申請(qǐng)日2014.02.26
公開(公告)日2014.05.21
IPC分類號(hào)C02F11/04; C02F11/02
摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置和方法，有機(jī)污泥首先進(jìn)行高溫微好氧消化過程，高溫微好氧消化結(jié)束后，消化后的污泥從出料口通過管道進(jìn)入pH值調(diào)節(jié)池，向pH值調(diào)節(jié)池中投入堿液調(diào)節(jié)池中物料的pH，污泥在池中停留3～5h以釋放污泥中的溶解氧;然后污泥由泵送入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器停留6～20天完成厭氧消化過程。本發(fā)明的有機(jī)污泥消化過程的前半段是自熱式高溫微好氧消化過程，而不是自熱式高溫好氧消化過程;自熱式高溫微好氧消化過程供給的空氣量有限，在氧限制條件下，很容易產(chǎn)生VFA，而VFA在厭氧條件下，很容易產(chǎn)甲烷;這樣既利于后半段厭氧消化過程對(duì)污泥的進(jìn)一步消化產(chǎn)生甲烷，又能減少曝氣量，降低能耗。
權(quán)利要求書
1.一種有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置，包括高溫好氧反應(yīng)器和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)，其特征在于：還包括 pH值調(diào)節(jié)池(3);所述高溫好氧反應(yīng)器為自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1);pH值調(diào)節(jié)池(3)設(shè)置在高溫微好氧反應(yīng)器(1)和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)之間，自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1)的出料口通過管道與pH值調(diào)節(jié)池(3)相通，pH值調(diào)節(jié)池(3)通過管道與泵與厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)的進(jìn)料口相連通;
自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1)包括反應(yīng)罐(11)、污泥回流系統(tǒng)(12)、曝氣系統(tǒng)(13)、溫度傳感器(14)和氣體吸收處理裝置(15);所述污泥回流系統(tǒng)(12)設(shè)置在反應(yīng)罐(11)外部，包括下段管路、污泥回流泵和上段管路;下段管路、污泥回流泵、上段管路和反應(yīng)罐形成一個(gè)相通的回路;曝氣系統(tǒng)(13)包括有曝氣管、曝氣頭、壓力表，曝氣管布置在反應(yīng)罐(11)的底部;溫度傳感器(14)在反應(yīng)罐(11)的上部、中部、下部各設(shè)置一個(gè);氣體吸收處理裝置(15)設(shè)置在反應(yīng)罐(11)的上方，通過管道與反應(yīng)罐(11)的內(nèi)部相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置，其特征在于：厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)包括反應(yīng)罐(21)、攪拌器(22)、氣體收集過濾器(23)、溫度傳感器(24)、氣體取樣管(25)和循環(huán)水管路(26);
攪拌器(22)包括電機(jī)、桿軸和攪拌槳葉，電機(jī)固定設(shè)置在反應(yīng)罐(21)的上方，桿軸從上向下穿入反應(yīng)罐(21)內(nèi)部，攪拌槳葉在桿軸上設(shè)置兩層，其中下層的攪拌槳葉設(shè)置在反應(yīng)罐(21)的底部，上層的攪拌槳葉設(shè)置在反應(yīng)罐(21)內(nèi)有效水深的中部;
循環(huán)水管路(26)設(shè)置在反應(yīng)罐(21)底部，通過管道與鍋爐連接，鍋爐的燃?xì)庠钔ㄟ^管道與氣體收集過濾器(23)的出氣口相連通。
3.一種如權(quán)利要求1所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置的消化方法，其特征在于包括以下步驟：
�、倬N的馴化，菌種的馴化在自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1)的反應(yīng)罐(11)中進(jìn)行，馴化得到的含有菌種的種泥留1/4～1/2在反應(yīng)罐(11)內(nèi)部;
�、谟袡C(jī)污泥的高溫微好氧消化過程;打開污泥輸送泵，向自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1)的反應(yīng)罐(11)中送入有機(jī)污泥，有機(jī)污泥的輸送量為反應(yīng)罐(11)的剩余有效體積;開啟污泥回流系統(tǒng)(12)和曝氣系統(tǒng)(13)，有機(jī)污泥開始高溫微好氧消化過程，污泥在自熱式高溫微好氧反應(yīng)器中停留2～3天完成高溫微好氧消化過程;消化溫度維持在45℃～65℃之間;
高溫微好氧消化結(jié)束后，消化后的污泥從出料口通過管道進(jìn)入pH值調(diào)節(jié)池(3)，向pH值調(diào)節(jié)池(3)中投入堿液，將pH值調(diào)節(jié)池(3)中的物料的pH值調(diào)到6.8～7.2之間，pH值調(diào)節(jié)完畢后的污泥在池中停留3～5h以釋放污泥中的溶解氧;
③有機(jī)污泥的厭氧消化過程;步驟②釋放溶解氧的經(jīng)過高溫微好氧消化的污泥由泵送入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器(2)停留6～20天完成厭氧消化過程，排出泥經(jīng)機(jī)械脫水后直接農(nóng)用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：步驟②有機(jī)污泥的高溫微好氧消化過程中，自熱式高溫微好氧反應(yīng)器(1)的反應(yīng)罐(11)中的氧化還原電位ORP為0～-100mv。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：步驟③有機(jī)污泥的厭氧消化過程為中溫厭氧消化過程;中溫厭氧溫度是33℃～35℃，污泥在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)中停留10～20天完成厭氧消化過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：若自熱式高溫微好氧消化后流出的污泥溫度超過60℃，將高溫微好氧消化后的污泥在pH值調(diào)節(jié)池(3)中停留時(shí)間延長(zhǎng)0～40min散熱至中溫厭氧溫度范圍;若厭氧池溫度達(dá)不到中溫厭氧溫度范圍，則減少高溫微好氧消化的曝氣量、加大污泥回流給機(jī)械熱量，使得高溫微好氧消化溫度達(dá)到50℃～60℃，保證厭氧池的中溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：步驟③有機(jī)污泥的厭氧消化過程為高溫厭氧消化過程;高溫厭氧消化的溫度為50℃～55℃，污泥在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)中停留6～10天完成厭氧消化過程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：高溫厭氧消化過程產(chǎn)生的甲烷氣體收集并后燃燒產(chǎn)生蒸汽或熱水對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)供熱以維持50℃～55℃的高溫，將甲烷燃燒產(chǎn)生的蒸汽或熱水通過厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(2)底部的循環(huán)水管路(26)對(duì)反應(yīng)罐(21)供熱，同時(shí)打開反應(yīng)罐(21)的攪拌器。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化方法，其特征在于：步驟②中的有機(jī)污泥為含固率在4%～7%，揮發(fā)性有機(jī)固體濃度占60%～90%的液態(tài)有機(jī)固體廢棄物。
說明書
有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及固體廢棄物的處理領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置和方法。
背景技術(shù)
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污水的數(shù)量在不斷增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，2010年我國(guó)城市污水排放量將達(dá)到440億m3/d;2020年將達(dá)到536億m3/d。目前我國(guó)污水處理量和處理率雖然不高，但城市污水處理廠每年排放干污泥大約30萬噸，而且還以每年10%的速度增長(zhǎng)[2]。我國(guó)現(xiàn)有污水處理廠，存在重水輕泥現(xiàn)象，有很大一部分污泥沒有穩(wěn)定化處理和無害化處理，污泥處理設(shè)施也沒有有效運(yùn)行，污泥沒有得到妥善處置，導(dǎo)致環(huán)境污染，抑制了城市污水廠的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。目前，如何有效處理城市污泥是國(guó)際范圍內(nèi)污(廢)水處理領(lǐng)域中所面臨的最為重要而復(fù)雜的問題。
污泥消化技術(shù)通過微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解達(dá)到污泥的穩(wěn)定化和無害化。現(xiàn)有的污泥消化工藝主要有傳統(tǒng)好氧消化工藝、常規(guī)中溫厭氧消化工藝、兩級(jí)厭氧消化工藝、缺氧/好氧消化工藝、自熱高溫好氧消化工藝、兩段高溫好氧/中溫厭氧消化工藝。
其中的兩段高溫好氧/中溫厭氧消化工藝將自熱高溫好氧消化工藝與中溫厭氧消化工藝相結(jié)合，先以一段高負(fù)荷自熱高溫好氧消化工藝系統(tǒng)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)入中溫厭氧反應(yīng)器。該工藝可顯著提高對(duì)病原菌的去除率和后續(xù)中溫厭氧消化運(yùn)行的穩(wěn)定性，但是該工藝尚處在實(shí)驗(yàn)階段。
例如中國(guó)專利文獻(xiàn)CN 100486722C(申請(qǐng)?zhí)?200610087577.6)公開了一種兩階段半固態(tài)有機(jī)廢物消化制肥制氣工藝，把半固態(tài)有機(jī)廢物在串聯(lián)的高溫微好氧和中溫厭氧條件下消化，高溫階段殺滅致病菌、預(yù)分解廢物，中溫階段主分解廢物、產(chǎn)生沼氣，最終產(chǎn)物富含腐殖酸、氮、磷、鉀;具體步驟是首先半固態(tài)有機(jī)廢物進(jìn)入高溫微好氧消化單元，向高溫微好氧消化單元內(nèi)通入空氣，維持高溫微好氧消化單元內(nèi)半固態(tài)廢物的溶解氧濃度在0.1～0.8mg/L，半固態(tài)有機(jī)廢物再微生物作用下開始分解、消耗氧氣并釋放反應(yīng)熱，消化液溫度可達(dá)55℃以上，維持消化液溫度55℃～70℃并保持1～3天;從高溫微好氧消化單元排出的高溫流體靜換熱器降溫后進(jìn)入第二階段的中溫厭氧消化單元，換熱器回收的廢熱以循環(huán)水為載體對(duì)中溫厭氧消化單元進(jìn)行保溫;中溫厭氧消化單元溫度維持在35℃～40℃，pH值維持在6.5～8，消化液中的易降解物質(zhì)不斷轉(zhuǎn)化為沼氣，第二階段經(jīng)過15～20天后，消化最終產(chǎn)物從中溫厭氧消化單元排出，進(jìn)入沉淀貯存器備用或銷售。
該制備工藝的高溫微好氧階段存在充氧困難的問題，實(shí)際作業(yè)中，55℃～70℃的高溫條件下，溶解氧濃度很低，而半固體的物質(zhì)氧傳質(zhì)效率低，充氧非常有限，因此該方法按照文本公開的內(nèi)容難以達(dá)到好氧狀態(tài)，而無法達(dá)到好氧條件的話，第一階段無法釋放足夠熱量，有機(jī)固體容易厭氧酸化，從第一階段流出的污泥pH值較低，導(dǎo)致第二階段厭氧消化過程無法產(chǎn)沼氣，并且厭氧消化停留時(shí)間長(zhǎng);另外按照該方法目前公開的內(nèi)容，中溫厭氧消化溫度較難控制到目標(biāo)溫度，這是因?yàn)閾Q熱器回收的廢熱量低(即55℃～70℃到35℃～40℃的溫差熱量很少)，難以達(dá)到保溫作用;厭氧池由于停留時(shí)間長(zhǎng)，體積龐大，在冬季通過換熱器達(dá)到保溫作用效果就更低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置和方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置，包括高溫好氧反應(yīng)器和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，還包括 pH值調(diào)節(jié)池;所述高溫好氧反應(yīng)器為自熱式高溫微好氧反應(yīng)器;pH值調(diào)節(jié)池設(shè)置在高溫微好氧反應(yīng)器和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器之間，自熱式高溫微好氧反應(yīng)器的出料口通過管道與pH值調(diào)節(jié)池相通，pH值調(diào)節(jié)池通過管道與泵與厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的進(jìn)料口相連通。
自熱式高溫微好氧反應(yīng)器包括反應(yīng)罐、污泥回流系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、溫度傳感器和氣體吸收處理裝置;所述污泥回流系統(tǒng)設(shè)置在反應(yīng)罐外部，包括下段管路、污泥回流泵和上段管路;下段管路、污泥回流泵、上段管路和反應(yīng)罐形成一個(gè)相通的回路;曝氣系統(tǒng)包括有曝氣管、曝氣頭、壓力表，曝氣管布置在反應(yīng)罐的底部;溫度傳感器在反應(yīng)罐的上部、中部、下部各設(shè)置一個(gè);氣體吸收處理裝置設(shè)置在反應(yīng)罐的上方，通過管道與反應(yīng)罐的內(nèi)部相通。
所述厭氧發(fā)酵反應(yīng)器包括反應(yīng)罐、攪拌器、氣體收集過濾器、溫度傳感器、氣體取樣管和循環(huán)水管路。攪拌器包括電機(jī)、桿軸和攪拌槳葉，電機(jī)固定設(shè)置在反應(yīng)罐的上方，桿軸從上向下穿入反應(yīng)罐內(nèi)部，攪拌槳葉在桿軸上設(shè)置兩層，其中下層的攪拌槳葉設(shè)置在反應(yīng)罐的底部，上層的攪拌槳葉設(shè)置在反應(yīng)罐內(nèi)有效水深的中部。
循環(huán)水管路設(shè)置在反應(yīng)罐底部，通過管道與鍋爐連接，鍋爐的燃?xì)庠钔ㄟ^管道與氣體收集過濾器的出氣口相連通。
一種如上所述的有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化裝置的消化方法，包括以下步驟：
�、倬N的馴化，菌種的馴化在自熱式高溫微好氧反應(yīng)器的反應(yīng)罐中進(jìn)行，馴化得到的含有菌種的種泥留1/4～1/2在反應(yīng)罐內(nèi)部。
②有機(jī)污泥的高溫微好氧消化過程;打開污泥輸送泵，向自熱式高溫微好氧反應(yīng)器的反應(yīng)罐中送入有機(jī)污泥，有機(jī)污泥的輸送量為反應(yīng)罐的剩余有效體積;開啟污泥回流系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)，有機(jī)污泥開始高溫微好氧消化過程，污泥在自熱式高溫微好氧反應(yīng)器中停留2～3天完成高溫微好氧消化過程;消化溫度維持在45℃～65℃之間。
高溫微好氧消化結(jié)束后，消化后的污泥從出料口通過管道進(jìn)入pH值調(diào)節(jié)池，向pH值調(diào)節(jié)池中投入堿液，將pH值調(diào)節(jié)池中的物料的pH值調(diào)到6.8～7.2之間，pH值調(diào)節(jié)完畢后的污泥在池中停留3～5h以釋放污泥中的溶解氧。
�、塾袡C(jī)污泥的厭氧消化過程;步驟②釋放溶解氧的經(jīng)過高溫微好氧消化的污泥由泵送入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器停留6～20天完成厭氧消化過程，排出泥經(jīng)機(jī)械脫水后直接農(nóng)用。
上述步驟②有機(jī)污泥的高溫微好氧消化過程中，自熱式高溫微好氧反應(yīng)器的反應(yīng)罐中的氧化還原電位ORP為0～-100mv。
上述步驟③有機(jī)污泥的厭氧消化過程為中溫厭氧消化過程;中溫厭氧溫度是33℃～35℃，污泥在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中停留10～20天完成厭氧消化過程。
進(jìn)一步的，若自熱式高溫微好氧消化后流出的污泥溫度超過60℃，將高溫微好氧消化后的污泥在pH值調(diào)節(jié)池中停留時(shí)間延長(zhǎng)0～40min散熱至中溫厭氧溫度范圍;若厭氧池溫度達(dá)不到中溫厭氧溫度范圍，則減少高溫微好氧消化的曝氣量、加大污泥回流給機(jī)械熱量，使得高溫微好氧消化溫度達(dá)到50℃～60℃，保證厭氧池的中溫。
可選擇的，步驟③有機(jī)污泥的厭氧消化過程為高溫厭氧消化過程;高溫厭氧消化的溫度為50℃～55℃，污泥在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中停留6～10天完成厭氧消化過程。
進(jìn)一步的，高溫厭氧消化過程產(chǎn)生的甲烷氣體收集并后燃燒產(chǎn)生蒸汽或熱水對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器供熱以維持50℃～55℃的高溫，將甲烷燃燒產(chǎn)生的蒸汽或熱水通過厭氧發(fā)酵反應(yīng)器底部的循環(huán)水管路對(duì)反應(yīng)罐供熱，同時(shí)打開反應(yīng)罐的攪拌器。
步驟②中的有機(jī)污泥為含固率在4%～7%，揮發(fā)性有機(jī)固體濃度占60%～90%的液態(tài)有機(jī)固體廢棄物。
本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明的有機(jī)污泥自熱式高溫微好氧-厭氧消化裝置由自熱式高溫微好氧反應(yīng)器和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器串聯(lián)而成。前段自熱式高溫微好氧反應(yīng)器通過保溫措施，將揮發(fā)性有機(jī)物好氧消化過程中釋放的熱量進(jìn)行保溫，加上機(jī)械產(chǎn)熱，從而使得反應(yīng)器達(dá)到自升溫至45℃～65℃，保證高溫微好氧消化順利進(jìn)行。
后段厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中可選擇的進(jìn)行中溫消化或高溫消化，其中中溫厭氧消化利用了自熱式高溫微好氧反應(yīng)器流出的污泥自帶的熱量，不需外加熱源，節(jié)省成本;而高溫厭氧消化的熱源一部分來自前段的自熱式高溫微好氧流出的污泥自帶的熱量，另一部分熱源的來源是燃燒高溫厭氧消化產(chǎn)生的甲烷獲得，同樣不需外加熱源，節(jié)省成本。厭氧發(fā)酵反應(yīng)器能產(chǎn)具有能源物質(zhì)的甲烷氣體，進(jìn)行了資源化利用;并且消化后污泥保留了氮磷營(yíng)養(yǎng)成分，經(jīng)脫水后可以農(nóng)用，解決污泥最終出路。
(2)本發(fā)明的自熱式高溫微好氧消化過程保證進(jìn)泥的含固率為4%～7%、反應(yīng)器體積大于10m3以上、并且設(shè)置適當(dāng)?shù)钠貧饬亢吞峁┝己玫幕旌献饔�，同時(shí)消化過程中將好氧消化反應(yīng)釋放的熱量保留下來，并通過污泥回流供給不超過30%的機(jī)械能，從而使得反應(yīng)器達(dá)到并維持45℃～65℃的高溫狀態(tài)，使得高溫微好氧消化完成的更有效、徹底。由于是微好氧消化過程，曝氣量相對(duì)于好氧消化少，反應(yīng)器內(nèi)污泥自升溫很難達(dá)到70度以上;而對(duì)于有機(jī)污泥高溫微好氧-厭氧消化過程，有研究表明，當(dāng)自熱式高溫微好氧消化工藝的消化溫度超過65℃時(shí)，整個(gè)消化過程的效果變差，具體表現(xiàn)在VSS去除率較低，為20%～30%。
(3)本發(fā)明的有機(jī)污泥消化過程的前半段是自熱式高溫微好氧消化過程，而不是自熱式高溫好氧消化過程;自熱式高溫微好氧消化過程供給的空氣量有限，在氧限制條件下，很容易產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(以下簡(jiǎn)稱VFA)，而VFA在厭氧條件下，很容易產(chǎn)甲烷;這樣既利于后半段厭氧消化過程對(duì)污泥的進(jìn)一步消化產(chǎn)生甲烷，又能減少曝氣量，降低能耗。由于前半段時(shí)自熱式高溫微好氧消化過程，加快了厭氧消化進(jìn)程，一般厭氧消化要達(dá)到40多天，或更長(zhǎng)時(shí)間，但該工藝停留時(shí)間可以達(dá)到縮短到20天以內(nèi)。
(4)本發(fā)明適用于含固率在4%～7%，揮發(fā)性有機(jī)固體濃度占60%～90%的液態(tài)有機(jī)固體廢棄物，如城市污泥、家禽養(yǎng)殖廠排放的有機(jī)廢棄物、廚余、牲口糞便等液態(tài)有機(jī)物。由于投入反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度高，粘度大，需氧量多，而傳質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器的氧量有限，因此在自熱式高溫微好氧反應(yīng)器中是不完全好氧，即通過好氧菌、兼性菌、厭氧菌的共同作用將揮發(fā)性有機(jī)物降解，然后進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器發(fā)酵產(chǎn)甲烷，消化后污泥經(jīng)脫水，可作為肥料的有機(jī)固體，解決了有機(jī)污泥最終出路問題。
(5)本發(fā)明自熱式高溫微好氧消化后的污泥在pH值調(diào)節(jié)池中調(diào)節(jié)pH值并釋放溶解氧，由于自熱式高溫微好氧消化能產(chǎn)生大量VFA，用于厭氧消化過程產(chǎn)甲烷，但VFA會(huì)導(dǎo)致pH值下降，所以，在進(jìn)入?yún)捬醭刂�，要投加堿液，將厭氧消化池中的pH值調(diào)到6.8～7.2之間，不要超過7.5。另外，混合池要停留一段時(shí)間，是因?yàn)閺淖詿崾礁邷匚⒑醚跸亓鞒龅奈勰�，帶有些溶解氧，需要釋放出來，不能帶入到厭氧池，否則會(huì)殺死厭氧菌。pH值調(diào)節(jié)池還起到調(diào)配池作用，便于泵將污泥從pH值調(diào)節(jié)池中取出，泵入到厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中。
(6)本發(fā)明的消化裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單，即可建于地上，也可地埋或半地埋式，節(jié)約用地，美化環(huán)境。
