣通過分流閥排除氣量的1/10，排除尾氣的同時補充等量新鮮空氣，然后再返回干燥器循環(huán)；排出的尾氣與沼氣燃燒所需的空氣一起進入燃氣鍋爐，燃燒脫臭后，通過煙道排除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理廠污泥分相消化方法，其特征在于所述的進入曝氣水解消化反應(yīng)器中進行曝氣水解消化反應(yīng)時pH控制在5.5～6.0是通過回流一部分甲烷化產(chǎn)生的消化出水實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水處理廠污泥分相消化方法，其特征在于泥餅在干燥器中用鍋爐生產(chǎn)的蒸汽加熱干燥是用壓強為200～250kPa(表壓)，溫度140℃～150℃的過熱蒸汽，在干燥器的夾套和空心軸中流動，間接加熱方式將污泥干燥至含水率為32～38％的干化污泥的。
全文摘要
污水處理廠污泥分相消化方法，涉及一種污泥處理與資源化利用技術(shù)。先將污泥在溶解氧為1.5～2mg/L，pH＝5.5～6.0，溫度為30～35℃下進行曝氣水解消化反應(yīng)6d，得水解消化產(chǎn)物；然后進入離心機作固液分離得水解液和泥餅；水解液進入填料式甲烷化反應(yīng)床，在溫度為32～38℃，循環(huán)流速為0.005～0.02m/s下，進行水力停留時間為3d的甲烷化消化產(chǎn)生沼氣和消化出水，沼氣去燃氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽，消化出水回流至污水處理廠配水井；泥餅先與干燥污泥混合至含水率為50～60％，然后在干燥器中用鍋爐生產(chǎn)的蒸汽加熱干燥至含水率為32～38％的干化污泥，作土地利用。本發(fā)明的兩段消化優(yōu)化了兩類消化微生物的代謝條件，抑制了污泥中磷的釋放，降低了泥餅含水率，提高了沼氣轉(zhuǎn)化率及能量的有效利用，保證了干化污泥的無害化。
文檔編號C02F11/12GK101041542SQ20071003781
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月5日
發(fā)明者何品晶, 邵立明, 呂凡, 章驊 申請人:同濟大學(xué)