CN101935137B

CN101935137B - 沼气发酵原料液中泥沙分离的方法及其装置

Info

Publication number: CN101935137B
Application number: CN2010102666131A
Authority: CN
Inventors: 张燕生; 庞昌乐; 董仁杰; 李晓华
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: CN101935137A

Abstract

本发明提供一种沼气发酵原料液泥沙分离装置，包括原料调节池、水解池、泥沙分离槽、集水井，原料调节池设有搅拌器和原料输送泵，原料输送泵出水口下方和水解池进水端之间连有两侧具挡板的坡道，在所述坡道起点最低洼处两端紧靠侧壁开始，沿两端侧壁各设一个排水管通向水解池，所述泥沙分离槽内安装有鼓风机喷口，外部安装有鼓风机，在泥沙分离槽和集水井连接处的上部设有溢流堰，本发明同时提供利用这种装置进行泥沙分离的方法。本发明泥沙分离效果好，有机物损失小，尤其适合于鸡粪、牛粪等含泥沙较多的高浓度有机污水的泥沙分离预处理。

Description

沼气发酵原料液中泥沙分离的方法及其装置

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种含泥沙有机污水的泥沙分离方法与装置，尤其涉及养牛场、养鸡场等高浓度有机废水进行沼气发酵处理时的泥沙分离工艺与设备。

背景技术

近年来，我国的沼气发酵应用工程发展很快，但在牛粪、鸡粪等一类含沙量较高的有机废水沼气发酵工程中，存在着泥沙分离困难，严重影响设备性能与运行效果的问题。

沼气发酵厌氧处理远不及好氧生物处理应用广泛、技术成熟，但二者又同属于废水生物法处理技术，因此在沼气发酵设备特别是原料预处理等配套设备的研制或开发中大量借鉴或直接套用了好氧处理的相关技术。比如目前较为成熟的污水沉砂处理工艺方法有平流式沉砂池、竖流式沉淀池、辐射流沉淀池等，但所有此类技术设备都是来自于传统的污水好氧生物处理工艺，几乎没有一例是专为沼气发酵开发的成熟工艺设备。这类技术至少有两个缺点使其不可能适合沼气发酵：其一是这类工艺设备的根本目的是污水净化，它追求的是能把固形物从水中分离出来，而沼气发酵多了一个重要目的，它除了水质净化外，还追求能源产出，要求尽可能多地的将有机物变废为宝，转化成沼气。因此沼气发酵的原料除砂时要求只把固形物中的泥砂除掉，有机物固体要尽可能留下来产沼气。其二是从这类设备的设计理论来看，也不可能很适合应用于沼气发酵，污水处理中的沉砂池设计依赖于自由沉降理论、浅层沉降原理、理想沉淀池模型等基础理论；沉降计算大都利用Stokes理论公式。这类设计理论与计算方法都是建立在简单的两相流模型之上，相对更适用于低浓度固形物流体的固液分离，好氧法处理的污水大多是此类低浓度水，但沼气发酵特别注重高浓度固形物原料、注重有机固体与无机固体的固-固相宏观分离、属于复杂得多的高浓度的多相流模型，上述理论与计算方法显然不再适用。

因此，目前沼气发酵工程所应用的沉砂工艺本应该用于浓度相对很低的城市生活污水、工业废水，而不宜直接用于固形物浓度高得多的牛粪、鸡粪等含泥沙污水。在好氧生物处理污水工程中，有通过处理水回流等方式稀释原水的做法，但此作法不适合要求高浓度原料的沼气发酵，尤其不能用于规模化沼气工程。因为这类工程要求全年产气，必须保证发酵温度，所以处理废水浓度越低，成本越高，尤其是能量产出降低更多，甚至不但不产能，反而比传统好氧法能耗更高。

综上所述，可以说沼气发酵工艺中并没有针对自身原料特点的比较成熟的原料除砂技术。沼气工程的科研与技术开发最早集中在厌氧发酵与反应器，目前在沼渣沼液处理及其综合利用方面也得到加强，但是除砂等原料预处理研究开发非常薄弱，技术严重落后。因此高含泥沙的沼气发酵工程几乎都存在着分离效果差或有机物损失高的难题。如何有效地分离泥沙，特别是有机固形物与泥砂之间如何实现宏观的两相分离，被认为是这类泥沙高含量原料在沼气发酵时的难点所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种沼气发酵原料液泥沙分离装置，包括原料调节池、水解池、泥沙分离槽、集水井，原料调节池设有搅拌器和原料输送泵，原料输送泵出水口下方和水解池进水端之间连有两侧具挡板的坡道，在所述坡道起点最低洼处两端紧靠侧壁开始，沿两端侧壁各设一个排水管，通向水解池，所述泥沙分离槽内安装有鼓风机喷口，外部安装有鼓风机，鼓风机喷口与鼓风机相连，在泥沙分离槽和集水井连接处的上部设有溢流堰。所述鼓风机的喷口位于溢流堰的下方。

所述坡道长度为0.5m～1.5m；所述坡道还设有仰角，一般此仰角在15°～40°范围以内；所述坡道的表面为起伏不平的波棱状，其波峰线或波谷线与料液流向垂直。

所述水解池和泥沙分离槽式一体式结构，下部相互连通，所述泥沙分离槽底部呈“V”字型。

本发明的目的另一个目的是提供一种利用上述装置分离泥沙的方法，包括以下步骤：

1)、依照原料处理量与形态特征设置原料均质池或者原料调节池，一般畜禽养殖废水的固形物浓度很高且极不均匀，进入泥沙分离工艺之前应做搅拌均质与浓度调节处理，当固形物浓度过高时可用沼气发酵回流液稀释，浓度控制在4％～8％为宜。

2)紧邻原料调节池设置水解酸化池，二池之间设置一种两侧带挡板的粗砂石分离坡道，作为初级分离工序，主要用于分离较大粒径的粗砂石。将原料液通过原料输送泵输送到两侧带挡板的坡道内，在此过程中，粗颗粒泥沙急剧失去动能，最终在重力作用下沉积于低洼处，而有机物密度较小，动能损失相对较小，可溢流进入水解池。

3)、原料输送泵停止运转期间，潴留于两侧带挡板的坡道内的污水可经过专用排放通道排入水解池，留下来的泥沙经人工或机械方法排除。

4)、水解酸化预处理：原料液越过上述坡道溢流进入水解酸化池，经过水解酸化，固形有机物表面开始液化，与泥沙结合力减弱，便于此后的分离除砂、减少有机物流失。水解酸化过程的滞留期(HRT)十分重要，应该予以保证，水解时间不够时有机物与泥砂分离难度加大，严重影响后面的除砂效果；水解时间过长会造成有机物损失，CO₂增加，影响沼气发酵。因此，为了实现本发明的最终目的，可采用序批式(间歇分批式)工艺或推流型(包括连续或半连续运行)反应器等工艺方法，以确保适宜的HRT。按照HRT＝V/Q的公式来确保HRT，其中V为水解池和泥沙分离槽的有效容积，Q为处理流量。

5)分离泥沙：经过水解酸化预处理后的物料推进到泥砂分离槽，槽内设置切向喷气装置，上部设置溢流堰，充气溶液夹带着气泡呈旋转流态升至溢流堰。气浮分离槽与水解酸化池为一体连通构筑物，但充气仅限于分离槽，气泡和旋流作用被限制于分离槽内，并不波及水解酸化段。由于水解段液体密度大，分离槽内充气液体密度小，从而形成压差，推高分离槽液体水位形成升流溢出。由于有机物经水解酸化预处理会发生吸水膨胀、表面液化、易于气浮等变化，吸附在液膜表面的沙石与有机物相比密度大得多，其惯性力和离心力大得多，从而在不断改变方向的横向流或旋流过程中发生相对运动，与有机物剥离。剥离的有机固形物易于吸附气泡，呈悬浮态，可在气浮作用下升流溢出。而在此过程中，密度较大、吸附气泡能力和浮升能力很弱的沙石在离心力作用下横向甩至壁面，然后沿壁面旋流行进，分离槽内壁设置有短筋或网状形态的路障物，沙石在不断旋转改变方向过程中动量损失很快，加之路障物的拦截作用和沙石间相互碰撞作用，最终完全失去动能而降落，实现有机物与沙石的宏观两相分离。泥砂分离槽横截面以圆形或椭圆形为好，有效深度不低于2米，鼓风量W可按照下式计算：

W＝1.3×h₂×Q÷(23×k×Ln((h₁+10)÷10))

式中Q——处理量[m³/h]

h₁——空气进口最低位置到水解池液面之间的高度[m]

h₂——泥砂分离槽最高液面与水解池液面的水位差[m]

k——分离槽升液效率

k值与原料种类、均质效果、悬浮物浓度、曝气设备有关，为试验参数。对于经过充分搅拌均质处理的高浓度粪便类污水原料，k值在0.2～0.35之间。

本发明的提供的方法简单易行，泥沙分离效果好，有机物损失小，尤其适合于鸡粪、牛粪等含泥沙较多的高浓度有机污水的泥沙分离预处理。

附图说明

图1所示为泥沙分离装置示意图。图中1，原料调节池；2，水解池；3，泥砂分离槽；4，原料搅拌器；5，原料输送泵；6，粗砂石分离坡道；7，鼓风机；8，溢流堰；9，集水井；10，鼓风管喷口；11，排水管。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本例中的装置包括原料调节池1、水解池2、泥沙分离槽3、集水井9，其中水解池2与泥砂分离槽3为一体化结构。原料调节池1设有搅拌器4和原料输送泵5，原料输送泵5出水口下方和水解池1进水端之间连有两侧带挡板的坡道6，在坡道6起点最低洼处两端紧靠侧壁开始，沿两端侧壁各设一个排水管11通向水解池2。泥沙分离槽3内部安装鼓风机喷口10，外部安装鼓风机7，鼓风机喷口10与鼓风机7相连，在泥沙分离槽3和集水井9连接处的上部设置溢流堰8。鼓风机喷口10的位置设置在溢流堰8的下方。

两侧带挡板的坡道6的长度为0.5m，角度为30°，将坡道表面制作成起伏不平的波棱状，并且波峰线或波谷线与料液流向垂直。

在泥沙分离槽3内壁铺设垂直于内壁的短钢筋，短钢筋长度3cm，按照正菱形分布，菱边长度为10cm。

实施例2

用实施例1提供的装置对牛粪沼气发酵原料液进行泥沙分离，工艺流程如下：

1)牛粪在原料调节池搅拌均匀并在此与发酵回流液体混合，调节固体浓度在7％左右；

2)完成操作步骤1)后，以6小时为一周期序批式如下操作；

3)清理坡道，将位于坡道两侧的排水管入口用简易盖封住；

4)启动泥砂分离槽的鼓风机，分离槽内气液混合体呈旋流态，密度低于水解池，液面水位升高越过溢流堰进入集水井；

5)启动泥砂分离槽的鼓风机后，随即启动原料调节池的输送泵，7％固形物浓度的牛粪原料经输送泵冲入两侧带挡板的粗沙石分离坡道，溢流进入水解池，在此过程中粗砂石沉降于坡道内；

6)原料输送量达到水解池(包括泥砂分离槽)有效容量时关闭原料输送泵，随后关闭分离槽鼓风机；

7)打开坡道两侧边道入口的简易盖，潴留液排入水解池，人工清除两侧带挡板的坡道内的沙石；

8)间歇6小时后重复上述3)到7)的操作。

经过上述方法处理的牛粪，粒径0.3mm以上无机固形物截流率大于95％；0.2mm以上无机固形物截流率为80％以上；0.1mm无机固形物截流率不低于50％；有机物流失率低于5％。

Claims

1.一种沼气发酵原料液泥沙分离装置，包括原料调节池(1)、水解池(2)、泥沙分离槽(3)、集水井(9)，原料调节池(1)设有搅拌器(4)和原料输送泵(5)，原料输送泵出水口下方和水解池进水端之间连有两侧带挡板的坡道(6)，在所述坡道起点沿两侧壁各设一个排水管(11)通向水解池(2)，所述泥沙分离槽(3)内安装有鼓风机喷口(10)，并于安装在泥沙分离槽(3)外部的鼓风机(7)相连，在泥沙分离槽(3)和集水井(9)连接处的上部设有溢流堰(8)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两侧带挡板的坡道(6)设有15°～40°的仰角。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述两侧带挡板的坡道(6)的长度为0.5～1.5m。

4.根据权利要求1～3任一项所述的装置，其特征在于，所述两侧带挡板的坡道(6)表面为起伏不平的波棱状，其波峰线或波谷线与料液流向垂直。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泥沙分离槽(3)的下部为V字型结构。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述泥沙分离槽(3)的内壁设置有短筋或网状形态的路障物。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述鼓风机喷口(10)位于溢流堰(8)的下方。

8.使用权利要求1所述的装置进行泥沙分离方法，包括如下步骤：

1)、将沼气发酵原料推入原料调节池(1)中，用搅拌器(4)进行搅拌，并将原料稀释到浓度在8％以内；2)、通过原料输送泵(5)将原料液输送到两侧带挡板的坡道(6)内进行初级分离，携带小颗粒泥沙的原料液溢流进入水解池(3)酸化，大颗粒的泥沙沉降于两侧带挡板的坡道(6)内；3)、原料液输送停止期间，将潴留于两侧带挡板的坡道(6)内的污水排入水解池酸化，人工或机械方法去除坡道内的泥沙；4)、经过水解的原料液推进到泥沙分离槽(3)内，并开启鼓风机(7)，在螺旋升流过程中有机物与泥沙实现分离，与泥沙分离的有机物溢流进入集水井(9)。

9.根据权利要求8所述的分离方法，其特征在于，所述原料液在水解池酸化的滞留期按水解池(2)和泥砂分离槽(3)的有效容积之和与处理流量的比值确定。

10.根据权利要求8所述的分离方法，其特征在于，所述潴留于两侧带挡板的坡道(6)内的污水通过排水管(11)排入水解池(3)。