CN100500601C

CN100500601C - 一种污泥热消化制备生物固体的装置

Info

Publication number: CN100500601C
Application number: CNB2006101240084A
Authority: CN
Inventors: 黄少斌; 张峥嵘
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: CN101020594A

Abstract

本发明公开了一种污泥热消化制备生物固体的装置，包括一个密封的反应罐，罐体的侧壁上有一层水浴套，水浴套内设置有电热管；反应罐的盖顶设置有进泥口和集气口；罐内设置有搅拌桨和曝气头，反应罐的底部设置有排泥口。在连接搅拌桨和搅拌电机的电线上还固定有消泡丝。该装置还可以再包括一个反应罐，两个反应罐之间通过串联的方式联接在一起。该装置可以集现有其他污泥消化技术为一体，可以同时实现传统污泥好氧厌氧消化、缺氧/好氧消化、自热高温好氧消化、两段高温好氧/中温厌氧消化的功能，解决了消化过程中的泡沫问题，提高了反应速度和效率。

Description

一种污泥热消化制备生物固体的装置

技术领域

本发明涉及环境保护和资源综合利用领域，特别涉及一种污泥热消化制备生物固体的装置。

背景技术

污泥热消化技术与传统污泥消化技术涉及的原理一样，都是通过微生物对有机物进行降解达到污泥的稳定化和无害化。但是，同传统污泥消化工艺比较，污泥热消化工艺能制备得到美国EPA规定的A级生物固体，具有消化功能强大、多种消化功能、系统投资少、运行过程能耗少、消化时间短和更小的消化池体积等优点。

现有的污泥消化工艺主要有以下几种：

(1)传统好氧消化工艺(Conventional aerobic digestion，CAD)。CAD工艺主要通过曝气使微生物在进入内源呼吸期后进行自身氧化，从而使污泥减量。其常用的工艺流程主要有连续进泥和间歇进泥两种。CAD工艺具有工艺成熟、机械设备简单、操作运行简单、基建费用低等优点。但是，这种工艺的需氧量很大，需长时间连续曝气，所以运行费用较高；消化设备无搅拌装置，消化反应速度慢，反应不充分；消化设备中无加热装置，消化温度低，对病原菌的灭活能力较低；此外，这种工艺会发生硝化反应，消耗碱度，使得pH值下降。

(2)常规中温厌氧消化工艺。这种工艺的脱水污泥不经预热就直接进入间歇式的消化罐内，消化罐内通常不设置搅拌装置，利用产生的沼气上升起到一定的混合作用。由于搅拌作用不充分，罐内的污泥分三个区域：漂浮污泥层、中部液体层和下部污泥层。稳定后的污泥由罐底周期性地排出，上层和中层则在每次进料时一并排出，直接或经预处理后返回到污水处理设施中。此种工艺的混合效果差，消化罐只有约50％的容积能得到有效利用，且消化设备中无加热装置，因此经过厌氧消化后的污泥中，病原菌等没有得到有效的杀灭，消化后的污泥达不到农用的标准。

(3)两级厌氧消化工艺。这种工艺是在一级厌氧消化的基础上引入第二个消化罐，目的是对厌氧消化后的污泥进一步重力浓缩。该工艺的出泥体积较小，且有效控制了污泥消化过程中的短流现象。但是由于在第二个消化罐内消耗了大量的污泥有机质，且无搅拌、加热装置，反应不充分，产气量也很少，所以污泥中的病毒、病原菌等难以完全杀灭干净。

(4)缺氧/好氧消化工艺(anoxic/aerobic digestion，A/AD)。这种工艺是在传统好氧消化工艺的前端加一段缺氧区，利用污泥在该段缺氧区发生反硝化反应产生的碱度来补偿好氧区中硝化反应所消耗的碱度，所以这种工艺无需另外加碱就能使pH值保持在7左右，而且需氧量也较少。但是，A/AD工艺的供氧动力费较高、污泥停留时间长；由于第二个反应池不设搅拌设备，只通过曝气过程进行搅拌，因此反应不充分，处理效果不理想；消化设备无加热装置，对病原菌的去除率低。

(5)自热高温好氧消化工艺(Autoheated thermophilic aerobicdigestion，ATAD)。ATAD工艺主要是利用高温环境下生长的嗜热微生物的代谢过程达到降解有机物、灭活病源菌的作用。该工艺的主要要求为：先浓缩污泥，使其MLSS浓度达到(4～6)×10⁴mg/L或VSS浓度达到2.5×10⁴mg/L；同时采用封闭式的反应器，并且外壁采取隔热措施以减少热损失；此外，还需采用高效氧转移设备以减少蒸发热损失。通过这些措施可使反应器温度达到45～65℃，甚至在冬季也不需要另外加热源仍可保持高温。该工艺流程主要为：污泥先经过浓缩池浓缩处理，然后进入第一个消化罐，再进入第二个消化罐；出泥进入后浓缩池，处理后得到消化液和消化出泥。这种工艺的温度较高，所以可以抑制硝化反应的发生，其pH值可保持在7.2～8.0，需氧量较少；有机物的代谢速率较快、去除率高；污泥停留时间短，一般仅需5～6天；对病原菌灭活效果好。但是，ATAD工艺的机械设备复杂；消化过程中会产生大量的泡沫，没有合适的消泡技术和设备，消泡效率低，大大减少了反应罐的有效利用率，也不利于提高溶解氧的利用效率和污泥消化效率；动力费用高；需有浓缩工序；而且还要求进泥应含有足够的可降解固体。

(6)两段高温好氧/中温厌氧消化工艺。这种工艺是将自热高温好氧消化工艺与中温厌氧消化工艺相结合，即以一段高负荷ATAD系统对污泥进行预处理后再进入中温厌氧反应器。该工艺可显著提高对病原菌的去除率和后续中温厌氧消化运行的稳定性。但是该工艺尚处在实验阶段，其中很多机理尚未弄清，如需大规模推广，还需要进一步深入的研究其机理和反应设备等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种集成多种污泥消化工艺、机械设备简单、成本低、污泥处理效果好的污泥热消化制备生物固体的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种污泥热消化制备生物固体的装置，包括一个密封的反应罐，罐体的侧壁10上有一层水浴套12，水浴套12内装满水并且设置有电热管11，电热管11与控温仪24相联接；在水浴套12内部和反应罐内部均设置有温度传感器3；反应罐的盖顶设置有进泥口4和集气口5；罐内设置有搅拌浆和曝气头9，搅拌浆通过连接线与设置在罐顶外的搅拌电机1连接，曝气头9通过连接线与设置在罐顶外的鼓风机2连接，鼓风机2和曝气头9之间还连接有设置在罐项外的转子流量计6；罐顶外还设置有反光镜7；在连接搅拌浆和搅拌电机1的连接线上还固定有消泡丝23；反应罐的底部设置有排泥口14，污泥泵13的一端通过管道与排泥口14相通，管道之间设置有止回阀15；污泥泵13的另一端通过管道连接到反应罐的上半部，管道之间设置有止回阀16。

所述反应罐的罐体内壁以及消泡丝的表面均涂满特氟龙疏水性材料。因为特氟龙疏水性材料会在反应罐的罐体内壁和消泡丝表面形成疏水特性，使得系统内工作时泡沫减少97％以上，提高反应罐的有效利用空间，减少污泥流动阻力，节省搅拌动力2～20％。当同串联或并联消化工艺相结合时，可以提高污泥消化效率2～20％。

在反应罐的内壁上设置有用于固定连接曝气头9和鼓风机2的连接线的钢圈8，以避免连接曝气头9的连接线缠绕在搅拌浆上。

上述装置还包括一个反应罐，第一个反应罐的排泥口14、第二个反应罐的排泥口18均通过管道分别与两个反应罐的上半部相通，管道之间均设置有止回阀。打开止回阀15和17、或打开止回阀19和21，均可以使两个反应罐之间以串联方式联接在一起。关闭所有止回阀、或只打开止回阀15和16、或/和只打开止回阀19和20，均可以使两个反应罐之间以并联方式联接在一起。

在上述装置中进行的反应可以是中温厌氧自动消泡消化反应、高温厌氧自动消泡消化反应、高温好氧自动消泡消化反应、或污泥两个反应罐串并联的组合反应，步骤如下：

步骤1：首先将进泥浓缩，使得污泥的浓度为(4～6)×10⁴mg/L或污泥中挥发性有机物的浓度为(2～3)×10⁴mg/L。

步骤2：然后浓缩后的污泥进入第一个反应罐，根据消化类型，选择是否开启搅拌装置和曝气装置：(1)进行厌氧自动消泡消化反应时，则无需开启曝气装置，可选择开启搅拌装置；(2)进行好氧自动消泡消化反应时，则需开启曝气装置，选择开启搅拌装置；而且曝气量的大小和搅拌速度的快慢可根据进泥量和进泥性质等来确定；(3)进行高温消化，则可开启水浴装置并调节加热所需要的温度。

步骤3：经过第一个反应罐消化后的污泥一部分是可资源化利用的生物固体，另一部分返回到第一个反应罐内部进行循环消化，以达到更好的污泥消化效果。

步骤4：选择污泥的二个反应罐串联组合反应时，根据反应的类型，开启合适的反应装置。一般从第二个反应罐出来的消化污泥，大部分是可资源化利用的生物固体，少部分污泥(譬如污泥总量的1％)通过回流污泥泵回流到第一个反应罐内进行继续消化处理，或回流至第二个反应罐内进行内循环消化处理，以维持系统内的有效生物量，实现高效率的消化反应。

步骤5：选择污泥的二个反应罐并联组合反应时，根据反应类型，开启合适的反应装置。若两个反应罐进行的都是污泥高温好氧自动消泡消化反应，则需开启搅拌、曝气和水浴装置，并且两个反应罐中均有一部分污泥回流继续进行消化处理(污泥回流量占进泥量的0.1～2％)，以维持系统内的有效生物量，实现高效率消化反应。

采用一个反应罐进行污泥自动消泡高温好氧消化工艺：将浓缩后符合热消化条件的污泥从反应罐的进泥口4进入，待进泥完毕后，在水浴套12的内部注满自来水。开动搅拌电机1，同时开动鼓风机2，使曝气头9开始曝气，并根据污泥的进泥量和污泥的品质来调节转子流量计6以选择适当的曝气量。然后开启电热管11，并通过温度传感器3和控温仪24调节消化反应所需的温度，以便进行高温消化反应。反应进行时，通过消泡丝23(消泡丝的表面涂满特氟龙疏水性材料)和涂满特氟龙疏水性材料的反应罐内壁使反应产生的大量泡沫破裂(约97％)，避免了泡沫对反应速度和效率造成的影响，使搅拌动力降低了2～20％，节约了反应能耗。当反应进行到6～8天时，打开控制排泥口14的阀门，得到一部分生物固体，另一部分污泥(总进泥量的0.1～2％)回流到反应罐再次进行高温好氧消化反应，即打开止回阀15和16，同时开启污泥泵13，通过污泥泵13使得从反应罐中排出的污泥经过外部管道再次进入反应罐进行热消化反应。当反应再次进行到3～4天，这时出泥基本可达到A级生物固体标准。

采用二个反应罐串联进行污泥自热自动消泡高温好氧消化工艺：将浓缩后符合消化条件的污泥从反应罐的进泥口4进入，待进泥完毕后，在水浴套12的内部注满自来水。开动搅拌电机1，同时开动鼓风机2，使曝气头9开始曝气，并根据污泥的进泥量和污泥的品质来调节转子流量计6以选择适当的曝气量。然后开启电热管11，并通过温度传感器3和控温仪24调节消化反应所需的温度。当反应进行到3天左右时，打开止回阀15和17，同时开启污泥泵13，从第一个反应罐中消化后出来的污泥进入第二个反应罐中继续进行消化。同样，开动第二个反应罐的搅拌电机和鼓风机，但不开动水浴装置即不开启电热管，污泥在第二个反应罐中进行自热自动消泡高温好氧消化。再次消化5～7天后，一部分污泥通过排泥口18排出，得到A级生物固体；另一部分污泥(进泥量的0.1～2％)回流继续进行消化反应：一种选择是打开止回阀19和20，并开动污泥泵22，这时从第二个反应罐中消化出来的污泥通过管道再次循环进入第二个反应罐中继续进行自热自动消泡高温好氧消化，再消化出泥；另一选择是打开止回阀19和21，并开动污泥泵22，这时从第二个反应罐中消化出来的污泥通过管道进入第一个反应罐中继续进行高温好氧自动消泡消化反应，再消化出泥。

采用二个反应罐并联进行污泥高温好氧自动消泡消化反应：第一个反应罐的操作步骤和第二个反应罐的操作步骤与采用一个反应罐进行污泥自动消泡高温好氧消化工艺的操作步骤相同。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明是基于ATAD技术，同时集现有其他污泥消化技术为一体，可以同时实现传统污泥好氧厌氧消化、缺氧/好氧消化、自热高温好氧消化、两段高温好氧/中温厌氧消化的功能。

(2)采用涂有特氟龙材料的消泡装置，可以实现在反应过程中自动消泡的功能，降低了搅拌动力，节省了能耗，提高了消化反应的有效空间，使得消化反应的速度和效率得到了很大的提高。

(3)采用总进泥量的0.1～2％的污泥回流措施，增加了消化反应中微生物的量，使得消化效率提高了10％以上。

(4)反应系统占地面积小、体积小，建设投资及运行费用较低，设备及系统操作可全自动化，而且封闭式反应器的设计有利于臭气的控制。

(5)本发明的污泥热消化时间短，通过热消化工艺处理后的污泥，最终可实现减量化、无害化、稳定化的目的。

(6)本发明制备得到的生物固体是无毒无害、可资源回收利用的A级生物固体，可直接作为农用如肥料和土地利用等，不仅避免了污泥对环境造成的二次污染，而且还带来了巨大的社会和经济效益。

附图说明

图1为本装置的系统结构示意图。

图2为本方法的技术路线图。

(1：搅拌电机；2：鼓风机；3：温度传感器；4：进泥口；5：集气口；6：转子流量计；7：反光镜；8：钢圈；9：曝气头；10：侧壁；11：电热管；12：水浴套；13：污泥泵；14：排泥口；15：止回阀；16：止回阀；17：止回阀；18：排泥口；19：止回阀；20：止回阀；21：止回阀；22：污泥泵；23：消泡丝；24：控温仪。)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

污泥热消化制备生物固体的装置，包括一个密封的反应罐，罐体内壁涂满特氟龙疏水性材料；罐体的侧壁10上有一层水浴套12，水浴套12内装满水，水浴套内设置有电热管11；在水浴套内部和反应罐内部均设置在温度传感器3，反应罐的盖顶设置有进泥口4和集气口5，集气口5用于收集消化反应过程中产生的有毒气体；罐内设置有搅拌浆和曝气头9，搅拌浆通过连接线与设置在罐顶外的搅拌电机连接，曝气头通过连接线与设置在罐顶外的鼓风机2连接，鼓风机2和曝气头9之间还连接有转子流量计6；罐顶外还设置有反光镜7，用以观察反应进程。

在连接搅拌浆和搅拌电机1的连接线上还固定有消泡丝23，采用特氟龙疏水性材料制成，因为在反应时会产生大量的泡沫，通过消泡丝23可使泡沫破裂，避免泡沫对反应速度和效率造成的影响。

反应罐的底部设置有排泥口14。通过调节止回阀15，可使得污泥泵13与反应罐内部相通。对水浴温度的调节可以通过调节与电热管11联接的控温仪24来实现。

在反应罐的内壁上设置有用于固定曝气头的连接线的钢圈8，以避免连接曝气头9的连接线缠绕在搅拌浆上。

实施例1

采用一个反应罐进行污泥高温好氧自动消泡反应：

污水取自某污水处理厂，污泥含水率95.2％，pH值为7.21，VSS为2.95×10⁴mg/L，COD为18000mg/L，DO为2.1mg/L，ORP为—246mV。采用一个反应罐进行污泥高温好氧自动消泡反应，采用间歇进泥方式，进泥量为100kg/h，反应罐出来的部分污泥回流(进泥量的0.1％—2％)，反应罐水浴温度调至60℃，搅拌速度200r/min，曝气量为0.55(V空气/V污泥/min)。运行8天后，在反应罐内的不同位置(污泥上、中、下液面)取样分析，取平均值，测得污泥pH值为7.0，VSS为1.75×10⁴mg/L，VSS降解率为40.7％；COD约为4500mg/L，COD去除率约为75％；DO浓度为7.2mg/L；ORP为—306mV。经分析，污泥中不含“巴氏细菌”等病毒。

实施例2

采用二个反应罐串联进行污泥自热自动消泡高温好氧消化工艺：

污泥取自某污水处理厂，污泥含水率97％，初始pH值为7.2，挥发性固体悬浮物(VSS)浓度为3.86×10⁴mg/L，化学需氧量(COD)为15000mg/L，溶解氧浓度(DO)为2.5mg/L，氧化还原电位(ORP)为—215mV。由于污泥浓度不符合污泥自热高温好氧消化的进泥标准，因此首先将污泥进行浓缩，浓缩后污泥的含水率为91.8％左右，符合进泥标准。采用间歇式进泥，一次性进泥5t，二个反应罐以串联方式运行，反应罐2出来的部分污泥(进泥量的0.1％—2％)回流至反应罐1，反应罐1水浴温度调至60℃，搅拌速度200r/min，曝气量为0.45(V空气N污泥/min)。运行7天后，在反应罐2内的不同位置(污泥上、中、下液面)取样分析，取平均值，测得污泥pH值为6.8，VSS为1.9×10⁴mg/L，VSS降解率为50.8％；COD约为3750mg/L，COD去除率约为75％；DO浓度为8.0mg/L；ORP为—260mV。经分析，污泥中不含“巴氏细菌”等病毒。

实施例3

反应罐1进行污泥高温厌氧自动消泡消化处理，反应罐2进行高温好氧自动消泡消化处理，两反应罐串联运行：

污水取自某污水处理厂，污泥含水率96％，pH值为7.25，VSS为3.95×10⁴mg/L，COD为17000mg/L，DO为2.3mg/L，ORP为—238mV。反应罐1进行污泥高温厌氧自动消泡消化反应；反应罐2进行污泥高温好氧自动消泡消化反应。采用连续进泥方式，进泥量为200kg/h，二个反应罐以串联方式运行，反应罐2出来的部分污泥(进泥量的0.1％—2％)回流至反应罐1，反应罐1水浴温度调至50℃，不开搅拌装置和曝气装置；反应罐2水浴温度调至60℃，搅拌速度200r/min，曝气量为0.55(V空气/V污泥/min)。运行8天后，在反应罐2内的不同位置(污泥上、中、下液面)取样分析，取平均值，测得污泥pH值为7.05，VSS为1.85×10⁴mg/L，VSS降解率为53.2％；COD约为4000mg/L，COD去除率约为76.5％；DO浓度为7.5mg/L；ORP为—286mV。经分析，污泥中不含“巴氏细菌”等病毒。

实施例4

反应罐1进行污泥中温厌氧自动消泡消化处理，反应罐2进行污泥高温厌氧自动消泡消化处理，两反应罐串联运行：

污水取自某污水处理厂，污泥含水率95.4％，pH值为7.32，VSS为3.82×10⁴mg/L，COD为16500mg/L，DO为2.25mg/L，ORP为—231mV。反应罐1进行污泥中温厌氧自动消泡消化反应；反应罐2进行污泥高温厌氧自动消泡消化反应。采用连续进泥方式，进泥量为200kg/h，二个反应罐以串联方式运行，反应罐2出来的部分污泥(进泥量的0.1％～2％)回流至反应罐1，反应罐1水浴温度调至30℃，开启搅拌装置，搅拌速度100r/min；反应罐2水浴温度调至60℃，搅拌速度200r/min。运行12天后，在反应罐2内的不同位置(污泥上、中、下液面)取样分析，取平均值，测得污泥pH值为7.8，VSS为1.76×10⁴mg/L，VSS降解率为53.9％；COD约为3800mg/L，COD去除率约为77％；ORP为—356mV。产气率达1.2m³/(kg·d)，即每去除1kg有机物的产气量可达1.2m³/d。经分析，污泥中不含“巴氏细菌”等病毒。

Claims

1、一种污泥热消化制备生物固体的装置，其特征在于：包括一个密封的反应罐，罐体的侧壁上有一层水浴套，水浴套内设置有电热管，电热管与控温仪相联接；在水浴套内部和反应罐内部均设置有温度传感器；反应罐的盖顶设置有进泥口和集气口；罐内设置有搅拌浆和曝气头，搅拌浆通过连接线与设置在罐顶外的搅拌电机连接，曝气头通过连接线与设置在罐顶外的鼓风机连接，鼓风机和曝气头之间还连接有设置在罐项外的转子流量计；罐顶外还设置有反光镜；在连接搅拌浆和搅拌电机的连接线上还固定有消泡丝，消泡丝的表面涂满特氟龙疏水性材料；反应罐的底部设置有排泥口，污泥泵的一端通过管道与排泥口相通，管道之间设置有止回阀；污泥泵的另一端通过管道连接到反应罐的上半部，管道之间设置有止回阀。

2、根据权利要求1所述的污泥热消化制备生物固体的装置，其特征在于：所述反应罐的罐体内壁的表面涂满特氟龙疏水性材料。

3、根据权利要求1所述的污泥热消化制备生物固体的装置，其特征在于：在反应罐的内壁上设置有用于固定曝气头的连接线的钢圈。

4、根据权利要求1所述的污泥热消化制备生物固体的装置，其特征在于：还包括一个反应罐，第一个反应罐的排泥口、第二个反应罐的排泥口均通过管道分别与两个反应罐的上半部相通，管道之间均设置有止回阀。