一种多级厌氧消化强化产气的方法
【专利摘要】本发明涉及一种多级厌氧消化强化产气的方法，本发明主要包括前段厌氧消化、高温高压热水解和后段厌氧消化污泥经前段厌氧消化处理后，易降解有机物已经充分分解并转化为沼气，残留部分主要是较难生物降解的有机物，以及适应了厌氧环境，未能被消化利用的兼性细菌，这部分有机物占污泥总有机物的50%以上，限制了厌氧消化的继续进行。将前段厌氧消化的出料进行高温高压热水解处理，迫使细胞壁破裂，细胞内物质溶出，同时打破胞外聚合物的胶体结构，使部分难生物降解的有机物转化为易生物降解有机物；将热水解处理后的污泥加入后段厌氧消化系统中，进一步实现有机物的降解和厌氧产气。本发明从根本上提升了污泥有机物降解率和产气率，减少了污泥量和污泥体积，增强了污泥稳定化效果，提升了厌氧消化污泥的品质。
【专利说明】一种多级厌氧消化强化产气的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于固废资源化领域，涉及一种多级厌氧消化强化产气的工艺，以提高污泥厌氧有机物降解率与产气效能。
【背景技术】
[0002]目前，我国污水污泥量逐年递增。据统计，我国年产污泥量已达3000万吨(按80%含水率计)，按照预测，到2020年污泥产量将突破年6000万吨。由于我国污水处理厂建设存在严重的“重水轻泥”现象，大量污泥未得到合理、安全的处理处置。未稳定的污泥中含有易降解有机物，恶臭物质，病原体等，易在污泥运输和处置环节中造成污染物扩散，产生二次污染。厌氧消化是一种常用的污泥稳定化工艺，在减少污泥体积和质量的同时，可以甲烷的形式回收污泥中的部分生物质能，实现减量化，稳定化，同时提高污泥品质，对污泥处理处置起了关键作用。但是，传统的厌氧消化具有反应缓慢，污泥停留时间长(20-30d)，甲烷产量低，有机物降解率低等缺点，尤其是污泥有机物降解程度差，仅能去除30%-40%的挥发性固体，限制了厌氧消化工艺的广泛应用。
[0003]提高污泥有机物降解率的主要方法之一就是对剩余污泥进行强化预处理，击破细胞壁，从而使胞内有机物质从固相转移到液相，实现微生物对有机物的降解转化。热处理是近年来发展起来的一种有效的污泥预处理技术，可以破坏污泥胶体结构，释放出污泥絮体内部和细胞内部的水分，并同时释放出有机物，促进污泥减量，提高厌氧消化时有机物的水解酸化速率，有利于后续的产甲烷过程。高温高压热水解处理具有操作简单、管理方便、环境条件要求不高、安全无害等优点。但是厌氧消化前的热水解，对污泥有机物降解率的提升并不大，最高仅为20%左右。而且，即使对热水解预处理后的污泥进行厌氧消化，消化后的污泥中仍残留近50%的有机物。
【发明内容】
[0004]本发明为解决污泥厌氧消化有机物降解率不高的技术问题，提供了一种多级厌氧消化强化产气的工艺。
[0005]本发明提出的一种多级厌氧消化强化产气的方法，所述方法通过多级厌氧消化强化产气装置实现，所述装置包括泵、换热器、厌氧消化装置、离心浓缩系统、高压反应釜、脱水系统、干化系统，其中:第一泵I通过第一换热器2连接第一厌氧消化装置3，第一厌氧消化装置3通过第二泵4连接离心浓缩系统5，所述离心浓缩系统5通过第二换热器6连接高温高压反应釜7，高温高压反应釜7通过第三泵8连接第三换热器9，第三换热器9通过第四泵10连接第二厌氧消化装置11，第二厌氧消化装置11通过第五泵12连接脱水系统13，脱水系统13分别连接干化系统15和沼液出口，干化系统15内设置第四换热器14，干化系统15设置干污泥出口 ；储水罐16分别吸收第四换热器14和第一换热器2产生的热量，高温高压反应釜7处理后的污泥，经第三换热器9将热量传递给第一换热器2、第二换热器6和第四换热器14，储水罐16用于冷却水的循环使用，所述工艺包括前段厌氧消化、高温高压热水解和后段厌氧消化，具体步骤如下:
将原污泥和废水通过第一泵I加入第一厌氧反应装置3中，污泥经厌氧消化处理，降解进料污泥中的好氧细菌以及易降解有机物，难生物降解的有机物及兼性微生物仍残留在污泥中；如果第一厌氧反应装置3出料的含水率< 90%，则通过第二泵4，将出料直接送入高压反应釜7中，进行高温高压热水解处理，迫使细胞壁爆破，使细胞内物质溶出，同时打破胞外聚合物的胶体结构，使部分难降解的有机物转化为易降解的有机物；如果第一厌氧反应装置3出料的含水率>90%，则先将污泥送入浓缩系统5中，将污泥的含水率降至90%以下，再进行高温高压热水解处理；热处理后的污泥经第三换热器9，将热量传递给第一换热器2、第二换热器6和第四换热器14，分别对进入第一厌氧反应装置3，高温高压反应釜7和干化系统15的污泥预加热，之后，污泥通过第四泵10送入第二厌氧反应装置11中，经厌氧消化处理，进一步实现稳定化和厌氧产气；通过第五泵12，将第二厌氧反应装置11的出料送入污泥脱水系统13，进行污泥脱水；脱水污泥经干化系统15后外运。
[0006]本发明中，所述原污泥的含固率为5~20%。
[0007]本发明中，第一厌氧消化装置控制温度为35±2°〇或为55±21:。
[0008]本发明中，第二厌氧消化装置控制温度为35±2°C或为55±2°C。
[0009]本发明中，第一厌氧消化装置中污泥停留时间为l(Tl5d，第二厌氧消化装置中污泥停留时间为5~10d。
[0010]本发明中，高温高压热水解前储存罐预加热温度至70°C~80°C。
[0011]本发明中，高温高压反应釜7内高压热水解的反应温度为110°C~170°C，反应时间为 15~60mino`[0012]本发明将污泥加入厌氧消化装置中，经厌氧消化处理，进料污泥中的好氧细菌以及易降解有机物被降解；将前段厌氧消化装置的出料置于储存罐中保存，达到一定体积后，将储存罐中的污泥预热，然后通过泵加入高压反应釜中，进行高温高压热水解处理，使细胞壁爆破，促使细胞内物质溶出，同时打破胞外聚合物的胶体结构，使部分难降解的有机物转化为易降解的有机物；经冷却系统后，将热水解后的消化污泥置于另一个储存罐中保存；储存罐中的污泥通过泵加入后段厌氧反应装置中，污泥经厌氧消化处理，进一步实现有机物的降解和厌氧产气。
[0013]因此，本发明强化了污泥厌氧消化工艺，从根本上提升了污泥有机物降解率和产气率，减少了污泥量和污泥体积，增强了污泥稳定化效果，提升了厌氧消化污泥品质。
[0014]本发明具有以下优点:
1.厌氧消化污泥经高温高压热水解处理后，细胞壁破裂，细胞内物质溶出，胞外聚合物的胶体结构被打破，污泥中部分难降解的有机物转化为易降解的有机物。此时，再对污泥进行厌氧消化，使污泥中的有机质得以进一步地降解，转化为沼气，减少污泥量与污泥体积，增强污泥稳定化效果，提升污泥品质；
2.目前，厌氧消化，热水解设备和热交换系统工业应用已经成熟，效果稳定，具有良好的社会效益和经济效益。
[0015]在本办法中，污泥中易降解的有机物在前段厌氧消化中得以降解，部分难降解的有机物经高温高压热水解转化为易降解的有机物，再对热水解后的污泥进行后续厌氧消化处理。因此，本办法从总体上提高了厌氧消化的效能，在一段厌氧消化的基础上，进一步提升了污泥有机物降解率和产气率，提高了厌氧污泥品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为实施案例中提供的污泥处理装置结构示意图。
[0017]图中所示，I为第一泵，2为第一换热器，3为第一厌氧消化装置，4为第二泵，5为离心浓缩系统，6为第二换热器，7为高温高压反应釜，8为第三泵，9为第三换热器，10为第四泵，11为第二厌氧消化装置，12为第五泵，13为脱水系统，14为第四换热器，15为干化系统，16为储水罐。
【具体实施方式】 [0018]为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
[0019]实施例1
(1)将从上海安亭污水处理厂取得的脱水污泥(含固率为20%，VS/TS为51%，pH为7.6，氨氮浓度(TAN)为739 mg L—1，)，置于4°C下保存。进料前2个小时，取400g脱水污泥存放至37°C的培养箱中；
(2)进料时，将400g脱水污泥(进料污泥的含固率为20%)加入有效容积为6L的1#厌氧发酵装置中，进料量为接种污泥的1/15 ;发酵装置中原有6L的物料为厌氧发酵污泥，控制发酵装置中的物料温度为35±1°C，物料在发酵装置中的停留时间为15天，每日连续进出料，并且控制搅拌装置每20min启动lOmin，停止IOmin ；
(3)厌氧发酵稳定后，装置的有机负荷率(OLR)为6.8 kg VS HT3CrSpH为8.0，氨氮浓度(TAN)为3.5 g L—1，挥发性有机物(VFAs)的含量为0.892 g L-1，TS为18.9%，VS/TS为43.1%，VS的降解率为29.7%，甲烷产率(Y)为0.18 L CH4 gVSadded^d^,日产沼气量为11.2L 0-1,沼气中甲烧的含量为65.6% (体积分数)；
(4)收集厌氧发酵装置出料，置于4°C下保存，达到一定的量后，加入高压反应釜中，进行高温高压热水解处理(170°C，30min)，将热水解处理的污泥冷却至37°C左右后置于4°C下保存；
(5)前段厌氧消化出料经过热水解处理，TS降为18.1%，溶解性COD(sCOD)提高了 253%，VFA浓度提高至2.517 g L—1，氨氮浓度提高至9.1 g L_\ pH降为7.1 ；
(6)每日加入600mL热处理后的沼渣于有效容积为6L的2#厌氧发酵装置中，进料量为接种污泥的1/10 ;发酵装置中原有6L的物料为厌氧发酵污泥，控制发酵装置中的物料温度为35±1°C，物料在发酵装置中的停留时间为10天，每日连续进出料，并且控制搅拌装置每20min 启动 IOmin,停止 IOmin ；
(7)厌氧发酵稳定后，装置的有机负荷率(OLR)为8.2 kg VS HT3CrSpH为7.4，氨氮浓度(TAN)为2.9 g L—1，挥发性有机物(VFAs)的含量为0.423 g L-1，TS为17.2%，VS/TS为37.9%，VS的降解率为19.2%，甲烷产率(Y)为0.13 L CH4 gVSadded^d^,日产沼气量为10.0L 0-1，沼气中甲烷的含量为64.3% (体积分数)。
[0020]实施例2
(I)将从上海安亭污水处理厂取得的脱水污泥(含固率为20%，VS/TS为51%，pH为7.6，氨氮浓度(TAN)为739 mg L_S )，置于4°C下保存。进料前2个小时，取375g脱水污泥和125g去离子水存放至37°C的培养箱中；
(2)进料时，将375g脱水污泥和125g去离子水(进料污泥的含固率为15%)先后加入有效容积为6L的1#厌氧发酵装置中，进料量为接种污泥的1/12 ;发酵装置中原有6L的物料为厌氧发酵污泥，控制发酵装置中的物料温度为35±1°C，物料在发酵装置中的停留时间为12天,每日连续进出料,并且控制搅拌装置每20min启动IOmin,停止IOmin ；
(3)厌氧发酵稳定后，装置的有机负荷率(OLR)为6.4 kg VS HT3CrSpH为7.8，氨氮浓度(TAN)为2.63 g L—1，挥发性有机物(VFAs)的含量为0.212 g L_\TS为14.1%，VS/TS为42.1%，VS的降解率为30.0%，甲烷产率(Y)为0.19 L CH4 gVSadded^d^,日产沼气量为10.9L 0-1,沼气中甲烧的含量为66.6% (体积分数)；
(4)收集厌氧发酵装置出料，置于4°C下保存，达到一定的量后，加入高压反应釜中，进行高温高压热水解处理(170°C，30min),将热水解处理的污泥冷却至37°C左右后置于4°C下保存；
(5)前段厌氧消化出料经过热水解处理，TS降为13.3%，溶解性COD(sCOD)提高了 263%，VFA浓度提高至0.912 g L—1，氨氮浓度提高至7.38 g L-1，pH降为6.7 ；
(6)每日加入600mL热处理后的沼渣于有效容积为6L的2#厌氧发酵装置中，进料量为接种污泥的1/10 ;发酵装置中原有6L的物料为厌氧发酵污泥，控制发酵装置中的物料温度为35±1°C，物料在发酵装置中的停留时间为10天，每日连续进出料，并且控制搅拌装置每20min 启动 IOmin,停止 IOmin ；
(7)厌氧发酵稳定后，装置的有机负荷率(OLR)为5.6kg VS HT3CrSpH为7.2，氨氮浓度(TAN)为2.1 g L—1，挥发性有机物(VFAs)的含量为0.323 g L_\ TS为12.2%，VS/TS为37.2%, VS的降解率为18.4%，甲烷`产率(Y)为0.15 L CH4 gVSadded^d^,日产沼气量为7.9 L0-，沼气中甲烷的含量为63.8% (体积分数)。
【权利要求】
1.一种多级厌氧消化强化产气的方法，其特征在于:所述方法通过多级厌氧消化强化产气装置实现，所述装置包括泵、换热器、厌氧消化装置、离心浓缩系统、高压反应釜、脱水系统、干化系统，其中:第一泵(I)通过第一换热器(2)连接第一厌氧消化装置(3)，第一厌氧消化装置(3)通过第二泵(4)连接离心浓缩系统(5)，所述离心浓缩系统(5)通过第二换热器(6)连接高温高压反应釜(7)，高温高压反应釜(7)通过第三泵(8)连接第三换热器(9)，第三换热器(9)通过第四泵(10)连接第二厌氧消化装置(11)，第二厌氧消化装置(11)通过第五泵(12)连接脱水系统(13)，脱水系统(13)分别连接干化系统(15)和沼液出口，干化系统(15)内设置第四换热器(14)，干化系统(15)设置干污泥出口 ；高温高压反应釜(7)处理后的污泥，经第三换热器(9)，将热量传递给第一换热器(2)、第二换热器(6)和第四换热器(14)，储水罐(16)用于冷却水的循环使用；所述工艺包括前段厌氧消化、高温高压热水解和后段厌氧消化，具体步骤如下: 将原污泥和废水通过第一泵(I)加入第一厌氧反应装置(3)中，污泥经厌氧消化处理，降解进料污泥中的好氧细菌以及易降解有机物，难生物降解的有机物及兼性微生物仍残留在污泥中；如果第一厌氧反应装置(3)出料的含水率<90%，则通过第二泵(4)，将出料直接送入高压反应釜(7)中，进行高温高压热水解处理；如果第一厌氧反应装置(3)出料的含水率>90%，则先将污泥送入浓缩系统(5)中，将污泥的含水率降至90%以下，再进行高温高压热水解处理；热处理后的污泥经第三换热器(9)，将热量传递给第一换热器(2)、第二换热器(6)和第四换热器(14)，分别对进入第一厌氧反应装置(3)，高温高压反应釜(7)和干化系统(15)的污泥预加热，之后，污泥通过第四泵(10)送入第二厌氧反应装置(11)中，经厌氧消化处理，进一步实现稳定化和厌氧产气；通过第五泵(12)，将第二厌氧反应装置(11)的出料送入污泥脱水系统(13)，进行污泥脱水；脱水污泥经干化系统(15)后外运。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述原污泥的含固率为5~20%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:第一厌氧消化装置控制温度为35±2°C或为 55±2°C。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:第二厌氧消化装置控制温度为35±2°C或为 55±2°C。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:第一厌氧消化装置中污泥停留时间为l(Tl5d，第二厌氧消化装置中污泥停留时间为5~10d。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:高温高压热水解前储存罐预加热温度至700C ~80O。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:高温高压反应釜7内高压热水解的反应温度为IlO0C~170°c，反应时间为15~60min。
【文档编号】C02F11/04GK103553289SQ201310500670
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】戴晓虎, 董滨, 盖鑫, 赵玉欣, 高鹏, 叶宁, 罗凡, 戴翎翎 申请人:同济大学