CN102241464A - 城市污泥处理方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种城市污泥处理方法，包括如下步骤：加热浓缩污泥至45～55℃后进入高温水解酸化反应器中在pH为6.5-7.5、温度为40～55℃条件下进行温水解厌氧消化反应2～5天，得水解酸化产物；将水解酸化产物的温度降为35-40℃后，进入中温产甲烷消化反应器在温度为35～38℃条件下进行中温水解厌氧消化反应10～17天，得沼气和消化污泥；将沼气进行脱硫处理；将消化污泥进行脱水，产生脱水污泥和消化液。本发明的方法充分实现了城市污泥处理的资源化、减量化和无害化。本发明还公开了一种城市污泥处理设备，包括中温产甲烷消化反应器、脱水机、脱硫塔以及高温水解酸化反应器和热交换器，高温水解酸化反应器上设有加热器。设备整体结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市污泥处理方法及其设备，特别涉及城市污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥以及化学污泥的资源化、减量化、无害化处理方法。
背景技术
随着我国城市污水处理厂建设力度加大，城市污水处理率快速提高，城市污泥的产生量激增，污泥的处理、处置问题日益突出。目前我国多数城市污水处理厂对污泥的处理多采用浓缩、脱水后外运填埋或用作农肥。城市污泥中的生物质能没得到充分利用，造成了资源、能源的浪费。相比较其他污泥处理技术，采用厌氧消化技术不但可以实现污泥的减量化、稳定化，而且产生的沼气通过发电、带动鼓风机等途径还可以用于补偿污水厂的能耗。
污泥的厌氧消化工艺是目前最可行的污泥处理工艺之一，污泥经厌氧消化后，体积大幅度减小，脱水性能大大提高，可实现污泥的减量化和稳定化。欧洲的城市污水处理厂80％以上均采用厌氧消化工艺处理污泥，产生的沼气全部用于发电，一般可以满足污水处理厂50％以上的自用电量需求，有的可以达到完全的能源自给。
我国目前仅有不到5％的城市污水厂采用了污泥厌氧消化工艺，而在这为数不多的污泥厌氧消化工艺又存在技术水平低，污泥处理效果差，处理效能低下，沼气利用率低等一系列问题。
因此，改善污泥的厌氧消化潜能，开发新型高效厌氧消化工艺技术路线，提高污泥处理效率及处理效果，是我国污水污泥处理领域面临的急迫问题。
发明内容
本发明要解决城市污泥处理方法的污泥处理效率低、效果差的技术问题，并同时提供一种城市污泥处理设备。
为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
本发明的城市污泥处理方法，包括如下步骤：第一步：浓缩待处理的污泥成为浓缩污泥，将浓缩污泥加热至45～55℃后进入高温水解酸化反应器中进行水解酸化反应；高温水解酸化反应器内的pH控制在6.5-7.5，温度维持在40～55℃，污泥在高温水解酸化反应器内停留2～5天，获得水解酸化产物；第二步：将第一步获得的水解酸化产物的温度降为35-40℃后，进入中温产甲烷消化反应器进行水解酸化反应，中温产甲烷消化反应器内温度维持在35～38℃，水解酸化产物在中温产甲烷消化反应器内停留10～17天，产生沼气和消化污泥；第三步：将第二步产生的沼气进行脱硫处理；第四步：将第二步产生的消化污泥进行脱水至含水率60％以下，产生脱水污泥和消化液。
本发明的城市污泥处理设备，包括用于使污泥在其中进行产生沼气和消化污泥反应的中温产甲烷消化反应器、用于使消化污泥在其中脱水的脱水机以及用于使沼气在其中脱硫的脱硫塔，其中所述中温产甲烷消化反应器上设有保温器，所述城市污泥处理设备还包括：高温水解酸化反应器和热交换器，高温水解酸化反应器用于使污泥在其中进行水解酸化反应，该高温水解酸化反应器上设有加热器；热交换器用于加热待处理的污泥，以及使由所述高温水解酸化反应器输出的水解酸化产物降温。
由上述技术方案知，本发明的城市污泥处理方法具有如下优点和积极效果：
1.本发明的方法中将浓缩污泥的厌氧消化过程分为两个阶段，第一个阶段为高温水解酸化，第二个阶段是中温产甲烷消化。在实现温度分级的同时，优化了不同微生物的代谢条件，实现了生物分相。经高温水解酸化后，污泥中微生物细胞壁的破壁率大为提高，从而能充分地将细胞内的有机物释放出来，有利于接下来的中温产甲烷消化反应，保证了甲烷化微生物的优化，从而大幅度提高了浓缩污泥中有机物的降解率和甲烷的产量，经实验验证有机物降解率大于50％，沼气产率提高30％。实现了污泥的高能量回收率。
2.经高温水解酸化和中温产甲烷消化两个阶段的消化反应所产生的消化污泥的脱水性能大为提高，从而简化了后续的脱水工艺，并且脱水后的污泥含水率可达到60％以下。
3.本发明的方法中，在40～55℃的高温水解厌氧消化反应过程中，可杀灭致病菌，保证了泥饼达到土地利用的卫生无害化要求；同时可缩短消化时间，经实验验证相比于传统的处理方法消化时间缩短25％。
本发明的城市污泥处理设备为本发明的方法的实施提供了良好的保障，并且设备整体结构简单，易于实现。
说明书附图
图1是本发明的城市污泥处理设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明的城市污泥处理方法的总体发明构思在于：发明人经过多年潜心研究，认为目前的城市污泥处理效果差的主要原因在于，污泥中微生物细胞壁呈半刚性结构，属于生物难降解物质，严重阻碍了细胞内易降解物质的溶出和水解，从而影响了污泥厌氧消化的降解速率。因此本发明的方法着重从打破微生物细胞壁入手，再辅以其他的技术手段来改善污泥的厌氧消化潜能，开发新型高效的污泥处理方法，提高污泥处理效率及稳定化水平。
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
实施例1
污水处理厂的初沉污泥与剩余污泥混合浓缩后污泥量为250吨/天(含水率96％)，干固体含量为10,000千克/天。使用本发明的城市污泥处理方法进行处理，包括如下步骤：
第一步骤，初沉污泥与剩余污泥等需要处理的污泥，首先进行预处理(预处理与现有技术相同包括均质等)形成浓缩污泥(含水率92％左右)，浓缩污泥首先经热交换器7加热后温度升至55℃；接着，将高温浓缩污泥泵入有效容积为392m3的圆柱形高温水解酸化反应器5中，进行高温水解酸化反应，在此过程中，由加热器6对高温水解酸化反应器5加热并保温，使其温度保持在50℃，提供厌氧消化所需的热量，高温水解酸化反应器5内的污泥的PH值控制在7，反应时间为3天，获得水解酸化产物；
该步骤中，关于PH值的控制：当检验到高温水解酸化反应器内的污泥的PH值偏酸性时，可以通过快速排泥，快速补充浓缩污泥的方式使高温水解酸化反应器内的污泥的PH值回复到中性。通常，高温水解酸化反应器内的污泥的PH值不会呈偏碱性。
高温水解酸化反应器和中温产甲烷反应器分别为了给产酸菌和产甲烷菌提供各自的最佳生长环境，产酸、产气两相厌氧消化分别在两个反应器中进行。
第二步骤，将上述第一步骤获得的水解酸化产物的温度降低至40℃后，将其泵入有效容积为1567.5m3的中温产甲烷反应器1中，进行甲烷化反应(即中温产甲烷消化)，反应过程中，由保温器4对中温产甲烷反应器1进行加热及保温，使其内温度保持在35℃，提供厌氧消化所需的热量，水解酸化产物在该中温产甲烷反应器1中的反应时间为12天，最终产生沼气和消化污泥。
温度分级：第一级采用高温水解酸化反应器，实现细胞壁破壁，释放内容物，并强化内容物和多糖类物质的水解和酸化，从而保证有机物的降解率。第二级采用中温产甲烷反应器，实现产乙酸和产甲烷。
生物分相：第一级在高温下运行，温度在40～50℃之间，该温度适合水解酸化细菌生长，抑制产甲烷细菌生长。第二级控制在35～38℃之间，适合产甲烷菌生长。通过温度分级自然形成了生物分相，不同微生物在各自最佳的环境下生长。
因此高温水解酸化反应器可以使微生物细胞更好的破壁。
有机物含量为55％的浓缩污泥，经上述两个步骤处理后，有机物降解率为50％左右；同时污泥降解量为2750千克/天，沼气产量为2210m3/d(立方米/天)，即每立方浓缩污泥(96％含水率)产生8.46m3沼气。相对于传统的城市污泥处理方法，消化时间可缩短25％左右，同时减小了中温产甲烷反应器的容积，增加了产沼气的效率。
在上述两个步骤中，由于待处理的浓缩污泥需要加温，而高温水解酸化反应器5输出的水解酸化产物需要降温后再进入中温产甲烷反应器1，所以，可以将相对低温的浓缩污泥和相对高温的水解酸化产物同时输入热交换器7，使二者进行充分的热交换，各自达到所需要的温度，从而节约了能量消耗。
第三步骤，上述第二步骤中获得的沼气采用一级生物脱硫塔3进行生物脱硫，进入生物脱硫塔3前，沼气中硫化氢(H2S)含量为8000-11000ppm，生物脱硫停留时间为18-20min，鼓风量为10-40m3/h，经生物脱硫后，硫化氢含量小于100ppm，脱硫率可达99％以上。进行生物脱硫和净化后的沼气储存至沼气柜8，沼气可以发电供污水处理厂内自用或外输，或者利用沼气加热产生蒸汽和热水等。当沼气产量大于使用量或沼气发电机进行维修时通过沼气火炬将沼气燃烧掉。本步骤中所使用的一级生物脱硫塔可以采用目前应用于其他领域的现有结构。第四步骤，上述第二步骤中获得的消化污泥采用深度脱水方式进行固液分离，可以使用隔膜压滤机2进行固液分离，分离出泥饼和消化液，泥饼含水率在60％左右，在泥质满足农用标准或园林绿化标准条件下，可进行土地利用或市政利用，亦可与垃圾混合焚烧，实现了污泥的减量化。当然该步骤中，也可以使用其他的设备或方式进行固液分离。
使用本发明的方法通过充分回收产生的沼气而获得较高的能量自给率，工艺方法稳定运行时基本不需要另外输入能量，实现污泥处理的资源化、减量化、无害化。
实施例2
污水处理厂的初沉污泥与剩余污泥混合浓缩后污泥量为75吨/天(含水率80％)，干固体含量为15000千克/天。使用本发明的城市污泥处理方法进行处理，包括如下步骤：
第一步骤，经预处理的浓缩污泥(含水率92％)首先经热交换器7加热后温度升至50℃；接着，将高温浓缩污泥泵入有效容积为965.6m3的圆柱形高温水解酸化反应器5中，进行高温水解酸化反应，在此过程中，由加热器6对高温水解酸化反应器5加热并保温，使其温度保持在45℃，提供厌氧消化所需的热量，高温水解酸化反应器5内的污泥的PH值控制在6.5，反应时间为5天，获得水解酸化产物；
第二步骤，将上述第一步骤获得的水解酸化产物的温度降低至35℃后，将其泵入有效容积为1931.25m3的中温产甲烷反应器1中，进行甲烷化反应，反应过程中，由保温器4对中温产甲烷反应器1进行加热及保温，使其内温度保持在38℃，提供厌氧消化所需的热量，水解酸化产物在该中温产甲烷反应器1中的反应时间为10天，最终产生沼气和消化污泥。
有机物含量为60％的浓缩污泥，经上述两个步骤处理后，有机物降解率为55％左右；同时污泥降解量为4950千克/天，沼气产量为3138.5m3/d(立方米/天)，即每立方浓缩污泥(96％含水率)产生8.13m3沼气。相对于传统的城市污泥处理方法，消化时间可缩短20％左右，同时减小了中温产甲烷反应器的容积，增加了产沼气的效率。
第三步骤，上述第二步骤中获得的沼气采用一级生物脱硫塔3进行生物脱硫，脱硫率可达98.8％。
第四步骤，上述第二步骤中获得的消化污泥采用深度脱水方式进行固液分离，可以使用隔膜压滤机进行固液分离，分离出泥饼和消化液，泥饼含水率在60％。
实施例3
污水处理厂的初沉污泥与剩余污泥混合浓缩后污泥量为500吨/天(含水率94％)，干固体含量为30,000千克/天。使用本发明的城市污泥处理方法进行处理，包括如下步骤：
第一步骤，经预处理的浓缩污泥(含水率92％)首先经热交换器7加热后温度升至45℃；接着，将高温浓缩污泥泵入有效容积为761.3m3的圆柱形高温水解酸化反应器5中，进行高温水解酸化反应，在此过程中，由加热器6对高温水解酸化反应器7加热并保温，使其温度保持在55℃，提供厌氧消化所需的热量，高温水解酸化反应器5内的污泥的PH值控制在7.5，反应时间为2天，获得水解酸化产物；
第二步骤，将上述第一步骤获得的水解酸化产物的温度降低至38℃后，将其泵入有效容积为6470.6m3的中温产甲烷反应器1中，进行甲烷化反应，反应过程中，由保温器4对中温产甲烷反应器1进行加热及保温，使其内温度保持在36℃，提供厌氧消化所需的热量，水解酸化产物在该中温产甲烷反应器1中的反应时间为17天，最终产生沼气和消化污泥。
有机物含量为65％的浓缩污泥，经上述两个步骤处理后，有机物降解率为52％左右；同时污泥降解量为10140千克/天，沼气产量为5924m3/d(立方米/天)，即每立方浓缩污泥(80％含水率)产生38.91m3沼气。相对于传统的城市污泥处理方法，消化时间可缩短24％左右，同时减小了中温产甲烷反应器的容积，增加了产沼气的效率。
第三步骤，上述第二步骤中获得的沼气采用一级生物脱硫塔3进行生物脱硫，脱硫率可达99.1％。
第四步骤，上述第二步骤中获得的消化污泥采用深度脱水方式进行固液分离，可以使用隔膜压滤机进行固液分离，分离出泥饼和消化液，泥饼含水率在58％。
实施例4
本发明的城市污泥处理设备，包括热交换器7、高温水解酸化反应器5、中温产甲烷消化反应器1、脱水机2、脱硫塔、沼气柜8、发电机9、火炬10、锅炉11，以及热平衡罐12等。
热交换器7，包括热交换管和循环动力泵(图中未示出)。其中热交换管由套装在一起的内套管和外套管构成，内套管中流动一种温度的介质，内、外套管之间的夹套内流动另一种温度的介质，两种温度的介质在循环流动过程中进行热交换。为了增加热交换面积，可以将热交换管制成重叠布置的多弯管形状或盘管形状或者螺旋管形状等。当然，热交换器7不限于上述结构，能够对污泥进行加热的任何现有结构均是可行的。本发明中，可以将待处理的浓缩污泥通入到内套管中，将由高温水解酸化反应器5输出的水解酸化产物通入到内、外套管之间的夹套内，在循环过程中两种温度介质进行换热。这样本发明就充分利用了水解酸化产物的热量来加热待处理的浓缩污泥，一方面使水解酸化产物的温度降至下道工艺所需要的温度，同时使待处理的浓缩污泥温度升高至处理前所需要的温度。如果待处理的浓缩污泥温度经上述热交换后还不能达到处理前所需要的温度，则可以通过其他方式补充加热即可。
高温水解酸化反应器5的结构与传统的中温产甲烷消化反应器1相同，包括罐体，罐体上设有加热器6，加热器6用于加热高温水解酸化反应器5至所需要的温度。罐体内设搅拌机，用于搅拌罐体内的污泥，罐体采用利浦罐结构，安装快捷、施工方便。前述已经过热交换器7加热的浓缩污泥在该高温水解酸化反应器5内进行高温水解酸化反应，并生成水解酸化产物。
中温产甲烷消化反应器1可以采用现有结构，包括罐体，罐体上设有保温器4，保温器4用于加热或者冷却中温产甲烷消化反应器1的温度。前述的水解酸化产物在该中温产甲烷消化反应器1中进一步进行水解厌氧消化反应，并生成沼气和消化污泥。
脱水机，用于使前述的消化污泥在其中进行固液分离，形成含水率低于60％的泥饼和消化液。脱水机优选为隔膜压滤机，但不以此为限，其他现有的各种脱水机均是可行的。
脱硫塔与中温产甲烷消化反应器1顶部之间连通有气管，用于接收中温产甲烷消化反应器1内水解厌氧消化反应过程中产生的沼气，并使沼气在其中进行脱硫反应。脱硫塔优先为传统的一级生物脱硫塔3或其他类型生物脱硫塔，一级生物脱硫塔3的结构包括：包括喷淋循环泵、塔内生物填料、鼓风机、塔内液位计、电动补水阀门、一套自动控制系统，脱硫塔内设置喷淋喷头，用于将营养液均匀喷洒至塔内生物调料上，鼓风机提供生物填料所需的氧气，液位计用于检测塔内营养液液位，以控制电动补水阀门的开启。自动控制系统按程序控制各个设备，保证生物脱硫塔正常运行。本发明中不限于生物脱硫塔，传统的化学脱硫塔或者其他类型的脱硫塔也是可行的。需要说明的是，在高温水解酸化反应器5内进行的高温水解厌氧消化反应理论上不产生沼气，但考虑到实际反应的复杂情况，也有可能意外产生少量的沼气，因此在高温水解酸化反应器5与生物脱硫塔3之间设置供沼气通过的气管。沼气柜8与生物脱硫塔3之间连通有气管，用于储存经生物脱硫塔3处理后的干净沼气。
发电机9与沼气柜8之间连通有气管，利用沼气发电并外输，供需要的地方使用，也可以供污水处理厂自用。
锅炉11，与沼气柜8之间连通有气管，利用沼气烧水并外输，供需要的地方使用，也可以供污水处理厂自用。本发明中还可以包括其他的能够利用沼气能源的装置，如热水器等。
火炬10与沼气柜8之间连通有气管，当本发明所产生的沼气特别多而过剩情况下，火炬10用于燃烧掉过剩的沼气。在上述各个气管上可以安装单向阀(图中未示出)，以防止沼气倒流。
热平衡罐12为现有结构，包括一个罐体，罐内设液位计，控制电动补水阀门的启停。罐内利用高温水、低温水的密度差异，自动实现分层，罐上层为高温水，下层为低温水。热平衡罐12与锅炉11之间连通有循环回路，这样，利用锅炉11热水的热量可以加热热平衡罐12内的水，使其保持在所需要的温度。
本发明中，在设有热平衡罐12的情况下，发电机9的冷却系统出水管可以连通于热平衡罐12，这样就充分利用了发电机9的冷却系统的热水，另外，也可以将发电机9的冷却系统的进水管连通于热平衡罐12下部，从而形成了由热平衡罐12提供循环水的冷却循环系统。热平衡罐12上还可以设置软化水补水管，用于在需要的时候给热平衡罐12补水。
本发明中，高温水解酸化反应器5的加热器6、中温产甲烷消化反应器1的保温器4的结构均可以与热交换器7的结构相同，包括内套管、外套管。加热器6的内套管与热平衡罐12之间连通有循环回路；加热器6的内、外套管之间的夹套与高温水解酸化反应器5(或者其内的加热装置)之间连通有循环回路。两个循环管路中不同温度的介质循环过程中进行热交换，从而利用热平衡罐12内水的热量将高温水解酸化反应器5加热至所需要的温度。同样，保温器4的内套管与热平衡罐12之间连通有循环回路；保温器4的内、外套管之间的夹套与中温产甲烷消化反应器1(或者其内的加热装置)之间连通有循环回路。两个循环管路中不同温度的介质循环过程中进行热交换，从而利用热平衡罐12内水的热量将中温产甲烷消化反应器1加热至所需要的温度。各个循环管路上安装有提供循环动力的液体泵(图中未示出)。在不需要加热时，可以关闭液体泵。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种城市污泥处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：浓缩待处理的污泥成为浓缩污泥，将浓缩污泥加热至45～55℃后进入高温水解酸化反应器中进行水解酸化反应；高温水解酸化反应器内的pH控制在6.5-7.5，温度维持在40～55℃，污泥在高温水解酸化反应器内停留2～5天，获得水解酸化产物；
第二步：将第一步获得的水解酸化产物的温度降为35-40℃后，进入中温产甲烷消化反应器进行厌氧消化反应，中温产甲烷消化反应器内温度维持在35～38℃，水解酸化产物在中温产甲烷消化反应器内停留10～17天，产生沼气和消化污泥；
第三步：将第二步产生的沼气进行脱硫处理；
第四步：将第二步产生的消化污泥进行脱水至含水率60％以下，产生脱水污泥和消化液。
2.根据权利要求1所述的城市污泥处理方法，其特征在于，所述第一步骤中，污泥在高温水解酸化反应器中进行水解酸化反应时，pH控制在7。
3.根据权利要求1所述的城市污泥处理方法，其特征在于，所述第一步骤中，污泥在高温水解酸化反应器中进行水解酸化时，高温水解酸化反应器内温度维持在45～50℃。
4.根据权利要求1所述的城市污泥处理方法，其特征在于，所述第三步骤中，用生物脱硫工艺对沼气进行脱硫处理。
5.根据权利要求1所述的城市污泥处理方法，其特征在于，所述第四步骤中，用隔膜压滤机对消化污泥进行脱水。
6.一种用于上述权利要求1-5之任一项所述的城市污泥处理方法的城市污泥处理设备，包括用于使污泥在其中进行产生沼气和消化污泥反应的中温产甲烷消化反应器(1)、用于使消化污泥在其中脱水的脱水机(2)以及用于使沼气在其中脱硫的脱硫塔，其中所述中温产甲烷消化反应器(1)上设有保温器(4)，其特征在于，所述城市污泥处理设备还包括：
高温水解酸化反应器(5)，用于使污泥在其中进行水解酸化反应，该高温水解酸化反应器(5)上设有加热器(6)；
热交换器(7)，用于加热待处理的污泥，以及使由所述高温水解酸化反应器(5)输出的水解酸化产物降温。
7.根据权利要求6所述的城市污泥处理设备，其特征在于，所述城市污泥处理设备还包括：
沼气柜(8)，与所述脱硫塔之间连通有气管，用于储存经所述脱硫塔处理后的沼气；
发电机(9)，与所述沼气柜(8)之间连通有气管，利用沼气发电并外输；
锅炉(11)，与所述沼气柜(8)之间连通有气管，利用沼气加热产生蒸汽和热水；
火炬(10)，与所述沼气柜(8)之间连通有气管，燃烧掉过剩的沼气。
8.根据权利要求7所述的城市污泥处理设备，其特征在于，还包括热平衡罐(12)，所述发电机(9)的冷却系统出水管连通于所述热平衡罐(12)；所述加热器(6)与所述热平衡罐(12)和所述高温水解酸化反应器(5)之间分别连通有循环回路；所述保温器(4)与所述热平衡罐(12)和所述中温产甲烷消化反应器(1)之间分别连通有循环回路。
9.根据权利要求6所述的城市污泥处理设备，其特征在于，所述脱硫塔是生物脱硫塔(3)。
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