申請日2014.04.23
公開(公告)日2015.01.28
IPC分類號C02F3/34; C02F11/12
摘要
本發(fā)明提供了一種用于使用通過混合污泥與高濃度有機(jī)廢水引起的生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行處理的方法。污泥是經(jīng)生物干燥的污泥，其通過包括以下步驟的方法來制備：制備由經(jīng)帶壓的污泥和經(jīng)干燥的污泥組成的污泥混合物;和收集最后在室溫穩(wěn)定的污泥混合物。高濃度有機(jī)廢水包含被粉碎為直徑小于1mm的細(xì)顆粒的食品廢棄物。污泥中包含的微生物分解有機(jī)物質(zhì)，產(chǎn)生蒸發(fā)水的代謝熱。在這種情況下，微生物的代謝為需氧代謝。
權(quán)利要求書
1.一種用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零排放處理的方法， 其中通過混合污泥與高濃度有機(jī)廢水來進(jìn)行所述處理。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述污泥為經(jīng)生物干燥的污泥。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述經(jīng)生物干燥的污泥具有55重量% 至70重量%的含水量。
4.權(quán)利要求2所述的方法，其中通過包括以下步驟的方法制備所述經(jīng) 生物干燥的污泥：
制備由經(jīng)帶壓的污泥和經(jīng)干燥的污泥組成的污泥混合物;和
當(dāng)污泥混合物的溫度穩(wěn)定至室溫時，收集所述污泥混合物。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述污泥混合物具有55重量%至70重 量%的含水量。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高濃度有機(jī)廢水具有120g/L或更高 的揮發(fā)性固體濃度。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高濃度有機(jī)廢水是包含食品廢棄物 的廢水。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述食品廢棄物是具有1mm或更小的直 徑的經(jīng)粉碎的小顆粒的形式。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中通過以下步驟進(jìn)行所述處理：利用所 述污泥中包含的微生物通過代謝來分解揮發(fā)性固體，然后通過由分解所述 揮發(fā)性固體產(chǎn)生的代謝熱使水蒸發(fā)。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述污泥是污水污泥，所述微生物是 所述污水污泥中存在的那些微生物。
11.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述代謝是需氧代謝。
12.權(quán)利要求1所述的方法，其中在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行所述處理。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中通過絕熱材料使所述反應(yīng)器與外部 絕熱。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中向所述反應(yīng)器供給空氣。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中除去所述空氣的水分。
16.權(quán)利要求14所述的方法，其中以0.03m3/kgTS·小時至0.2m3/kgTS·小 時的速率供給所述空氣。
17.權(quán)利要求1所述的方法，其中在攪拌所述污泥與高濃度有機(jī)廢水的 混合物時進(jìn)行所述處理。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)行所述處理，直到所述污泥與高濃 度有機(jī)廢水的混合物的溫度在因代謝熱而升高后回到室溫而變得穩(wěn)定。
說明書
用于利用生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零排放處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及一種用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零排放 處理的方法，更具體地，涉及一種用于通過混合污泥與高濃度有機(jī)廢水憑 借生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)污水進(jìn)行零排放處理的方法。
背景技術(shù)
如本領(lǐng)域中眾所周知的，從食品、皮革、化學(xué)品和造紙工業(yè)排放的廢 水一般包含高濃度有機(jī)物質(zhì)。高濃度有機(jī)廢水通常通過產(chǎn)生黏液、增加排 水區(qū)域中有毒物質(zhì)的濃度而由此嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)系統(tǒng)來破壞環(huán)境 的美好。此外，高濃度有機(jī)廢水是堵塞廢水管道的主要原因之一。
常規(guī)的活性污泥處理方法簡單且成本效益好，因此已經(jīng)被廣泛用于處 理各種類型的廢水。然而，活性污泥處理方法具有以下缺點：其處理限于 低濃度有機(jī)廢水，即使使用恰當(dāng)改造的微生物也是如此。相應(yīng)地，厭氧生 物學(xué)處理如厭氧消化已經(jīng)被廣泛地用于處理高濃度有機(jī)廢水。然而，厭氧 消化還有以下缺點：該方法需要至少8至12周的啟動時間，產(chǎn)甲烷菌易受 各種毒性物質(zhì)傷害，在厭氧消化過程中通常存在控制問題等。另外，厭氧 消化產(chǎn)生厭氧污泥和廢水，而由于高含量的生化需氧量(BOD)、懸浮固體 (SS)、總氮(TN)、總磷(TP)和其中包含的其他經(jīng)還原的物質(zhì)，該廢水 需要另外的處理。
已知一種改善的厭氧處理如升流式厭氧污泥床(UASB)對處理具有高 BOD的廢水有效。然而，該方法還具有以下缺點：在有限水解作用條件下 的高固體含量延遲污泥形成，因此嚴(yán)重地抑制了微生物代謝。
由于在有機(jī)物質(zhì)的需氧分解期間產(chǎn)生的熱量，自熱式高溫好氧消化 (ATAD)工藝可以維持50℃至60℃的高溫。由于高溫，ATAD工藝可以 使揮發(fā)性固體(下文中稱為“VS”)的含量減少35%至45%，并且還在3至 6天的短期水力停留時間(HRT)內(nèi)降低廢水的BOD。另外，因為ATAD 工藝使得能夠通過高溫進(jìn)行巴氏殺菌，所以其可以產(chǎn)生等級A的生物固體。 然而，ATAD工藝具有缺點，如與用于脫水污泥的聚合物和曝氣有關(guān)的供電 所需要的高費用。
膜分離工藝如反滲透、超濾和微過濾根據(jù)膜的孔徑將水與污染物分離， 而經(jīng)濃縮的廢水會作為副產(chǎn)物留下。然而，高濃度廢水需要大量的能量用 于執(zhí)行工藝，因此，難以通過膜分離工藝獲得潔凈的水。
為了解決上述問題，可以蒸發(fā)廢水代替獲得清潔水。如果可以用最少 的能量消耗除去廢水中存在的水和有機(jī)物質(zhì)，則該方法會是處理廢水而不 產(chǎn)生排放的最理想途徑。
本文中所使用的術(shù)語“蒸發(fā)”指的是將水從液體轉(zhuǎn)變成氣體的過程。另 外，本文中所使用的術(shù)語“蒸發(fā)熱”指的是在物質(zhì)從液體到氣體的轉(zhuǎn)變期間， 每單位質(zhì)量的物質(zhì)的熱吸收量。水蒸發(fā)的熱量受大氣壓力下水表面的水分 子擴(kuò)散以及水表面的水分子對流傳輸影響。水蒸汽的擴(kuò)散速率是由水的飽 和蒸汽壓與水的實際蒸汽壓之差確定的。此外，水的飽和蒸汽壓是根據(jù)水 表面的溫度和大氣溫度確定的。
本文中所使用的術(shù)語“熱力干燥”指的是通過連續(xù)地向濕的廢棄物提供 用燃料產(chǎn)生的熱來從濕的廢棄物中蒸發(fā)水的方法。熱力干燥是用于處理濕 的廢棄物的常用方法之一。在此，濕的廢棄物被干燥，直至它們達(dá)到預(yù)定 的含水量(MC)。因為關(guān)于燃料消耗的經(jīng)濟(jì)不可行性，所以實際上不可能 蒸發(fā)濕的廢棄物中包含的所有水分。然而，在不需要消耗昂貴燃料的熱供 應(yīng)的情況下，熱力干燥可以用作用于處理廢水的方法之一。
本文中所使用的術(shù)語“代謝熱”指的是在微生物代謝期間所產(chǎn)生的熱，其 中用于給定微生物的培養(yǎng)條件中底物的濃度越高，其產(chǎn)生的代謝熱的量越 大。在需氧代謝與厭氧代謝之間所產(chǎn)生能量的量之間存在區(qū)別。在厭氧代 謝中，每摩爾葡萄糖產(chǎn)生2摩爾ATP，而在需氧代謝中每摩爾葡萄糖產(chǎn)生38 摩爾ATP。相應(yīng)地，通過需氧代謝的給定微生物的耗氧量越大，微生物的活 性和產(chǎn)熱率越高。
在微生物生長期間所產(chǎn)生的代謝熱可以通過底物和細(xì)胞物質(zhì)的燃燒熱 來計算。這是因為底物的燃燒熱與由微生物產(chǎn)生的代謝熱和由細(xì)胞物質(zhì)新 合成的燃燒熱的總量相同。如果維持代謝存在而沒有新的合成，則底物的 燃燒熱可以以代謝熱的形式被100%釋放。
在進(jìn)行堆肥和生物干燥的過程中，由生物可降解的揮發(fā)性固體(下文 中稱為“BVS”)的生物氧化所產(chǎn)生的熱會升高環(huán)境溫度，并引起水蒸發(fā)。另 外，在ATAD工藝中，已知代謝熱為能夠?qū)⒎磻?yīng)器維持在高溫下的因素之一。 此外，在堆肥過程期間觀察到的溫度升高也是由有機(jī)物質(zhì)通過微生物分解 期間所產(chǎn)生的代謝熱引起的。將在聯(lián)合堆肥過程期間所產(chǎn)生的廢水與肥料 混合以控制含水量并提供生物可降解的有機(jī)物質(zhì)。進(jìn)行該過程主要為了穩(wěn) 定固體廢棄物而不是蒸發(fā)廢水。
發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明是在考慮到現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題的情況下做出 的，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種用于對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零排放 處理的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水 進(jìn)行零排放處理的方法。
本發(fā)明的又一個目的是提供用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行 零排放處理的方法，其中所述生物蒸發(fā)是由混合污泥與高濃度有機(jī)廢水引 起的。
本發(fā)明的再一個目的是提供用于通過由混合經(jīng)生物干燥的污泥與高濃 度有機(jī)廢水引起的生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)污水進(jìn)行零排放處理的方法。
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的發(fā)明人繼續(xù)努力尋找用于將利用微生物 的代謝熱的熱力干燥應(yīng)用至廢水處理同時解決上述處理高濃度有機(jī)廢水中 的問題的方法，最終成功開發(fā)了“一種用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水 進(jìn)行零排放處理的方法”并完成了本發(fā)明，其中所述生物蒸發(fā)利用廢水中包 含的BVS分解期間所產(chǎn)生的微生物的代謝熱。
本發(fā)明提供一種用于通過生物蒸發(fā)對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零排放處理 的方法，其中通過混合污泥與高濃度有機(jī)廢水來處理所述廢水。
本文中所使用的術(shù)語“污泥”指的是作為水底的沉淀物收集的水中的漂 浮物質(zhì)，并且作為污水和工業(yè)廢水的副產(chǎn)物大量地產(chǎn)生。污泥一般通過廢 水處理期間的固液分離產(chǎn)生。然而，當(dāng)例如在活性污泥處理中一樣處理包 含有機(jī)物質(zhì)的廢水時，所述污泥會包含在處理有機(jī)物質(zhì)時產(chǎn)生的微生物。
本文中所使用的術(shù)語“經(jīng)干燥的污泥”指的是已經(jīng)被干燥的污泥。本文中 所使用的術(shù)語“經(jīng)生物干燥的污泥”指的是通過由污泥中包含的微生物對有 機(jī)物質(zhì)進(jìn)行需氧分解期間產(chǎn)生的熱來干燥的污泥。
由于污泥中包含的各種微生物，在將污泥與高濃度有機(jī)廢水混合時， 污泥中包含的微生物被活化并分解有機(jī)廢水中包含的BVS，同時在分解過 程期間釋放代謝熱。這樣，污泥主要提供分解有機(jī)廢水的微生物。
污泥優(yōu)選是經(jīng)生物干燥的污泥。在生物蒸發(fā)過程中，當(dāng)有機(jī)廢水濃度 增加時代謝熱產(chǎn)生的量也增加。相應(yīng)地，應(yīng)該使通過混合所產(chǎn)生有機(jī)廢水 與污泥引起的所產(chǎn)生有機(jī)廢水的濃度降低最小化。含水量比未經(jīng)干燥的污 泥低的經(jīng)生物干燥的污泥可以在其與有機(jī)廢水混合時使混合的有機(jī)廢水的 濃度降低最小化。另外，當(dāng)添加水時，經(jīng)生物干燥的污泥中的微生物與經(jīng) 干燥的污泥中的微生物相比可以更快地活化。優(yōu)選地，經(jīng)生物干燥的污泥 應(yīng)當(dāng)具有55重量%至70重量%的含水量。當(dāng)含水量高于70重量%時，其會進(jìn) 一步降低由經(jīng)生物干燥的污泥和高濃度有機(jī)廢水組成的混合物的濃度，并 且在遞送用于高濃度有機(jī)廢水的有氧氧化的氧方面會是不利的。相反地， 當(dāng)含水量低于55重量%時，微生物的活化延遲，這是不期望的。
優(yōu)選地，可以通過包括以下步驟的方法制備經(jīng)生物干燥的污泥：制備 由經(jīng)帶壓的污泥和經(jīng)干燥的污泥組成的污泥混合物，然后供給空氣;和當(dāng) 污泥混合物的溫度通過回到室溫而變得穩(wěn)定時，收集污泥混合物。當(dāng)制備 經(jīng)帶壓的污泥和經(jīng)干燥的污泥的混合物然后供給空氣時，隨著BVS分解， 污泥床的溫度從約73℃升高至75℃，然后回到室溫。
當(dāng)BVS分解幾乎完成時，污泥中的水開始部分地蒸發(fā)，這表明污泥溫 度的穩(wěn)定。一旦最后穩(wěn)定至室溫，收集混合的污泥并將其用作經(jīng)生物干燥 的污泥。優(yōu)選地，經(jīng)帶壓的污泥和經(jīng)干燥的污泥的混合物應(yīng)當(dāng)具有55重量% 至70重量%的含水量。優(yōu)選地，高濃度有機(jī)廢水的濃度應(yīng)當(dāng)為120g/L或更高。 這是因為當(dāng)高濃度有機(jī)廢水的濃度為120g/L或更高時，有機(jī)廢水中包含的所 有水可以通過由其中包含的微生物產(chǎn)生的代謝熱蒸發(fā)。
高濃度有機(jī)廢水可以是包含食品廢棄物的廢水。然而，經(jīng)濃縮的有機(jī) 廢水可以不必包含食品廢棄物，而且可以包含任何有機(jī)廢棄物，如污水、 農(nóng)業(yè)廢棄物、家畜廢棄物、工業(yè)廢棄物等。
優(yōu)選地，食品廢棄物可以是具有1mm或更小的直徑的經(jīng)粉碎的小顆粒 形式。當(dāng)高濃度有機(jī)廢水中包含的食品廢棄物被粉碎成小顆粒時，食品廢 棄物與其中包含的微生物接觸的表面積增加，由此加速微生物的代謝速率 和食品廢棄物的消耗。當(dāng)經(jīng)粉碎的食品廢棄物的顆粒的尺寸變得更小時， 微生物的代謝速率變得更快，但是將食品廢棄物粉碎成更小顆粒需要多得 多的能量。
通過以下步驟進(jìn)行處理：利用污泥中包含的微生物通過代謝分解VS， 然后是通過由有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生的代謝熱引起的水蒸發(fā)。污泥中包含的微 生物使高濃度有機(jī)廢水中包含的VS代謝。在此，代謝產(chǎn)生代謝熱，所述代 謝熱用于蒸發(fā)有機(jī)廢水中包含的水。
在微生物生長期間所產(chǎn)生的代謝熱可以通過底物和細(xì)胞物質(zhì)的燃燒熱 來計算。這是因為底物的燃燒熱與由微生物產(chǎn)生的代謝熱和由細(xì)胞物質(zhì)新 合成的燃燒熱的總量相同。如果維持代謝存在而沒有新的合成，則底物的 燃燒熱可以以代謝熱的形式被100%釋放。
污泥可以是污水污泥，微生物可以是污水污泥中所包括的那些微生物。 然而，微生物不限于此，而是可以使用有機(jī)廢水中包含的能夠分解VS的任 何微生物。
代謝優(yōu)選為需氧代謝。需氧代謝和厭氧代謝所產(chǎn)生能量的量之間存在 區(qū)別。在厭氧代謝中，每摩爾葡萄糖產(chǎn)生2摩爾ATP，而在需氧代謝中每摩 爾葡萄糖產(chǎn)生38摩爾ATP。就這一點而言，當(dāng)利用需氧代謝時，給定微生物 的活性和產(chǎn)熱率可以更大。相應(yīng)地，為了通過利用由微生物產(chǎn)生的代謝熱 的生物蒸發(fā)過程來蒸發(fā)有機(jī)廢水，優(yōu)選利用具有更高產(chǎn)熱率的需氧代謝。
可以在反應(yīng)器中進(jìn)行處理。特別地，可以利用絕熱材料來使反應(yīng)器與 熱隔離。絕熱反應(yīng)器可以使熱損失最小化，由此增加生物蒸發(fā)的速率。優(yōu) 選地，向反應(yīng)器供給空氣。這是因為用于生物蒸發(fā)的微生物代謝是需要連 續(xù)供氧的需氧代謝。
優(yōu)選地，空氣可以是經(jīng)除濕的空氣，這是因為經(jīng)除濕的空氣可以使反 應(yīng)器中蒸發(fā)水的效果最大化。優(yōu)選地，可以以0.03m3/kgTS·小時至 0.2m3/kgTS·小時的速率供給空氣。如果空氣供給快于上限，會增加能量消耗， 這是不期望的;而當(dāng)空氣供給低于下限時，由于反應(yīng)器內(nèi)不充足的氧氣， 需氧代謝會被抑制。
優(yōu)選地，可以在攪拌污泥與高濃度有機(jī)廢水的混合物時進(jìn)行處理。通 過攪拌混合污泥和高濃度有機(jī)廢水可以防止微生物代謝的抑制。
優(yōu)選地，可以進(jìn)行處理直到污泥與高濃度有機(jī)廢水的混合物的溫度在 因代謝熱而升高后回到室溫而變得穩(wěn)定。
污泥與高濃度有機(jī)廢水的混合物的溫度回到室溫表明通過微生物進(jìn)行 的有機(jī)廢水的代謝過程已經(jīng)完成。
有益效果
本發(fā)明提供一種用于通過新的生物蒸發(fā)工藝對高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行零 排放處理的方法。通過微生物的需氧代謝，可以分解高濃度有機(jī)廢水中包 含的BVS，并且在代謝期間產(chǎn)生代謝熱。代謝熱除去有機(jī)廢水中包含的水。 當(dāng)葡萄糖和食品廢棄物粉末的VS濃度為120g/L時，可以實現(xiàn)從有機(jī)廢水中 完全除去水。另外，也可以完全除去有機(jī)廢水中包含的BVS。
相應(yīng)地，利用生物蒸發(fā)工藝的本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點：其可以使 處理有機(jī)廢水中的能量消耗最小化，使得能夠?qū)τ袡C(jī)廢水進(jìn)行零排放處理， 并且該方法是環(huán)境友好的。
