申請日2015.07.19

　　公開(公告)日2017.05.24

　　IPC分類號C02F11/00; C02F11/02; C02F11/12; C02F9/14

　　摘要

　　一種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(jìn)行曝氣水解消化反應(yīng)6d，得水解消化產(chǎn)物;然后進(jìn)入離心機(jī)作固液分離得水解液和泥餅;水解液進(jìn)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(jìn)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?xì)忮仩t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。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種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(jìn)入曝氣水解 消化反應(yīng)器中進(jìn)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(jìn)入離心分離因素 1800～2200的臥式螺桿卸料離心機(jī)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(jìn)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(jìn)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?xì)忮仩t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%，然后在臥式空心槳葉干燥 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;臥式空心槳葉干燥 器產(chǎn)生的二次蒸汽由循環(huán)空氣帶出，先進(jìn)入換熱器B將水解液加熱到40～45℃， 然后再進(jìn)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(bǔ)充等量新鮮空氣，然后再返回臥式空心槳 葉干燥器循環(huán);排出的尾氣與沼氣燃燒所需的空氣一起進(jìn)入燃?xì)忮仩t，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(jìn)入曝氣水解消化反應(yīng)器中進(jìn)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所述的污水處理廠污泥分相消化方法，其特征在于：泥 餅在臥式空心槳葉干燥器中用鍋爐生產(chǎn)的蒸汽加熱干燥是用表壓壓強(qiáng)為 200～250kPa，溫度140℃～150℃的過熱蒸汽，在臥式空心槳葉干燥器的夾套和空 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。

　　說明書

　　一種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(jī)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(zhǔn)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(dá)國家的應(yīng)用率達(dá)到 50%以上。污泥厭氧消化可以通過降解污泥有機(jī)物直接對污泥進(jìn)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(jìn)行高溫厭氧消化后，可直接達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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 PROCESS COMPARISON”.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粒化污泥等優(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 STUDIES SIM[ULATING POTENTIAL PHOSPHORUS RELEASE FROM MUNICIPAL SEWAGE.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(jì)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(jī)碳轉(zhuǎn)化為沼氣的轉(zhuǎn)化率。

　　為了達(dá)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(jìn)行：第一段是從污水廠污泥濃縮池排出 的濃縮污泥先進(jìn)入曝氣水解消化反應(yīng)器進(jìn)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(jìn)入填料式甲烷化反應(yīng)床進(jìn)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(jìn)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(jìn)入曝氣水解消化反應(yīng)器中水解消化;曝氣水解消化反應(yīng)器主體為 2個直徑不同的同心圓筒，內(nèi)筒下部設(shè)有微孔曝氣管，運(yùn)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(jī) 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(jìn)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(jìn)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(jìn)入燃?xì)忮仩t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(jìn) 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(jìn)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?xì)忮仩t生產(chǎn)的壓強(qiáng)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(jìn)入換熱器B將水解液加熱到40～45℃后，再進(jìn)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(bǔ)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(jìn)入燃?xì)忮仩t，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)凉げ迹�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(jìn)口和沼氣收集口，側(cè)壁按上進(jìn)、下 出方式設(shè)2個液體進(jìn)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水解消化反應(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(jìn)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)平行安裝微孔曝氣管，各微孔曝 氣管間隔8～15cm，使污泥能在其間流動;運(yùn)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(diǎn)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(jī)碳的氣相(沼氣) 轉(zhuǎn)化率平均達(dá)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 制曝氣量，減少了有機(jī)物好氧轉(zhuǎn)化為CO2和H2O的比例，污泥水解溶出的有機(jī) 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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)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(jī)物水解溶出率平均達(dá)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(jī)物沼氣轉(zhuǎn)化率達(dá)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。