CN101659505B - 一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离及固体浓缩装置，污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合区以及高温灭菌区三个水力分离的独立功能区，分别对污泥的消化处理和病毒杀灭实施单元操作，污泥好氧消化反应装置出泥系统为底部出泥，并附加气提升管。本发明中污泥消化能够达到的效果为：在4天的污泥停留时间内，获得40％以上有机物去除率；去除每千克有机物耗电为1.4 kW·h；污泥中病原体杀灭能够达到“未能检测”的标准；污泥自动分离浓缩能够达到的效果为：污泥中SS的捕获率超过99％；浓缩污泥的含固率达到12％以上。

Description

一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用井式污泥好氧消化反应装置对城市污泥进行好氧消化并对产物进行自动分离浓缩的系统及其方法，尤其涉及一种井式内循环污泥好氧消化反应装置。

背景技术

城市污泥是对城市污水进行生物处理过程中产生的副产品。微生物利用污水中有机物作为底物进行新陈代谢，并自我增殖产生的多余菌体以及通过物化作用(如沉淀，絮凝)使污水中悬浮性物质分离产生的固体组成了城市污泥。定性地说，城市污泥是由机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。就我国的城市污泥性质而言，污泥中有机物含量平均达到65％，并含有大量的N、P等营养物质(其中N含量1.5％~7.0％，P含量0.8％~3％)。

城市污泥在进行最后处置之前，需对其进行消化处理。消化处理的要求包括以下三个方面：

1、稳定化处理：对污泥中有机物达到40％以上的去除率；

2、减量化处理：减少污泥组分中水的比例，缩小污泥的体积；

3、无害化处理：杀灭污泥中的病原体达到“未能检测”程度。

污泥好氧消化处理原理是在缺少环境有机底物情况下，微生物产生内源呼吸作用，利用氧气对自身进行氧化分解，同时释放热量。

ATAD(自动升温高温好氧消化工艺)是污泥好氧消化的典型工艺，具有使污泥稳定化、无害化的处理效果。含固率为4~6％的原污泥通过进泥管道被引入污泥好氧消化反应装置反应区内。含氧的气体，通常是空气，被输送至位于污泥好氧消化反应装置底部的曝气系统。曝气系统对输入的管道气体进行切割，形成条形小气泡从而增大氧气向污泥传导的效率，污泥好氧消化反应装置内搅拌器对原污泥进行搅拌增强其传质作用并减少污泥好氧消化反应装置内流态“死角”的产生。在污泥好氧消化反应装置反应区内，微生物利用溶解性的氧气为电子供体，利用自身有机质为碳源进行自身氧化分解的生化反应，完成对原污泥的消化并同时产生热量。氧化分解的产物是CO₂、H₂O、NH₄ ⁺，原污泥中未能生物降解部分构成了消化后污泥。工艺利用产生的热量(热量不足时，需通过污泥好氧消化反应装置内换热装置补充)完成对污泥的升温，并基于巴氏消毒法原理对污泥中病原体进行杀灭。

在传统的ATAD系统中，一般具有2~3个生物消化污泥好氧消化反应装置，它们彼此串联为一个多级好氧消化系统。进料污泥为经过预浓缩的原污泥(一般含固率为3％~6％)，进、出料方式为间歇式。污泥好氧消化反应装置中典型的曝气设备为叶轮式和文丘里曝气搅拌器。污泥好氧消化反应装置外壁一般包裹保温隔热材料用以对污泥好氧消化反应装置保温。

ATAD设置多级好氧消化的工艺思想是将污泥消化功能分离。以应用较为广泛的2级ATAD工艺为例，在第一污泥好氧消化反应装置中主要完成污泥中有机物的降解并释放热量对污泥完成主要升温；第二污泥好氧消化反应装置利用污泥中残余有机物继续降解所释放的热量，来进一步提升污泥温度，并提供足够的污泥停留时间，依据巴氏消毒原理对污泥进行病原体杀灭得到A级生物固体。

含固率为4％~6％的原污泥通过进泥管道间歇地被引入第一个污泥好氧消化反应装置内，对污泥好氧消化反应装置进行曝气。进料污泥的温度一般为10~20℃，进料中的微生物包括低温消化菌与中温消化菌。在起初的生物氧化阶段，污泥中的有机物被中温消化菌氧化分解，同时释放热量对污泥加热至约45℃，此时高温消化菌成为优势菌体。高温消化菌随即对污泥中有机物进行快速降解，并利用降解过程中产生的热量将污泥温度提升至45~50℃。至此，在第一污泥好氧消化反应装置内的生物降解过程(称之为第一反应过程)完成，这个过程有机物去除率占系统总去除率的70％以上；第一污泥好氧消化反应装置的主要功能是完成对污泥中有机物的大量去除，并利用有机物降解过程的发热对污泥升温至高温消化条件。

第一污泥好氧消化反应装置内污泥同样间歇地进入第二污泥好氧消化反应装置。以污泥停留时间10天为例：曝气每天停止1个小时，在停止曝气时间内，先将第二污泥好氧消化反应装置内1/10容积的污泥排除系统，随后，第一污泥好氧消化反应装置内1/10容积的污泥输送至第二污泥好氧消化反应装置，并同时向第一污泥好氧消化反应装置输送等量的待消化原污泥。

在第二污泥好氧消化反应装置内以高温消化菌为优势菌群，高温消化菌对有机物进行快速降解并释放热量。污泥中的残余有机物被进一步降解，伴随此过程所释放的热量通过搅拌传热对系统加热，使整个污泥好氧消化反应装置内的温度达到60℃。第二污泥好氧消化反应装置为污泥中病原体的杀灭提供足够的停留时间，并且在出泥口设置热交换装置回收部分热量对进料污泥进行加热。

第二污泥好氧消化反应装置的功能是：为高温灭菌提供足够的温度以及相应的污泥停留时间，并对污泥中有机物进行进一步降解。

在此出现的术语进行解释如下：

“消化”是指：对污泥中有机物进行分解，将结构复杂的有机物转换成CO₂和H₂O；

“原污泥”是指：未经消化反应的城市污泥，它是一种固/混合物，固体成分包括各种形式的有机物，无机质，细菌残体，胶体，液体部分是水；

“含固率”是指：污泥混合物中固体成分的质量分数；

“低温、中温、高温消化菌”：

是根据微生物生存所适应的环境温度条件划分的微生物种类，其低温、中温、高温消化菌所对应的运行温度分别为：10℃~20℃、20℃~45℃、45℃~60℃。由于高温消化菌对有机物的降解速率快，并且产生大量的释放热，所以污泥消化工艺应尽可能的在高温消化状态下进行。

完成消化后污泥从出泥管道排出。在进行后续机械脱水之前，需要进行固/液分离。分离一般在独立的固/液分离器中进行，ATAD使用沉淀池在投加定量混凝剂情况下，依靠污泥的重力作用完成污泥的沉淀分离。

在ATAD中，污泥停留主要是为了满足有机物生物降解的时间需要。也意味着在ATAD的设计中，污泥停留时间由生物反应的速率决定。

ATAD消化工艺中不足：

●ATAD工艺曝气方式下，氧气利用率(OTE)为10％~15％，意味着工艺中需要供给微生物摄氧量6~10倍的氧气，多余的剩余气体排放。大量供给的剩余气体不仅浪费了能耗而且带走了热量，影响系统的热平衡。工艺通常为了维持热平衡而降低曝气速率，使污泥消化在“微好氧”条件下进行(通常系统利用外加热能保证热平衡)。较低的曝气速率致使生化反应速率降低，污泥所需消化时间增大(ATAD达到有机物去除40％需要的生物氧化时间为8~12d)，8~12d的SRT意味着生物污泥好氧消化反应装置的体积为日处理污泥体积的8~12倍；

●ATAD利用机械搅拌方式对污泥进行搅拌，使污泥处于悬浮状态。ATAD中机械搅拌的方法只是促进了污泥与氧气的传质，而并没有对高温消化菌进行有效回流，这就直接造成了在第一污泥好氧消化反应装置内，必须先经过中温消化来对有机物进行缓慢地降解，并对系统缓慢地升温；

●ATAD污泥产物中N以NH₄ ⁺形式存在，而且污泥产物中含有大量蛋白质、脂肪类，单价阳离子和高分子聚合物的存在对混凝的吸附架桥作用带来不利影响，影响了污泥产物的脱水性能；

●以沉淀池形式的固/液分离方式，得到的浓缩污泥含固率只有大约6％。

对改良型工艺需要改进的方面是：

1、提高氧气的利用率，减少空气的需求量；

2、改良高温消化菌的回流系统，将系统总体控制在高温消化状态，提高生物降解速率；

3、消除NH₄ ⁺的影响，提高蛋白质，脂肪类的去除效率，而提高污泥产物的脱水性能；

4、增强固/液分离的效果，增大浓缩污泥含固率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种在获得符合美国EPA中A级生物固体污泥的条件下实现提高污泥生物氧化的速率，节省动力的消耗，以及减少污泥体积的污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离及固体浓缩装置，所述污泥进泥装置出泥口连接所述污泥好氧消化反应装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置出泥口连接所述固液两相流分离及固体浓缩装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置包括一个潜置于地下的钢筒，一个置于钢筒顶端地上的顶部脱气池，

所述污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合区以及高温灭菌区三个水力分离的独立功能区，分别对污泥的消化处理和病毒杀灭实施单元操作；

钢筒上部以及顶部脱气池构成内循环区，内循环区包括一个直径小于主体钢筒的中心套筒并被安装在主体钢筒的上部，中心套筒与主体钢筒壁形成一个环形空间，中心套筒与环形空间在它们的上部和下部分别通过顶部脱气池和污泥好氧消化反应装置空间连接，组成一个完整的循环回路，中心套筒是污泥的下降区，环形空间是污泥的上升区；

污泥好氧消化反应装置进泥口设置在环形套筒中，进泥管为环状穿孔管，所述环状穿孔管连接有空气输送管，在中心套筒下安装第一级高压空气水下均流布气装置；

全混式混合区位于内循环区以下，全混式混合区底部设置有与第二级高压空气水下均流布气装置为全混式混合区供气，全混式混合区接受来自内循环区的出泥，这是一个单向的污泥流，全混式混合区最终运行温度为50~60℃；

高温灭菌区位于全混式混合区以下直至反应器钢筒的底部，在高温灭菌区底部设置出泥管，出泥管端部设置喇叭口集泥装置，在高温灭菌区的出泥口位于反应区中心。

所述污泥进泥装置包括一套格栅除渣机、一套原污泥储存池和配套的污泥螺杆泵，所述污泥螺杆泵连接污泥好氧消化反应装置的进泥管。

所述钢筒外壁有砼护壁。

所述高温灭菌区底部出泥管中装配有气提管与喇叭口集泥器。

所述高压空气水下均流布气装置为圆柱形，沿圆周安装锯齿形均流堰，布气器沿曝气面均分4个曝气口，并分别与4根独立的空气进气管道相连。

所述污泥好氧消化反应装置环形空间与顶部脱气池的中间有一组导流管，导流管的进口端在环形空间的外壁上，出口端靠近顶部脱气池池壁。

所述固液两相流自动分离装置及固体自动浓缩装置包括一个带旁流超越槽的“气泡发生池”，一个与“气泡发生池”共壁的浓缩污泥储存池、一个与“气泡发生池”相连的非均匀气泡成核固液两相流自动分离装置。

一种污泥自热好氧消化固液自动分离方法，其包括以下步骤：

a、将通过预浓缩后污泥含固率为3％～4.5％的原污泥输送至内循环区的上升管内；

b、将高压空气输送至内循环区，在空气提升的作用下，污泥开始进行内循环单向流动，在循环流动过程中，微生物摄取空气中的氧对原污泥进行氧化分解，称之为“第一次污泥消化”，在内循环过程中完成了第一次生物消化后污泥，称之为“内循环出泥”；

c、内循环出泥以潜流的方式与单向的循环污泥流分离，并以活塞流的形式进入下部所谓全混混合区，成为全混混合区的进泥；

d、将高压空气输送至全混混合区下部，气体对污泥进行搅拌，污泥摄取空气中的氧对污泥中残余有机物进行进一步氧化分解(污泥消化)，称之为“第二次污泥消化”；完成第二次污泥消化后污泥，称之为“全混混合区”出泥；

e、全混合混合区出泥自流进入污泥好氧消化反应装置下部第三个反应区，称之为“高温灭菌区”，这个区域不进行曝气，利用区域内的高温和提供足够的停留时间来对污泥中病原体进行杀灭；

f、高温灭菌后污泥成为污泥好氧消化反应装置最终处理后污泥，经喇叭口收集进入出泥管内；

g、通过气提管对出泥管注入大气泡提升出泥的流速，使出流污泥以0.8m/s以上的速度排出；

h、污泥好氧消化装置的出泥成为气泡发生池的进泥，气泡发生池的进泥区设计为“跌水区”，进泥在“下跌”过程中势能转换为搅拌的动能，为污泥混合的搅拌提供能量；

i、污泥进入气泡发生池后，用于在消化装置出泥管中提升污泥流速的气泡迅速释放，这部分气泡是相对较大且不均匀的，能够在跌水造成的搅拌强度下促进溶解空气以微小气泡的形式释放；

j、在气泡发生池内设置超越旁流槽，当来料污泥瞬时流量过大时，气泡发生池将会溢流进入旁流槽，直接进入浓缩污泥储存池；

k、完成了气泡产生的污泥流进入与气泡产生池共壁连接的非均匀气泡成核固液两相流分离装置，在个装置内污泥的水力流态表现为平流式，污泥颗粒在进水区内的缓慢搅拌作用的促进下，通过互相的碰撞集结在一起形成絮体，污泥流中过饱和溶气释放产生的微小气泡聚集并粘附与污泥絮体的周围，形成一个以污泥絮体为核的气固混合物，在此称之为“污泥胶团”；

l、所述“污泥胶团”的密度小于固液两相流中水的密度，将会自动上浮，并浓缩聚集在固液两相流分离装置的顶部。

本发明能够达到的效果：

1、整个污泥好氧消化反应装置内无活动件；

2、污泥好氧消化反应装置能够自动升温30～50℃，最高可以达到55℃；

污泥中有机物生物降解过程是一个放热过程，其放热能力为去除每千克有机物放热23000KJ。在所述污泥好氧消化反应装置中，原污泥进入消化反应装置后，污泥中有机物在生物消化过程中释放热量，此时由于原污泥温度与环境温度(主要是地下反应区周围土壤温度，一般为25℃)的温度差别小，而呈现出较小的温差梯度，有机物消化释放的热量向周围环境传导的热量少，而用于对进料污泥升温的热量多，所以污泥呈现出较快的升温速度。随着污泥温度的升高，其与周围环境的温差梯度增大，此时释放的热量较多地向周围环境传递，而用于污泥升温的热量减少，污泥的升温速度减慢，直至有机物消化释放的热量与向周围环境传递的热量平衡，污泥的升温停止，系统达到热工平衡。

通过我们的热工计算，当污泥中有机物含量为60％～80％时，我们的反应装置能够实现30～55℃的自动升温。

3、能够实现浓缩污泥(TS＝3～4.5％)的稳定内循环；污泥好氧消化反应装置能实现循环区、全混混和区、高温灭菌区实现水力流态分离，处理功能目标明确的“单元操作”；

4、进料污泥能在5min内，均匀分布于ICZ区内表现为ICZ内各点性质一样；

5、ICZ、CMZ、PZ分别控制为活塞流、混流、活塞流流态；

6、系统获得超过50％～80％的氧气传导率，剩余气体的排放量为9.7m³/kgVSS去除；

7、在4天停留时间内，有机物去除率超过40％，沙门氏菌，大肠杆菌等病原体达到“不能检测”污泥产物达到EPA中A级生物固体要求；

8、电耗参数为1.4kW·h/kgVSS去除；

本发明中，污泥好氧消化反应装置对于有机物去除的电耗为1.4kW·h/kgVSS去除，而在ATAD工艺中此数值为2.3，所述发明工艺省电40％。这是由于，在所述井式污泥好氧消化装置中利用高压曝气增大污泥中氧气的溶解度，提高氧气利用率，减小空气输入动力消耗。并且，利用输入进行污泥搅拌节省机械搅拌所需能量。

根据可压缩流体动力输出需求公式，气量输出减小1半动力输出减少1半，而压力输出增大1倍，动力输出不是增大1倍，而是大约0.5倍。

本发明中在高压状态下输入空气，减少空气输出量。由于高压输气增大了空气输入设备(空压机)的输出功率，但是同时气量的减少使空气输入设备的输出功率成倍地减少。综合比较，空气输出部分呈现节能。

9、VOC排放量少，利用生物滤池进行尾气处理可以达到99％的VOC去除率；

10、污泥中的有机氮以铵盐的形式被固定，磷元素以20～40倍的浓度被富集在消化污泥中，增加了污泥产物的肥性使消化污泥成为了良好的生化肥料；

11、经过消化处理后污泥，使用离心脱水机能脱水至含固率35～40％；

本发明中，利用污泥好氧消化反应装置对污泥好氧消化过程中，能够实现对微生物细胞的裂解使细胞中的结合水得以释放，而细胞中的结合水是污泥脱水中最难脱除的部分。另外，影响污泥脱水性能的NH₄ ⁺以碳酸盐的形式被固定，消除了阳离子对污泥脱水的影响。

并且通过非均匀气泡成核技术分离浓缩后污泥，实现含固率为12％的浓缩污泥，完成了预浓缩。经过后续的离心脱水可以使污泥的含固率达到35～40％。

在此出现的代号解释如下：

ICZ：内循环区(Internal Cycle Zone)

CMZ：全混式混合区(Complete-mixing Zone)

PZ：高温灭菌区(Pasteurized Zone)

附图说明

本发明包括如下附图：

图1为本发明实施例井式内循环污泥好氧消化反应装置示意图；

图2为本发明实施例环状穿孔管布泥装置示意图；

图3为本发明实施例高压空气水下均流布气装置俯视图；

图4为本发明实施例高压空气水下均流布气装置主视图；

图5为本发明实施例管式气液两相流分离装置APLS主视图；

图6为本发明实施例管式气液两相流分离装置APLS俯视图；

图7为本发明实施例固液两相流自动分离及固体自动浓缩的装置示意图；

其中：1.污泥进泥管、2.启动空气管、3.空气阀门、4.布泥管、5.环形空间、6.管式气液两相流分离装置ALSP、7.顶部脱气池、8.中心套筒、9.一级高压空气水下均流布气装置、10.二级高压空气水下均流布气装置、11.出泥管、12.出泥气体提升管、13.气/固/液三相流量计、14.废气排放管、15.高压空气水下均流布气装置主体、16.布气面板、17.出气口、18.圆孔、19.齿形出流堰、20.导流管、21.旁流超越槽、22.顶部刮渣装置、23.底部刮泥装置、24.沉积污泥气提管、25.浓缩污泥输送管、26.出流管、27.空气输入管、28.污泥释放孔、31.污泥进泥装置、32.污泥消化的污泥好氧消化反应装置、33.固液两相流自动分离及固体自动浓缩的装置、41.内循环区、42.全混式混合区、43.高温灭菌区、44.气泡发生池、45.非均匀气泡成核固液两相流分离区、46.浓缩污泥储存池。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

图1所示，本实施例包括一个污泥好氧消化反应装置在本发明中称之为“井式内循环污泥好氧消化反应装置”，包含一个潜置于地下的钢筒(沿钢筒外壁有砼护壁)，一个置于钢筒顶端的地上型顶池，称之为顶部脱气池7。

地下型反应钢筒内部包含有三个水力分离的独立功能区，分别对污泥的消化处理和病毒杀灭实施单元操作，这三个区在此分别称之为内循环区41(Internal CycleZone，以下简称ICZ)、全混式混合区42(Complete-mixing Zone，CMZ)以及高温灭菌区43(Pasteurized Zone，PZ)。

上部以及整个地上型顶池构成内循环区41。内循环区41包括一个直径小于主体钢筒的中心套筒8并被安装在主体钢筒的上部，中心套筒8与主体钢筒壁形成一个环形空间5。中心套筒8与环形空间5在它们的上部和下部分别通过顶部脱气池7和全混式混合区42连接，组成一个完整的循环回路。在此发明的污泥好氧消化反应装置中，中心套筒8是污泥的下降区，环形空间5是污泥的上升区。

进泥点设置在环形套筒中，进泥管1与布泥管4相连，布泥管4为环状穿孔管，布泥管4在污泥好氧消化反应装置启动时可用作启动曝气管，启动空气由启动空气管2通过空气阀门3进入污泥进泥管1，当内循环区41中的内循环形成后，关闭空气阀门3。在中心套筒8以下8～12m处安装第一级高压空气水下均流布气装置9(所述“高压空气水下均流布气装置”能够将高压空气在深水中以气泡方式均匀释放)。

内循环区41中利用气提式污泥内循环流，实现污泥的水力搅拌、高温消化菌的回收以及热量的交换。污泥在环形空间5内的上升过程中摄取氧气完成对原污泥的第一次生物氧化。并且取得对污泥中有机物28％～30％的去除率，对污泥升温30～35℃的效果。

污泥在内循环区41内的处理流程如下：

a、将通过预浓缩后污泥含固率为3％～4.5％的原污泥输送至内循环区的环形空间5内；

b、将高压空气输送至内循环区41，在空气提升的作用下，污泥沿环形空间5进行上升，在上升过程中，污泥中微生物摄取空气中的氧对原污泥进行氧化分解，称之为“第一次污泥消化”，当污泥流上升至环形空间5顶端时，通过管式气液两相流分离装置(Air/Liquor Separation Pipe)6，在此称之为ALSP带废气被脱除；

c、脱气后的污泥流达到中心套筒8内，并沿中心套筒8下降至内循环区41下部，至此完成一次内循环过程，并重复开始第二次内循环；

d、在内循环过程中完成了第一次生物消化后污泥，称之为“内循环出泥”；

e、内循环出泥以潜流的方式与单向的循环污泥流分离，并以活塞流的形式进入下部所谓的全混混合区42，成为全混式混合区全混式混合区的进泥；

经过第一次好氧消化后的污泥成为了内循环区41出泥，在内循环流路中内循环区41出泥能够脱离循环流，并潜流进入内循环区41下部的全混式混合区42(Complete-mixing Zone，CMZ)。

全混式混合区42位于内循环区41以下，紧邻内循环区41约占总体污泥好氧消化反应装置体积的3/8。全混式混合区42底部设置有与第一级高压空气水下均流布气装置9相同的第二级高压空气水下均流布气装置10为全混式混合区42供气。全混式混合区42接受来自内循环区41的出泥，这是一个单向的污泥流，全混式混合区的污泥不会返混至内循环区41。全混式混合区42接受来自内循环区41的高温菌，更重要的是接受了污泥中潜在的热量。

污泥进入全混式混合区后，在输入空气的搅拌下进行全混流混合，微生物对氧气开始继续摄取，对污泥中有机物进一步氧化分解，这一部分降解的有机物占据总体有机物去除量的20％，并且能够利用有机物降解的产热对污泥继续升温，升温幅度为10～12℃，全混式混合区42内最终运行温度为50～60℃。由于全混式混合区压力较大，而且污泥不会返混至压力较低区域。所以其在氧化过程中产生的CO₂能够溶解在污泥中，并且与污泥中的NH₄ ⁺结合成碳酸盐离子，将NH₄ ⁺固定。

经过全混式混合区42处理后的污泥在性质上已经满足稳定化的要求(VSS去除40％)。经过全混式混合区42处理后的污泥成为全混式混合区42出泥，同时也是全混式混合区42以下高温灭菌区43的进泥。

高温灭菌区(Pasteurized Zone，PZ)位于全混式混合区42以下，约占总体污泥好氧消化反应装置体积的1/8。在高温灭菌区43底部设置出泥管。来自全混式混合区42的污泥潜流进入高温灭菌区43内。进入高温灭菌区43的污泥温度达到了60℃，并且仍残留部分可生物降解的有机物，高温灭菌区43内高压力环境使污泥含有整个污泥好氧消化反应装置内最高的溶解氧。我们发现：在超高溶解氧状态下(DO：30～50mg/L)，微生物活性大为增强，并且能对污泥中有机物进行深度降解。

高温灭菌区43的设计是根据病原体杀灭温度与停留时间的关系来确定的。根据美国EPA中规定，对含固率＜7％的污泥的灭菌在60℃时需要4.8个小时，而55℃时需要大约24小时。污泥能自热达到的温度跟有机物含量有关，对与不同有机物含量的污泥，高温灭菌区43的设计将有所不同。

高温灭菌区43的容积为污泥中病原体的杀灭提供对应温度下足够的停留时间，经过高温灭菌后污泥成为PZ的出泥，同时也是污泥好氧消化反应装置的出泥。

污泥好氧消化反应装置在底部出泥，为了不造成底部污泥的沉积，需要出泥以较快的速度(＞0.8m/s)通过出泥管11。本发明出泥管11的设计附加以出泥气体提升管12，在出泥时开启气提管阀门控制污泥出流的速度。并在出泥管11的出口端安装气/固/液三相流量计13以检测三相混合流出流的速度，以此检测值为信号指示气提管的阀门开启程度。

污泥好氧消化反应装置中的运行可以采取间歇或连续的方式，视处理污泥的量而定。

总体污泥好氧消化反应装置中污泥的处理流程如下：

1、将经过预浓缩后污泥含固率为3％～4.5％的原污泥输送至内循环区的上升管内；

2、将高压空气输送至内循环区41，在空气提升的作用下，污泥沿环形空间5进行上升，在上升过程中，污泥中微生物摄取空气中的氧对原污泥进行氧化分解，称之为“第一次污泥消化”，当污泥流上升至环形空间5顶端时，通过管式气液两相流分离装置6，在此称之为ALSP到达顶部脱气池7，污泥流中夹带废气被脱除；

3、脱气后的污泥流达到中心套筒8内，并沿中心套筒8下降至内循环区41下部，至此完成一次内循环过程，并重复开始第二次内循环；

4、在内循环过程中完成了第一次生物消化后污泥，称之为“内循环出泥”；

5、内循环出泥以潜流的方式与单向的循环污泥流分离，并以活塞流的形式进入下部所述全混混合区，成为全混混合区的进泥；

6、将高压空气输送至全混混合区下部，气体对污泥进行搅拌，污泥摄取空气中的氧对污泥中残余有机物进行进一步氧化分解(污泥消化)，称之为“第二次污泥消化”；完成第二次污泥消化后污泥，称之为“全混混合区”出泥；

7、全混合混合区出泥自流进入污泥好氧消化反应装置下部第三个反应区，称之为“高温灭菌区”，这个区域不进行曝气，利用区域内的高温和提供足够的停留时间来对污泥中病原体进行杀灭；

8、高温灭菌后污泥成为污泥好氧消化反应装置最终处理后污泥，经喇叭口收集进入出泥管内；

9、通过气提管对出泥管注入大气泡提升出泥的流速，使出流污泥以0.8m/s以上的速度排出；

10、消化过程产生废气通过废气排放管14排放出反应装置。

图2所示，本实施例的污泥好氧消化反应装置中包括一个布泥装置，称之为“环状穿孔布泥管”。

输入的污泥通过进泥管1进入环状穿孔布泥管4内，沿布泥管4外壁均匀分布口径不一的污泥释放孔28，污泥经由污泥释放孔28释放。

本发明工艺中，空气被输送至井式污泥好氧消化反应装置中，作用有两个：1)为生物氧化提供氧气；2)为污泥的内循环流动提供动力。为了保证生物氧化作用的高效，需要提高微生物与氧气的传质作用(污泥与氧气充分均匀接触)；为了保证污泥好氧消化反应装置内内循环流态的均匀稳定，需要在环形空间5内提供均匀的气流。这两个方面的实现都需要将高压空气在污泥好氧消化反应装置中均分。

我们发现，在0.6～1.2Mpa压力的水下，环状锯齿形出流堰能够对高压空气流进行均分。这一点我们没有理论根据来进行证明，但是我们认为可能是由于在高压下，压缩空气流的流体性质表现为跟水相类似的特性。而锯齿型分流堰对于水流的均分在众多的给排水工程中已经得到了证明。

本发明中采用圆柱形的曝气头并沿圆周安装锯齿形出流堰。锯齿高度一般为100mm，带齿型空气出流堰的圆柱形气体切割分流装置作为曝气头。曝气头进气采用独立进气管均布多点进气。

多点进气管能够保证输送的高压气体在曝气面内分布均匀；齿形出流堰能将气流进行切割形成气泡，并使气泡沿堰板均匀的流出。

本发明中高压空气水下均流技术能够达到的效果：

1、在无活动件设置下，能对压力为0.6～1.2Mpa的高压空气流进行均匀切割，切割气泡直径为10～12mm；

2、每个堰口空气的出流量差别在2％以内。

图3、图4所示，本实施例的污泥好氧消化反应装置中包括2级相同的高压空气布气装置，称之为“高压空气水下均流布气装置”(图1所示一级高压空气水下均流布气装置9、二级高压空气水下均流布气装置10)，单个装置包含一个带齿形堰板的圆环型钢筒，称之为高压空气水下均流布气装置主体15，4根独立均匀分布连接于高压空气水下均流布气装置主体15的空气输入管27。

高压空气水下均流布气装置主体15包含布气面板16，沿布气面板16对称连接4根空气输入管27，空气输入管27的末端表现为出气口17，高压空气水下均流布气装置主体15中心留有圆孔18使出泥管11穿过，高压空气水下均流布气装置主体15两侧配备齿形出流堰19。

设备运行时，空气通过14到达出气口17，从出气口17释放进入高压空气水下均流布气装置主体15，此时释放的空气以气泡流形式存在，并且大致均匀的分布于高压空气水下均流布气装置主体15内，气泡流沿.齿形出流堰19被均匀分布，并且从齿型口匀速溢出进入污泥好氧消化反应装置反应区内。

在污泥的好氧消化中，废气(主要成分为N₂和CO₂)会以分散气泡的形式存在于污泥中。而残留的废气能够影响微生物对氧气的摄取，以及污泥好氧消化反应装置中流态的控制，进而影响污泥好氧消化的效果。所以废气的脱除对于污泥的好氧消化正常进行有重要的意义。在本发明中，我们设计了一套管式气液两相流分离装置来对污泥消化过程产生的废气进行脱除。

图1及图7所示，本实施例的污泥好氧消化反应装置中包括1套管式气液两相流分离装置ALSP。

我们发现：分散气体在污泥中释放的条件与水中分散气体类似，需要有搅拌的机械能量辅助。

分散气体在污泥中释放的对于能量水平的需求与溶解性气体搅拌试验类似。我们发现：污泥中分散气体完全释放对于能量的最低需求大概是300S^-，搅拌时间100s。在传统污泥好氧消化工艺中，脱气经常采用的是机械搅拌辅以大面积的脱气池。所以，污泥中废气的脱除需要有两个条件：1)最低300S^-的搅拌速度梯度；2)一定的搅拌时间。

本发明工艺流程中，当污泥流从污泥好氧消化反应装置环形空间5以一定的速度上升时，它是一股具有动能的流体，而如果其被提升到一定的高度并且有一个下降的过程那么另外还具有势能。这两股能量通过转换可以作为搅拌能量。

管式气液两相流分离装置以能量需求为设计基础，利用污泥在管式气液两相流分离装置中能量的转换，为搅拌提供搅拌能(G＝300S^-)，并辅以脱气顶池作为脱气场所，促进污泥脱气。

所述“管式气液两相流分离装置”(以下简称ALSP)是在污泥好氧消化反应装置环形空间5与顶部脱气池7的中间，增设一组弯管对污泥进行导流。为了保证污泥流体输送的平衡，管道的设置采用均布的形式，即沿环形空间5池壁均布8根导流管20。导流管20的进口端在环形空间5的外壁上，出口端靠近顶部池池壁，并距离地面约2.5米处。管径的大小控制污泥在管式气液两相流分离装置中上升的流速，设计速度为5m/s。

当上升污泥流到达ALSP进口端时，由于横截面积的减小，污泥的上升流速会迅速增大。污泥流速的提升使其具有了增大的速度梯度，当污泥达到脱气管出口端时会迅速的从管口喷出与顶池内污泥对撞，此时污泥流中的动能转换成了污泥混合搅拌的机械能，并表现为较大的速度梯度。在顶池中，污泥流的流动方向是沿中心套筒8下降，而中心套筒8筒口处的位置是低于ALSP出口端的，所以从ALSP释放污泥流还具有一定的势能，而这部分能量在污泥的对撞中也转换成了搅拌能。

所以本发明中的ALSP实际包括了脱气弯管和顶部脱气池7两个部分。对于ALSP管口的直径和高度以及顶部脱气池7尺寸的设计我们的依据是：保证每立方米污泥有36000焦耳的能量输入。

本发明能够达到的效果：脱气后中心套筒4污泥的持气率小于0.5％，可以认为污泥中废气已经被完全脱除。

所谓“持气率”：在垂直管道中，在某一长度的管段内气流相体积与该管道总容积的百分比。

如图1及图7所示，本实施例工艺总体方法包括了一套污泥进泥装置31，一套污泥消化的污泥好氧消化反应装置32，一套用于固液两相流自动分离及固体自动浓缩的装置33，以及各设备之间的连接和控制方法。

污泥进泥装置31包括一套格栅除渣机，一套污泥储存池和配套的污泥螺杆泵。经过预浓缩的原污泥通过格栅除渣机去除大块的固体杂质以防止影响后续设备的正常工作。经过格栅机筛分的污泥进入原污泥储存池，池体的大小设计为3h储泥量。污泥螺杆泵将原污泥储存池内污泥动力输送至后续污泥好氧消化反应装置内。而进泥的速率是根据后续污泥好氧消化反应装置的工况(顶部池的液位高度)进行自控。

污泥好氧消化反应装置在本发明中称之为“井式内循环污泥好氧消化污泥好氧消化反应装置”，包含一个潜置于地下的钢筒(沿钢筒外壁有砼护壁)，一个置于钢筒顶端的地上型顶池，称之为顶部脱气池7。

污泥好氧消化反应装置运行流程如图1所述。

所述固液两相流自动分离及固体自动浓缩装置包括一个带旁流超越槽的“气泡发生池”，一个与“微气泡释放混合池”共壁设计浓缩污泥储存池、一个与“微气泡释放混合池”相连的非均匀气泡成核固液两相流分离装置。总体装置完成对II出料固液分离及固体浓缩。

我们所说的从污泥消化的污泥好氧消化反应装置32中排出的污泥通常是污泥(生物固体)与污水的混合液，即固液两相流。当消化污泥进行脱水或最终处置之前，必须对污泥进行固液分离。在传统的ATAD工艺中分离通常是在沉淀池中依靠重力沉降作用进行，分离浓缩的效果不是很好。

当我们的工艺中，消化污泥从污泥消化的污泥好氧消化反应装置32底部上升至表面的过程中，随着水压的下降，溶解性气体将会以气泡的形式被释放出来。因此当污泥上升到表面时，已经有一部分分散气泡产生，另外也还有一部分溶解气体以过饱和的状态溶解在液体中。出泥中含有过饱和溶解空气的特性，使污泥进行气浮分离有了可能。

所谓“气浮分离”是指：微小的气泡粘附在污泥絮体的周围，或直接被呈絮状的固体挟带，形成气固两相混合物。由于气泡的作用使污泥的比重减小，当有足够的气泡粘附与污泥絮体之上时，会使其比重小于水而在水中自动上浮并与水分离。

要获得高效的固液气浮分离需要有两个条件：1)粒径较小的污泥颗粒，凝聚成较大的污泥絮体；2)有足够的微小气泡产生并粘附于污泥絮体之上。

获得较好的污泥凝聚作用通常需要提供一个适当时间的缓慢搅拌过程(搅拌能量G＝100S^-)使污泥颗粒增大彼此碰撞的几率，而能够彼此集结在一起形成絮体。而要使含有过饱和溶解空气的液体中以微小气泡的形式将空气释放通常需要的是提供相对剧烈的搅拌能量(G＞200S^-)。从固液气浮分离的机理上看存在搅拌强度需求的矛盾关系，我们的工艺中也基于平衡这个矛盾关系来获得良好的污泥分离浓缩效果。

我们发现：在含有过饱和溶解空气的流体中，混合一些相对较大且不均匀气泡能够在搅拌强度不大的情况下促进溶解空气以微小气泡的形式释放。这一点与非均匀气泡成核的原理类似。当过饱和溶液中被注入足够的微小气泡或分散气泡时就能够为溶解气体释放提供成核的条件。凭借非均质气泡成核原理产生的气泡被称之为“气泡发生”。

我们的发明中，在污泥好氧消化反应装置的底部出泥管中增设一根气提管，在对出泥进行加速提升的同时为含有过饱和溶气的污泥提供非均匀的大气泡。出泥在进入固液两相流自动分离装置及固体自动浓缩装置之前，我们提供了一个用于对污泥产生搅拌作用，并利用非均质气泡成核原理促进过饱和空气以气泡形式释放的“气泡发生池”。在气泡发生池的进水区被设计为“跌水区”，将污泥流下跌产生的势能转换为缓慢搅拌所需要的机械能。在混合池中完成了对污泥的缓慢搅动，污泥颗粒凝聚成为了絮体，而且不均匀的大气泡促进了气泡发生作用。通过这样的改良，本发明工艺平衡了污泥凝聚与气泡发生作用对于搅拌能量需求的矛盾关系，能够得到良好的污泥分离浓缩效果。

本发明中污泥自动分离浓缩能够达到的效果为：

1、污泥中SS的捕获率超过99％；

2、浓缩污泥的含固率达到12％以上。

这点在我们的试验室模拟试验中得到了验证。

所述井式内循环污泥好氧消化污泥好氧消化反应装置出泥，固液两相流自动分离，固体浓缩工艺的流程描述如下：

1、所述井式高温自热污泥好氧消化装置32的出泥在气提作用下，通过装置底部的出泥管以＞0.8m/s的速度进入气泡发生池44，污泥消化的污泥好氧消化反应装置32的出泥成为气泡发生池44的进泥；

2、气泡发生池44的进泥区设计为“跌水区”，进泥在“下跌”过程中势能转换为搅拌的动能，为污泥混合的搅拌提供能量(G＝100S^-)；

3、污泥进入气泡发生池44后，用于在污泥消化的污泥好氧消化反应装置32中出泥管中提升污泥流速的气泡迅速释放，这部分气泡是相对较大且不均匀的，能够在跌水造成的搅拌强度下促进溶解空气以微小气泡的形式释放；

4、在气泡发生池44内设置超越旁流槽21，当来料污泥瞬时流量过大时，气泡发生池44中多余污泥将会溢流进入旁流超越槽21，直接进入浓缩污泥储存池46；

5、完成了气泡产生的污泥流进入与气泡发生池44共壁连接的非均匀气泡成核固液两相流分离区45，在个装置内污泥的水力流态表现为平流式，污泥颗粒在进水区内的缓慢搅拌作用的促进下，通过互相的碰撞集结在一起形成絮体，污泥流中过饱和溶气释放产生的微小气泡聚集并粘附与污泥絮体的周围，形成一个以污泥絮体为核的气固混合物，在此称之为“污泥胶团”；

6、所述“污泥胶团”的密度小于固液两相流中水的密度，将会自动上浮，并浓缩聚集在非均匀气泡成核固液两相流分离区45的顶部；

7、一小部分粘附气泡后比重仍大于水的消化污泥，不能产生上浮作用，将会沉积于非均匀气泡成核固液两相流分离区45的底部；

8、非均匀气泡成核固液两相流分离区45顶部的浓缩上浮污泥与底部的沉积污泥分别被装配于其中的顶部刮渣装置22和底部刮泥装置23收集；

9、顶部刮渣装置收集污泥后，自动传送至浓缩污泥储存池46；

10、在非均匀气泡成核固液两相流分离区45底部设置有沉积污泥气提管24，底部刮泥装置23收集的沉积污泥通过此管提升至浓缩污泥储存池46；

11、在浓缩污泥储存池46底部设置有浓缩污泥输送管25，并与浓缩污泥泵连接，浓缩污泥泵将浓缩污泥输送至后续脱水机房进行常规污泥脱水，得到最终含固率为65％～70％的减量化污泥；

12、分离出来的液相流通过出流管26排出。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包括于本发明的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离装置及固体浓缩装置，所述污泥进泥装置出泥口连接所述污泥好氧消化反应装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置出泥口连接所述固液两相流自动分离装置进泥口，其特征在于：所述污泥好氧消化反应装置包括一个潜置于地下的钢筒，一个置于钢筒顶端地上的顶部脱气池，

所述污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合区以及高温灭菌区三个水力分离的独立功能区；

钢筒上部以及顶部脱气池构成内循环区，内循环区包括一个直径小于主体钢筒的中心套筒并被安装在主体钢筒的上部，中心套筒与主体钢筒壁形成一个环形空间，中心套筒与环形空间在它们的上部和下部分别通过顶部脱气池和污泥好氧消化反应装置空间连接，组成一个完整的循环回路，中心套筒是污泥的下降区，环形空间是污泥的上升区；

所述污泥好氧消化反应装置进泥口设置在环形套筒中，进泥管为环状穿孔管，所述环状穿孔管连接有空气管，在中心套筒下安装第一级高压空气水下均流布气装置；

全混式混合区位于内循环区以下，全混式混合区底部设置有第二级高压空气水下均流布气装置，全混式混合区接受来自内循环区的出泥，这是一个单向的污泥流，全混式混合区最终运行温度为50~60℃；

高温灭菌区位于全混式混合区以下至钢筒的底部，在高温灭菌区底部设置出泥管，在高温灭菌区的出泥口位于反应区中心，出泥口为喇叭状。

2.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥进泥装置包括一套格栅除渣机、一套污泥储存池和配套的污泥螺杆泵，所述污泥螺杆泵连接在污泥进泥装置的出泥口。

3.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述钢筒外壁有砼护壁。

4.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥自热好氧消化装置底部出泥管中有气提装置。

5.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述高压空气水下均流布气装置为圆柱形，沿圆周安装锯齿形出流堰，进气口沿曝气面均匀布置，进气口分别与独立进气管连接。

6.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥好氧消化反应装置环形空间与顶部脱气池的中间有一组导流管，导流管的进口端在环形空间的外壁上，出口端靠近顶部脱气池池壁。 

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