CN101935139A - 一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，属固废资源化领域，可解决由脱水污泥粘性大、无流动性、无空隙等造成的传质困难、气体不易溢出等困难。步骤为：将脱水污泥进行生物预干化，在有氧环境下堆置2~3天；将生物预干化处理后的物料加入厌氧颗粒污泥或沼渣进行接种，静态启动6-8天；将物料在兼氧或厌氧条件下进行产酸发酵，采用螺带式或锚式搅拌，必要时调节pH；将产酸后物料在厌氧条件下进行产甲烷发酵，采用挤压式搅拌，保持物料温度为35±1℃，保持pH6.6~7.5；将沼渣部分回流接种，其余进行好氧堆肥稳定化。本发明可用于城市污泥的资源化处理和生物质能源回收，相比湿式发酵，可节省设备投资和土地占用。

Description

一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法
技术领域
本发明属固废资源化领域，具体涉及一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术
城市污水处理厂因净化生活污水而产生的脱水污泥量巨大，目前全年的可收集量在2600万吨左右，污水处理厂对污泥的处理与处置多采用浓缩脱水后进行土地填埋的方法，不仅占用有限的土地资源，而且易造成二次污染。另外，填埋的资源利用率较低，不符合我国可持续发展的原则。近年来，全球能源结构正经历以矿物能源为主向多种能源并存的方向的转变，粮食安全和环境恶化等问题也日益突出，采用厌氧发酵技术回收污泥中的非粮生物质能源——沼气逐渐得到重视。
根据反应器中物料的固体含量(TS)，厌氧发酵技术可分为湿式发酵(TS≤12%)和干式发酵(TS≥20 %)两种。湿式发酵技术在市政污泥(TS为2%左右)消化产沼、禽畜粪便厌氧发酵产沼和有机垃圾厌氧产沼等方面已经得到应用，各方面的技术已经比较成熟。与湿法发酵工艺相比，干法发酵工艺具有如下优点： (1)负荷大，容积产能高，设备体积大大减小；(2)需水量低或不需水，节约水资源；(3)产生沼液少，废渣含水量低，后续处理费用低；(4)运行过程稳定，无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题；(5)臭气排放少等。
目前，在干法发酵方面，欧洲各国已开展针对含水率较低的生活垃圾进行厌氧发酵技术和设备的开发工作。我国在干法发酵技术方面的研究工作开展较少，也缺乏系统性。相关干法发酵方法主要针对农用秸秆(CN101338273、CN101338325)、有机垃圾(CN101381674A)，以及垃圾和污泥混合物料(CN101172746A)，关于以脱水污泥进行干法发酵的方法，国内外均未见报道。
与垃圾等非粘性有机物料进行干法发酵相比，污泥干法发酵的难点在于：(1)反应基质粘度大、TS浓度高，物料为塑性、非流动状态，造成反应中间产物与能量在介质中传递、扩散困难，易形成反馈抑制；(2)发酵物料含水率低、呈非颗粒状存在，发酵过程产生沼气不易溢出。上述难点也是污泥干法发酵方法及设备亟待解决的问题。关于干法发酵的现有方法，由于未针对脱水污泥的物料特点，不适于污泥干法发酵过程。
发明内容
本发明的目的在于克服城市污泥干法发酵过程中由于粘性大、无流动性、无空隙率等特点造成的传质困难，以及气体不易溢出等困难，提供一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法。
本发明提出的城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，具体步骤如下：
(1)生物预干化
将脱水污泥在好氧条件下堆置2~3天作为预处理，以降低物料粘度和含水率，含水率降低10-20%，并使物料温度升高；
(2)物料接种
将生物预干化后的污泥放入产酸阶段发酵罐，若初次发酵，加入物料自身体积20~30%的厌氧颗粒污泥进行接种，否则可加入其他批次发酵结束后剩余沼渣进行接种，接种物料体积为发酵物料体积的20~30%；接种物料与发酵物料混合后进行静态启动，启动时间6-8天；
(3)产酸发酵
接种阶段结束后，在兼氧或厌氧条件下进行产酸阶段发酵，保持氧浓度<2%；并采用螺带式或锚式搅拌方式进行搅拌，控制物料的pH值，使产酸阶段中间产物与能量在物料中充分传递、扩散；产酸阶段时间控制在15~20天；
其中，发酵过程须按时监测物料pH，当pH急剧下滑时，可采用生石灰或熟石灰调节物料pH； 
(4)产甲烷发酵
将产酸阶段结束后的物料放入产甲烷阶段发酵罐，在厌氧条件下进行产甲烷阶段发酵；并采用挤压式搅拌方式进行搅拌，使发酵物料和产物进行充分微观混合，并使发酵过程中物料内部的气体充分溢出；在产甲烷阶段保持反应器内物料温度为35±1℃；在产甲烷阶段对物料进行pH调节，使物料pH值为6.6~7.5；
(5)沼渣回收
将产甲烷阶段结束后的沼渣一部分作为下一批发酵污泥的接种物料，将剩余物料进行好氧堆肥稳定化，稳定化物料可进入污泥堆肥工艺进行有机肥加工。
本发明中，步骤(1)中预处理所述堆置可采用自然通风堆置，或在特定反应器中通过控制供氧来实现。
本发明中，步骤(2)中接种前可以添加碳源物质，如秸秆、木屑、小分子糖、有机酸或醇等物质)调节物料C/N比。
本发明中，步骤(3)中采用生石灰或熟石灰调节物料pH值。
本发明中，步骤(5)中发酵结束后沼渣的1/3作为接种物料回流至接种阶段；剩余2/3物料进行好氧堆肥，控制堆体内氧浓度大于8%，10~15天后可达到腐熟。
本发明具有如下优点：
1. 采用干法工艺处理城市污泥，使发酵物料TS由2%提高到20%以上，相比目前湿法发酵处理城市污泥的工艺，可使反应器容积减少90%，节省物料加热能耗、设备投资和土地占用；
2. 采用生物预干化方法进行物料预处理，降低物料粘度，有利于发酵过程充分传质；
3. 预处理和产酸阶段不需外援加热，节省能耗；
4. 产甲烷阶段采用挤压式搅拌，利于微观混合和产气溢出；
5. 沼渣回流及好氧稳定化，实现生物质能源和资源的高效回收利用。
具体实施方式
    下面通过实施例进一步说明本发明。    
实施例1：
取污水厂A脱水污泥300L，将脱水污泥放在生物预干化装置中，堆高1m，环境温度35℃，供风量为2m3空气/h，采用间歇供风方式，开2小时，停1小时；堆肥2天后，检测其TS含量为26%、有机质含量为48%，C/N比值为9.8；将物料导入产酸阶段发酵罐；将200L取自UASB反应器的厌氧颗粒污泥进行初步固液分离，滤去上清液，将颗粒污泥加入物料中，混合均匀后进行厌氧或兼氧静态启动；启动7天后，开启单头双层螺带式搅拌，转速为10r/min，按开30min/停2h间歇运转，每12h监测物料pH，并添加生石灰调节pH为5.0~6.5；产酸阶段需每天检测沼气组成，甲烷气体含量达到20%时将物料导入产甲烷发酵罐中，启动挤压式搅拌，并保证产甲烷发酵罐中的绝对厌氧条件；控制物料温度为35±1℃，每24h监测物料pH，并调节pH为6.6~7.5；每24h监测产气中甲烷气体含量，当累积产气量增长缓慢、气体中甲烷含量低于40%时，可认为发酵结束；发酵结束后剩余沼渣的1/3可作为接种物料进行回流，剩余物料导入好氧堆肥装置中进行好氧堆肥稳定化。
实施例2：
取污水厂B脱水污泥300L，用造粒机进行造粒，使污泥颗粒粒径≤20mm；将造粒后污泥放在堆肥装置中，堆高1m，环境温度22℃，供风量为3m3空气/h，采用间歇供风方式，开2小时，停1小时；堆肥3天后，检测其TS含量为24%、有机质含量为52%，C/N比值为11.5；将物料导入产酸阶段发酵罐，添加80kg粉碎后的秸秆粉末；将200L发酵沼渣加入物料中，混合均匀后进行厌氧或兼氧静态启动；启动7天后，开启单头双层螺带式搅拌，转速为10r/min，按开30min/停2h间歇运转，每12h监测物料pH，并添加生石灰调节pH为5.0~6.5；产酸阶段需每天检测沼气组成，甲烷气体含量达到20%时将物料导入产甲烷发酵罐中，启动挤压式搅拌，并保证产甲烷发酵罐中的绝对厌氧条件；控制物料温度为35±1℃，每24h监测物料pH，并调节pH为6.6~7.5；每24h监测产气中甲烷气体含量，当累积产气量增长缓慢、气体中甲烷含量低于40%时，可认为发酵结束；发酵结束后剩余沼渣的1/3可作为接种物料进行回流，剩余物料导入好氧堆肥装置中进行好氧堆肥稳定化。

Claims (5)

1.一种城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)生物预干化
将脱水污泥在好氧条件下堆置2-3天作为预处理，以降低物料粘度和含水率，含水率降低10-20%，并使物料温度升高；
(2)物料接种
将生物预干化后的污泥放入产酸阶段发酵罐，若初次发酵，加入物料自身体积20~30%的厌氧颗粒污泥进行接种，否则可加入其他批次发酵结束后剩余沼渣进行接种，接种物料体积为发酵物料体积的20-30%；接种物料与发酵物料混合后进行静态启动，启动时间6-8天；
(3)产酸发酵
接种阶段结束后，在兼氧或厌氧条件下进行产酸阶段发酵，保持氧浓度<2%；并采用螺带式或锚式搅拌方式进行搅拌，控制物料的pH值，使产酸阶段中间产物与能量在物料中充分传递、扩散；产酸阶段时间控制在15-20天；
其中，发酵过程须按时监测物料pH，当pH急剧下滑时，可采用生石灰或熟石灰调节物料pH； 
(4)产甲烷发酵
将产酸阶段结束后的物料放入产甲烷阶段发酵罐，在厌氧条件下进行产甲烷阶段发酵；并采用挤压式搅拌方式进行搅拌，使发酵物料和产物进行充分微观混合，并使发酵过程中物料内部的气体充分溢出；在产甲烷阶段保持反应器内物料温度为35±1℃；在产甲烷阶段对物料进行pH调节，使物料pH值为6.6-7.5；
(5)沼渣回收
将产甲烷阶段结束后的沼渣一部分作为下一批发酵污泥的接种物料，将剩余物料进行好氧堆肥稳定化，稳定化物料可进入污泥堆肥工艺进行有机肥加工。
2.根据权利要求1所述的城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于步骤(1)中预处理所述堆置采用自然通风堆置，或在特定反应器中通过控制供氧来实现。
3.根据权利要求1所述的城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于步骤(2)中接种前添加碳源物质。
4.根据权利要求1所述的城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于步骤(3)中采用生石灰或熟石灰调节物料pH值。
5.根据权利要求1所述的城市污泥干法厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于步骤(5)中发酵结束后沼渣的1/3作为接种物料回流至接种阶段；剩余2/3物料进行好氧堆肥，控制堆体内氧浓度大于8%，10-15天后可达到腐熟。
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