CN102424508A - 一种高效回收热能的污泥热解消化工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效回收热能的污泥热解消化工艺及其设备，该工艺以剩余活性污泥为原料，以热蒸汽对水解反应器进行加热加压，在150～180℃、0.5～0.7Mpa下进行热水解30～90min；反应结束后，热蒸汽回流至另一组的水解反应器进行预热，污泥在压力降至0.2～0.3Mpa时喷放进入闪蒸罐，进一步释放蒸汽并回流至另一组的水解反应器，闪蒸罐中的污泥排出后经过热交器降温至50～55℃后，进一步稀释至88～92％含水率，最后进入厌氧消化池进行高温厌氧消化反应，池内温度控制在50～58℃。本发明工艺提高了进料浓度并缩短停留时间，采用热水解预处理后的厌氧消化系统处理能力提高了2～3倍，甲烷含量达到65％，本发明还采用多个并联的热水解反应器，通过热能回收系统，对热蒸汽进行高效回用，节约能耗。

Description

一种高效回收热能的污泥热解消化工艺及其设备

技术领域

本发明属于污泥处理技术领域，具体是一种高效回收热能的污泥热解消化工艺以及该工艺所采用的设备。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展以及国家对环境污染治理力度的不断加强，带动我国污水处理效率的逐渐提高，与此同时，污水处理过程产生大量的剩余污泥有待处理。

剩余污泥处理办法主要有好氧消化工艺和厌氧消化工艺，其中，好氧消化存在能耗大、效率低等缺点；而污泥中的大量有机物质经过厌氧消化作用，能够减少污泥体积，破坏病原微生物，提高污泥稳定性同时提高沼气产量，回收生物质能，因此，目前关于污泥处理的研究主要集中在厌氧消化上。污泥厌氧消化的限速步骤是污泥水解，这与污泥的结构和成分特征有关。污泥中大部分有机物质被包裹在细胞内，细胞壁对酶解耐受性高，活体细胞在细胞壁的保护下难以参与水解反应，限制了厌氧消化速率。另一方面，有机大分子如蛋白质，体积远大于细胞膜孔，影响发酵底物传质过程，阻碍了水解反应进行。因此，传统污泥厌氧消化工艺亦存在停留时间长(20～30天)、消化速率慢等问题，需要进行一定的预处理，破坏细胞结构，分解有机大分子，提高污泥的厌氧消化性能。

预处理方法包括机械预处理、超声裂解、热处理和化学处理等，其中，热处理能够在较低温度和停留时间实现较高的细胞破碎率，有机物溶解率高，因此得到广泛研究。

早在1970年，已有报道指出热处理作为剩余活性污泥厌氧消化的预处理方法，污泥处理温度范围在150～200℃，较低温度的热处理也有报道，1989年Hiraoka等在60-100℃下对污泥进行热处理，60℃达到最大产气量。1992年Li YY等在62-175℃下对污泥进行热处理，170℃处理60min，甲烷产量增加了100％，挥发性固体去除率提高30％。1997年Tanaka S等在180℃下对厌氧消化污泥进行热处理，甲烷产量提高90％，挥发性固体去除率提高30％。2007年Climent M等在70℃对污泥热解9h，沼气产量提高50％。随着污泥热水解技术的进一步发展，已有一些产业化实例，如一家挪威公司开发了基于热水解预处理的Cambi工艺，系统在180℃对污泥进行热水解，30min固体增溶约30％，产沼气量相应增加150％。此外，威立雅公司也出售过名为BioThelys的污泥热解方法。热水解工艺不仅能够促进污泥细胞结构溶解，释放其中的有机物质，且能够分解有机大分子物质为有机小分子，有效改善污泥的厌氧可生化性，从根本上提高污泥厌氧消化的效率，缩短产气高峰以及污泥停留时间，从而缩短运行周期，降低运行成本。此外，污泥经过“热水解-厌氧消化”处理后离心脱水，得到固体含量为40％～50％的泥饼，大大减少了污泥体积。但“热水解-厌氧消化”处理剩余活性污泥的加热过程消耗大量热能，水解过后的污泥存在大量余热，造成热量损失，而如何对余热进行再利用或实现热能的高效回收，达到有效控制系统能耗是目前研究的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现高效热能回收的污泥热解消化工艺以及所采用设备，该工艺通过将热水解反应设计在多个并联反应器中进行，并通过热能回收系统，对热蒸汽进行高效回用，节约能耗。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

发明一，高效回收热能的污泥热解消化工艺，该工艺的操作方法如下：将经好氧处理后的剩余污泥送入各组水解反应器内，第一组水解反应器注入热蒸汽加热加压，当该组热水解反应完成后，热蒸汽回流至下组的水解反应器进行预热，水解后的污泥在压力降至0.2～0.3Mpa时喷入闪蒸罐，并在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至下组水解反应器进行预热，当下组水解反应器的水解反应完成后，热蒸汽又返回至第一组反应器，同样，水解后的污泥在压力降至0.2～0.3Mpa时喷入闪蒸罐，并在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至第一组水解反应器进行预热；经闪蒸罐处理后的污泥排出后通过换热器降温至50～55℃，再稀释至含水量88％～92％，再进入厌氧消化池进行高温厌氧消化，池内温度控制在50～58℃，收集沼气脱硫后输送至用户。

所述的各组热水解反应器是依次轮流运行。

所述污泥在各组热水解反应器的反应条件是：热处理温度150～180℃，压力0.5～0.7Mpa，热水解时间为30～90min。

发明二，高效回收热能的污泥热解消化设备，它包括多个并联的水解反应器以及闪蒸罐、换热器、厌氧消化池，闪蒸罐的进料口与各组水解反应器的出料口经管路相连接，闪蒸罐的出料口连接换热器，换热器的出口经管路与厌氧消化池的进料口连接，并在该段管路上接有进水管，各组水解反应器之间设有蒸汽回流管，闪蒸罐与各组水解反应器之间设有蒸汽回流管。

本发明方法具有以下优点：

1.针对污泥自身的结构特点以及常规厌氧消化技术的不足，通过在高温高压条件下对污泥进行水解破坏，释放大量有机物，改善污泥厌氧消化性能，提高污泥厌氧可生化性的同时起到杀菌以及均质污泥的作用。

2.厌氧消化池的污泥包括初次沉淀污泥、剩余活性污泥及回流消化污泥，固体含量高，保证了厌氧消化过程的稳定性及高效性；本发明提供的一种高效回收热能的污泥热解消化工艺，对挥发性固体的去除率比传统厌氧消化工艺高50％。

3.污泥经热水解之后进入闪蒸罐，释放出的热蒸汽回流至热水解段，热蒸汽在交替运行的两个水解反应器之间循环，重复用于加热过程，实现了热蒸汽高效回用。

4.污泥经过“热水解-高温厌氧消化”处理后离心脱水，得到固体含量为40％～50％的泥饼，大大减少了污泥体积。

附图说明

图1是本发明的工艺流程及设备连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明工艺作进一步的描述。

如图1所示，本发明设备包括并联的水解反应器组A、B及闪蒸罐、换热器、厌氧消化池，闪蒸罐的进料口与水解反应器A、B的出料口经管路相连接，闪蒸罐的出料口连接换热器，换热器的出口经管路与厌氧消化池的进料口连接，并在该段管路上接有进水管，两组水解反应器A、B之间设有蒸汽回流管，闪蒸罐与两组水解反应器之间设有蒸汽回流管。

本发明工艺的操作步骤是：

(1)首先，将经好氧处理后的剩余活性污泥进入水解反应器A，以注入热蒸汽的方式对污泥进行加热，直至温度、压力分别达到150～180℃、0.5～0.7Mpa，热水解30～90min。

(2)水解反应器A中水解反应完成后，水解反应器A顶部的减压阀逐渐打开，热蒸汽经蒸汽回流管进入水解反应器B进行预热，此时，水解反应器A中压力不断减小直至压力为0.2～0.3Mpa，水解后的污泥在该剩余压力下喷入闪蒸罐。

(3)热水解后的污泥在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽与水解反应器A释放的蒸汽一同回流至水解反应器B，用于预热。

(4)水解反应器B中温度、压力分别达到150～180℃、0.5～0.7Mpa，热水解30～90min。

(5)水解反应完成后，水解反应器B顶部的减压阀逐渐打开，热蒸汽经蒸汽回流管回流至水解反应器A。水解反应器B中压力不断减小直至0.2～0.3Mpa，污泥在该剩余压力下喷入闪蒸罐。

(6)经水解反应器B水解后的污泥在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽与水解反应器B释放的蒸汽一同回流至水解反应器A，用于预热。

(7)闪蒸罐排出的污泥经换热器进一步降温至50～55℃，再通过进水管的出水稀释至含水量为88％～92％，再进入厌氧消化池进行高温厌氧消化，池内温度控制在50～58℃，收集沼气脱硫后输送至用户，沼液沼渣可直接运用于农业，也可经离心脱水得到含固量为40％～50％的泥饼，供农林使用和生产建筑材料等。

根据需要，本发明采用的水解反应器也可以是两组以上，以并联方式连接。

以下是本发明工艺的实施例；

实施例1

好氧处理后的剩余污泥(含水率99％以上)，首先经过离心分离机或带式干燥机进行预脱水至含水量为80％，预脱水后的污泥进入污泥储槽中与其余回流污泥混合，混合污泥经过破碎机后进入水解反应器A，以注入热蒸汽的方式加热加压到150℃、0.5Mpa(水解反应器A中污泥加热阶段，水解反应器B开始进料)，热水解60min。

水解反应器A中水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路进入水解反应器B进行预热，此时，水解反应器A中压力不断减小，水解后的污泥在剩余压力至0.2Mpa时喷入闪蒸罐。热水解后的污泥在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至水解反应器B进行预热。

水解反应器B中温度、压力分别达到150℃、0.5Mpa，热水解60min。水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路回流至水解反应器A。水解反应器B中压力不断减小，污泥在剩余压力至0.2Mpa时喷入闪蒸罐。经水解反应器B水解后的污泥在闪蒸罐中处理20min，并进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至水解反应器A进行预热。闪蒸罐排出的污泥经换热器进一步降温至55℃，再打开出水阀出水稀释闪蒸罐排出的污泥至含水量为92％，再进入温度为50℃的厌氧消化池进行高温厌氧消化收集沼气，其中甲烷含量为60％，脱硫后输送至用户，含固量为5％的沼液沼渣直接运用于农业，也可经离心脱水得到含固量为50％的泥饼，供农林使用和生产建筑材料等。

实施例2

好氧处理后的剩余污泥(含水率99％以上)，先以离心分离机或带式干燥机进行预脱水至含水量为78％，预脱水后的污泥进入污泥储槽中与其余回流污泥混合，混合污泥经过破碎机后进入水解反应器A，以注入热蒸汽的方式加热加压到180℃、0.7Mpa(水解反应器A中污泥加热阶段，水解反应器B中开始进料)，热水解30min。

水解反应器A中水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路进入水解反应器B进行预热，此时，水解反应器A中压力不断减小，水解后的污泥在剩余压力至0.3Mpa时喷入闪蒸罐。热水解后的污泥在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至反应器B进行预热。

水解反应器B中温度、压力分别达到180℃、0.7Mpa，热水解30min。水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路回流至水解反应器A。水解反应器B中压力不断减小，污泥在剩余压力至0.3Mpa时喷入闪蒸罐。经水解反应器B水解后的污泥在闪蒸罐中处理90min，并进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至水解反应器A进行预热。闪蒸罐排出的污泥经换热器进一步降温至52℃，再打开出水阀出水稀释闪蒸罐排出的污泥至含水量为90％，再进入温度为55℃的厌氧消化池进行高温厌氧消化收集沼气，其中甲烷含量为62％，脱硫后输送至用户，含固量为4％沼液沼渣经离心脱水得到含固量为45％的泥饼，可供农林使用。

实施例3

好氧处理后的剩余污泥(含水率99％以上)，先以离心分离机或带式干燥机进行预脱水至含水量为75％，预脱水后的污泥进入污泥储槽中与其余回流污泥混合，混合污泥经过破碎机后进入水解反应器A，以注入热蒸汽的方式加热加压到165℃、0.6Mpa(水解反应器A中污泥加热阶段，水解反应器B中开始进料)，热水解90min。

水解反应器A中水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路进入水解反应器B进行预热，此时，水解反应器A中压力不断减小，水解后的污泥在剩余压力至0.25Mpa时喷入闪蒸罐。热水解后的污泥在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至水解反应器B进行预热。

水解反应器B中温度、压力分别达到165℃、0.6Mpa，热水解90min。水解反应完成后，热蒸汽经蒸汽管路回流至水解反应器A。水解反应器B中压力不断减小，污泥在剩余压力至0.25时喷入闪蒸罐。经水解反应器B水解后的污泥在闪蒸罐中处理50min，并进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至水解反应器A进行预热。闪蒸罐排出的污泥经换热器进一步降温至50℃，再打开出水阀出水稀释闪蒸罐排出的污泥至含水量为88％，再进入温度为58℃的厌氧消化池进行高温厌氧消化收集沼气，其中甲烷含量为65％，脱硫后输送至用户，含固量为3％的沼液沼渣经离心脱水得到含固量为40％的泥饼，可供生产建筑材料。

Claims (4)

1.一种高效回收热能的污泥热解消化工艺，其特征在于它的操作方法如下：

将经好氧处理后的剩余污泥送入各组水解反应器内，第一组水解反应器注入热蒸汽加热加压，当该组热水解反应完成后，热蒸汽回流至下组的水解反应器进行预热，水解后的污泥在压力降至0.2～0.3Mpa时喷入闪蒸罐，并在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至下组水解反应器进行预热，当下组水解反应器的水解反应完成后，热蒸汽又返回至第一组反应器，同样，水解后的污泥在压力降至0.2～0.3Mpa时喷入闪蒸罐，并在闪蒸罐中进一步释放压力，放出的热蒸汽回流至第一组水解反应器进行预热；经闪蒸罐处理后的污泥排出后经过热交器降温至50～55℃，用水稀释至含水量为88％～92％，再进入厌氧消化池进行高温厌氧消化，池内温度控制在50～58℃，收集沼气脱硫后输送至用户。

2.根据权利要求1所述的高效回收热能的污泥热解消化工艺，其特征在于：所述的各组热水解反应器是依次轮流运行。

3.根据权利要求1所述的高效回收热能的污泥热解消化工艺，其特征在于：所述污泥在各组热水解反应器的反应条件是：热处理温度150～180℃，压力0.5～0.7Mpa，热水解时间为30～90min。

4.一种高效回收热能的污泥热解消化设备，其特征在于，它包括多个并联的水解反应器及闪蒸罐、换热器和厌氧消化池，闪蒸罐的进料口与各组水解反应器的出料口经管路相连接，闪蒸罐的出料口连接换热器，换热器的出口经管路与厌氧消化池的进料口连接，并在该段管路上接有进水管，各组水解反应器之间设有蒸汽回流管，闪蒸罐与各组水解反应器之间设有蒸汽回流管。

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