CN100522853C

CN100522853C - 污水处理厂污泥分相消化方法

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Publication number: CN100522853C
Application number: CNB2007100378138A
Authority: CN
Inventors: 何品晶; 邵立明; 吕凡; 章骅
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: CN101041542A

Abstract

污水处理厂污泥分相消化方法，涉及一种污泥处理与资源化利用技术。先将污泥在溶解氧为1.5～2mg/L，pH＝5.5～6.0，温度为30～35℃下进行曝气水解消化反应6d，得水解消化产物；然后进入离心机作固液分离得水解液和泥饼；水解液进入填料式甲烷化反应床，在温度为32～38℃，循环流速为0.005～0.02m/s下，进行水力停留时间为3d的甲烷化消化产生沼气和消化出水，沼气去燃气锅炉生产蒸汽，消化出水回流至污水处理厂配水井；泥饼先与干燥污泥混合至含水率为50～60%，然后在卧式空心浆叶干燥器中用锅炉生产的蒸汽加热干燥至含水率为32～38%的干化污泥，作土地利用。本发明的两段消化优化了两类消化微生物的代谢条件，抑制了污泥中磷的释放，降低了泥饼含水率，提高了沼气转化率及能量的有效利用，保证了干化污泥的无害化。

Description

污水处理厂污泥分相消化方法

技术领域

污水处理厂污泥分相消化方法，涉及一种污水处理厂污泥处理与资源化利用技术，属污水厂污泥废弃物污染控制技术领域。

背景技术

采用好氧生物处理工艺的污水处理厂，污泥是不可避免的二次污染物。城市污水处理厂物料平衡测试结果表明，污水厂水处理工序中去除的70％以上有机物富集于污泥之中。因此，“减量化、无害化、资源化”是污水处理厂污泥管理的原则，也是其处理技术发展与选择所遵循的基本准则。目前，符合污水处理厂污泥管理原则的污泥厌氧消化技术得到了广泛的应用，其中发达国家的应用率达到50％以上。污泥厌氧消化可以通过降解污泥有机物直接对污泥进行减量，同时也有助于改善污泥的可脱水性，间接地有利于污泥的脱水减量处理和无害化(污泥在50～55℃进行高温厌氧消化后，可直接达到卫生无害化的要求，即使是32～38℃中温厌氧消化也有利于抑制和减少污泥中的致病菌数量)。污泥厌氧消化可产生沼气，提供了能源回收利用的可能，同时厌氧消化后，有机物被生物稳定化处理后的污泥还可作土地利用，实现植物营养元素和有机物还田。

尽管如此，污泥厌氧消化技术仍面临两方面的基本问题，一是提高厌氧消化过程的有机物转化率，这与污泥消化处理的减量化、无害化水平及能源回收效率均有很大的相关性；二是控制污泥厌氧消化过程中磷的溶出。

对于上述厌氧消化面临的第一个问题，目前的主要方法是发展二阶段污泥厌氧消化，即从厌氧消化的原理出发，优化消化的环境和微生物相。在环境优化方面，基于有机物厌氧消化由水解酸化、乙酸化产氢和甲烷化3个基本步骤组成，且水解酸化微生物与乙酸化和甲烷化微生物的代谢优化环境条件不同，将污泥消化分为水解和甲烷化2个阶段，在控制不同环境条件的反应器中完成，可使参与污泥厌氧消化的不同微生物菌群的代谢环境条件均能得到优化(“TWO-PHASE，TWO-STAGE，AND SINGLE-STAGE ANAEROBIC PROCESSCOMPARISON”.Azbar N，Speece R E.Journal of Environmental Engineering，127(3)：240-248，2001)。而对于消化的微生物相优化，由于，目前的污泥二阶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环接种的方式，对消化微生物作出调整。而更为有效的微生物固定化或颗粒化污泥等优化厌氧降解微生物相的方法无法实施。

对于第二个厌氧消化中的磷释放问题，为了控制水体富营养化，污水处理中除磷脱氮去除植物营养元素的操作逐渐普及，很多污水厂的除磷采用生物工艺，而除磷微生物的生物特征是好氧聚磷、厌氧释磷(见高廷耀、顾国维，“水污染控制工程(下册)”，第二版。高等教育出版社，北京，1999)。因此，在传统的厌氧消化中，污泥中的磷必然将大量释放(EXPERIMENTAL STUDIESSIM[ULATING POTENTIAL PHOSPHORUS RELEASE FROM MUNICIPALSEWAGE.Rydin E，Wat.Res.30(7)：1695-1701，1996)，并随消化出水回流至污水处理厂，使得从污水中分离的磷重新返回污水中，导致污水处理中的除磷无法取得实际效果。要控制污泥厌氧消化过程中磷的溶出，必须要保持消化环境的有氧状态，这与厌氧消化菌群的生理特征冲突。因此，目前在污泥厌氧消化的框架内，尚缺乏解决方案，为了避免污泥消化中的磷释放问题，只能改用好氧消化或不采用消化技术，但是污泥好氧消化对于处理容量大于5万m³/d的污水厂，其经济性明显劣于厌氧消化。而不采用消化技术，在采用同样的脱水技术条件下，污泥的脱水效果明显下降，不利于污泥的减量化。总之，目前还没有方法解决污泥厌氧消化中普遍存在的这些技术问题。

发明内容

本发明的目的是公开一种污水处理厂污泥厌氧消化技术，采用该技术能优化微生物代谢环境，从而抑制了污泥中磷的释放、降低了污泥的含水率，提高了有机碳转化为沼气的转化率。

为了达到上述目的，本发明按污泥消化的水解和甲烷化微生物菌群代谢特征，确定了污泥消化的基本流程分二段进行：第一段是从污水厂污泥浓缩池排出的浓缩污泥先进入曝气水解消化反应器进行曝气水解消化，控制反应器中溶解氧浓度须大于1.5mg/L，使污泥磷释放率小于80％；第二段是固液分离得到的水解液再进入填料式甲烷化反应床进行甲烷化消化产生沼气；而分离得到的污泥泥饼则利用沼气进行热干燥后作土地利用。

具体步骤如下：

第一步：浓缩预处理后的污水处理厂污泥，先通过换热器A加热至35℃～40℃后进入曝气水解消化反应器中水解消化；曝气水解消化反应器主体为2个直径不同的同心圆筒，内筒下部设有微孔曝气管，运行时，内筒中的污泥与曝气释放的气泡混合，使其表观密度低于内、外筒环隙内的污泥，由此，可使反应器内的污泥，在环隙和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件。通过控制曝气的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平，同时pH控制在5.5～6.0，反应器内温度维持在30℃～35℃，消化水力停留时间6d，即获得水解消化产物；

第二步：水解消化产物采用离心分离因素1800～2200的卧式螺杆卸料离心机作固液分离，得水解液和泥饼；

第三步：水解液通过换热器B加热40～45℃进入填料式甲烷化反应床，在外接的离心式泥浆泵驱动下，以0.005-0.02m/s循环流速在填料式甲烷化反应床中循环，反应温度为32～38℃，进行甲烷化消化产生沼气和消化出水；通过离心式泥浆泵出口的一个三通阀，将消化出水排出甲烷化反应床，并通过调节三通阀的开度，控制排液流量，使水解液在该反应器内的水力停留时间为3d。沼气收集后进入燃气锅炉生产蒸汽，消化出水回流至污水处理厂配水井，部分消化出水进入曝气水解消化反应器中，使曝气水解消化反应时pH控制在5.5～6.0。

第四步：先将泥饼与干燥污泥搅拌混合至含水率在50％～60％范围，再进入工业用卧式空心桨叶干燥器中干燥至含水率32％～38％，干燥用的热源为污泥甲烷化产生的沼气在燃气锅炉生产的压强200～250kPa(表压)，温度140℃～150℃的过热蒸汽，蒸汽在干燥器的夹套和空心轴中流动，以间接加热方式对干燥过程供热完成泥饼加热干燥，成为干化污泥作土地利用；干燥器干燥污泥产生的二次蒸汽由循环空气带出，先进入换热器B将水解液加热到40～45℃后，再进入换热器A将浓缩预处理后的污泥加热到35～40℃，换热器A出来的尾气通过分流阀，排除气量的1/10，排除尾气的同时补充等量新鲜空气，然后再返回干燥器循环；排出的尾气与沼气燃烧所需的空气一起进入燃气锅炉，燃烧脱臭后，通过烟道排除。二次蒸汽在两个换热器中冷凝成的冷凝液回流至污水厂配水井。

所述的第三步的填料式甲烷化反应床，其圆筒体中部的高度为直径的3～6倍，圆筒体中部内悬垂吊挂聚酯无纺土工布，作为甲烷化消化微生物的附着生长填料载体，土工布规格400g/m²，裁成5cm宽长条后吊挂使用，土工布吊挂密度250～400条/m²。土工布悬挂空间下部设0.3m厚的碎石填充层，碎石级配粒径5-20mm。反应床顶部设离心分离的水解液进口和沼气收集口，侧壁按上进、下出方式设2个液体进出口，并与离心式泥浆泵连接，驱动液体在填料床中由上至下流动。

所述的第一步的污泥在曝气水解消化反应器中水解消化，所用的反应器由内、外同心圆筒组成，内、外筒直径比控制在1:(1.4～1.6)，外筒的直径与高度比值为1:(3～5)，外筒为密闭结构，下部设污泥进口，上部设溢流式污泥出口，顶部设气体释放口；内筒上下两端敞开，下端截面内平行安装微孔曝气管，各微孔曝气管间隔8～15cm，使污泥能在其间流动；运行时，内筒中的污泥与曝气释放的气泡混合，使其表观密度低于内、外筒环隙内的污泥，使反应器内的污泥在环隙和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件；反应器环隙内设置2～3个溶解氧和pH探头，持续测试污泥的溶解氧浓度和pH。

本发明的优点是：

1.本发明将污泥的消化过程分为两段，一段为低氧的水解消化，一段为厌氧的甲烷化消化，能优化2类消化微生物的代谢条件，使水解消化后离心分离的泥饼含水率平均为76.5％(值域73％～79％)，甲烷化后有机碳的气相(沼气)转化率平均达到了93％(值域89％～95％)。

2.水解菌群大部分为兼性微生物，曝气水解不影响其代谢活性，本发明控制曝气量，减少了有机物好氧转化为CO₂和H₂O的比例，污泥水解溶出的有机碳的气相转化率降低至平均为6％(值域4％～10％)，因此，保证了后续的液相甲烷化有足够的基质，使沼气转化率达到93％。

3.本发明污泥在水解段消化后即与液相分离，不经历厌氧条件，其低氧的水解环境条件抑制了污泥中磷的释放，消化全过程中磷的释放小于20％，与常规的厌氧消化中磷的释放率达60％相比，有效减轻了磷回流对污水厂除磷效果的影响。

4.本发明从全过程能量平衡的要求出发，两段消化(污泥水解和甲烷化)均采用中温(30℃～38℃)，既保证了泥饼达到土地利用的卫生无害化要求(通过后续热干燥杀灭致病菌)，又利用甲烷化产生的沼气对泥饼进行热干燥处理，实现污泥植物营养元素的还田。

5.由于本发明污泥曝气水解消化的溶解氧控制在1.5～2.0mg/L，消化时间为6d，即使污泥中有机物水解溶出率平均达到40.8％(值域38％～44％)，且污泥中的颗粒物在水解段消化后已与液相分离，提供了采用填料式甲烷化反应床作甲烷化转化的条件，填料附着生长保证了甲烷化微生物的优化，因此，水解液中有机物沼气转化率达93％，能量回收率较高。

6.本发明利用甲烷化产生的沼气生产蒸汽，蒸汽干化水解后分离的泥饼，二次蒸汽再加热水解液和浓缩污泥，尾气通过锅炉燃烧脱臭排放，实现了能量综合利用。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的曝气水解消化反应器结构示意图。

图3为本发明的填料式甲烷化反应床结构示意图。

图中：

1-污泥进口，2-液面，3-外筒，4-内筒，5-微孔曝气管，6-排空口，7-污泥出口，8-除沫器，9-排气口，10-水解液进口，11-悬垂填料吊架，12-反应器壁，13-悬垂填料，14-碎石填料，15-排空管，16-循环管，17-离心式泥浆泵，18-消化出水排出口，19-排出流量控制三通阀，20-沼气收集口。

具体实施方式

下面以污泥干固体产生量为20t/d的污水处理厂(相当于日处理污水10万m³的污水处理容量)为例，结合附图介绍本发明的具体实施方式。

请参阅图1、2和3。

污泥干固体产生量为20t/d的污水处理厂浓缩污泥量约400m³/d(含水率95％)，浓缩污泥首先在换热器A中与通过换热器B的来自空心桨叶干燥器的二次蒸汽进行间壁式换热，升温至35℃～40℃，再进入曝气水解消化反应器中，进行水解消化；曝气水解消化反应器主体为2个直径不同的同心圆筒，外筒3为密闭结构，上部一侧设污泥进口1，上部另一侧设溢流式污泥出口7，顶部设释放气体的排气口9；内筒4上下两端敞开，下端截面内平行安装微孔曝气管5，每个曝气反应器外筒3的内径为5m，高20m、操作时实际液深18m，为使消化水力停留时间达到6d，采用7个相同的反应器平行操作；内筒4直径为3.2m，高15m，上、下分别距外筒3实际液面和底面均为1.5m，同心安装于外筒3内，内筒4底部截面处，每间隔15cm平行安装19条长度与底部截面相对应的微孔曝气管5。运行时，连接罗茨风机进行曝气，使内筒4中的流体(污泥)与曝气释放的气泡混合，致其表观密度低于内、外筒环隙内的流体，使反应器内的流体(污泥)在环隙和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件。反应器环隙内中间截面均匀设置测试溶解氧和pH探头各2个，持续测试污泥的溶解氧浓度和pH，通过控制曝气的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平；同时，通过回流部分甲烷化消化出水控制pH在5.5～6.0的水平。

水解消化完成的产物采用卧式螺杆卸料离心机作固液分离，将污泥分离为泥饼和水解液。离心机筒体直径0.45m、长径比3.3，转速3000转/分钟(离心分离因素约2000)，单台分离消化产物流量20m³/h，配置2台。

离心机排出的水解液，流量约330m³/d，首先在换热器B中与来自空心桨叶干燥器的二次蒸汽进行间壁式换热，升温至40℃～45℃，再进入填料式甲烷化反应床中进行甲烷化消化。填料式甲烷化反应床为圆筒体，内径6m，高23m，筒内顶面下2m设悬垂填料吊架11，悬垂吊挂聚酯无纺土工布作为甲烷化消化微生物的附着生长载体-悬垂填料13，土工布规格400g/m²，每条宽5cm、长度15m，垂直方向间隔3m设悬垂填料固定架稳定土工布，土工布在反应床中均匀分布，吊挂数量8500条；土工布悬挂空间下部设0.3m厚的碎石填料14，碎石级配粒径5～20mm；反应床顶部设离心分离的水解液进口10和沼气收集口20，侧壁按上进、下出方式设2个液体进出口，通过循环管16与离心式泥浆泵17连接，驱动水解液在反应床内由上至下流动，离心式泥浆泵17流量1200m³/h，水头25m；离心式泥浆泵17出口另设一个排出流量控制三通阀19，使消化完成的消化出水通过消化出水排出口18排出。甲烷化消化产生的沼气收集后去燃气锅炉，甲烷消化出水回流至污水处理厂配水井。

收集的沼气通过气体燃烧锅炉产生压强200～250kPa(表压)，温度140℃～150℃的过热蒸汽。

污泥固液分离产生的泥饼约36t/d，先与干燥污泥搅拌混合，至混合污泥含水率在50％～60％范围，混合污泥量约77t/d，再进入工业用卧式空心桨叶干燥器中干燥，沼气燃烧产生的过热蒸汽在干燥器的夹套和空心轴中流动，以间接加热方式为干燥过程供热。干燥器直径1.2m、长度8m，操作时物料充满度0.5，干燥时间1.5h，单台处理能力约4t/h，共配置4台；污泥干燥产生的二次蒸汽由流量15000m³/h的循环空气带出，循环空气先通过换热器B，再经过换热器A依次加热进入填料式甲烷化反应床的水解液和进入曝气水解消化反应器的浓缩污泥，并使其中的蒸汽冷凝排出，冷凝液回流至污水厂配水井。换热器出来的尾气通过分流阀排除气量的1/10，排出尾气的同时补充等量新鲜空气，然后再返回干燥器循环，排出的尾气与沼气燃烧所需的空气一起进入燃气锅炉，燃烧脱臭后，通过烟道排除。干燥产生的干化污泥即可作土地利用。

本发明对实施例进行计算验证发现，每1kg含有机物65％的干污泥，消化后可回收沼气(体积比CH₄65％、CO₂35％)0.22m³，其所含热值为5.72MJ，可加热干燥蒸发掉污泥脱水泥饼中2.04kg的水量(热干燥时，每kg水分蒸发的平均消耗燃料能量2.8MJ)；而以1kg干污泥计，其消化后的干固体体重734.8g，换算为含水率76.5％的泥饼重量为3126.8g，泥饼含水2392g，蒸发2040g后，剩余352g，则干燥后干化污泥含水率32.4％，可以满足土地利用的贮存与运输要求。

Claims

1.污水处理厂污泥分相消化方法，其特征在于：

先将浓缩预处理后的污泥通过换热器A加热至35℃～40℃后进入曝气水解消化反应器中进行曝气水解消化反应，通过控制曝气的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平，同时pH控制在5.5～6.0，反应器内温度维持在30℃～35℃，消化水力停留时间6d，即获得水解消化产物；水解消化产物进入离心分离因素1800～2200的卧式螺杆卸料离心机作固液分离得水解液和泥饼；水解液通过换热器B加热至40～45℃进入填料式甲烷化反应床，在循环流速为0.005～0.02m/s，反应温度为32～38℃条件下，进行水力停留时间为3d的甲烷化消化产生沼气和消化出水，沼气收集后在燃气锅炉中生产蒸汽，消化出水回流至污水处理厂配水井；泥饼先与干燥污泥搅拌混合至含水率为50～60％，然后在卧式空心桨叶干燥器中用锅炉生产的蒸汽加热干燥，成为干化污泥作土地利用；卧式空心桨叶干燥器产生的二次蒸汽由循环空气带出，先进入换热器B将水解液加热到40～45℃，然后再进入换热器A将污泥加热到35～40℃，换热器A出来的尾气通过分流阀排除气量的1/10，排除尾气的同时补充等量新鲜空气，然后再返回卧式空心桨叶干燥器循环；排出的尾气与沼气燃烧所需的空气一起进入燃气锅炉，燃烧脱臭后，通过烟道排除。

2.根据权利要求1所述的污水处理厂污泥分相消化方法，其特征在于：所述的进入曝气水解消化反应器中进行曝气水解消化反应时pH控制在5.5～6.0，是通过回流一部分甲烷化产生的消化出水实现的。

3.根据权利要求1所述的污水处理厂污泥分相消化方法，其特征在于：泥饼在卧式空心桨叶干燥器中用锅炉生产的蒸汽加热干燥是用表压压强为200～250kPa，温度140℃～150℃的过热蒸汽，在卧式空心桨叶干燥器的夹套和空心轴中流动，间接加热方式将污泥干燥至含水率为32～38％的干化污泥的。