CN102583922A - 一种双循环两相厌氧消化系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污泥处理领域，涉及一种厌氧消化系统，该系统包括预处理装置(1)、第一循环系统(2)、水解酸化反应器(3)、第二循环系统(4)和产甲烷反应器(5)，所述的预处理装置(1)和水解酸化反应器(3)之间设有第一循环系统(2)，所述的水解酸化反应器(3)和产甲烷反应器(5)之间设有第二循环系统(4)。本发明将两相厌氧消化、预处理、循环回流等技术有机地结合起来，实现了固相物质的高溶解性，为产酸菌提供丰富底物，进而增加污泥生产沼气的产量。达到无害化、减量化、资源化的目的。

Description

一种双循环两相厌氧消化系统及其应用

技术领域

本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种厌氧消化系统及其应用。

背景技术

我国兴建了大量污水处理厂，截至2009年，全国已建有城镇污水处理厂1792座，处理能力达9904万m³/d，平均运行负荷率为81.27％。在这些污水处理厂的建设和运行对城市污染负荷的削减起到了重要作用的同时，污水处理过程中副产物城市污泥量也日益增加。目前，全国年产湿污泥已近3000万吨(含水率80％)，污泥处理处置的中心已从简单的填埋转向以资源化为主的土地利用。而在污泥进行土地利用前需要对污泥进行稳定化处理，回收污泥中含有的大量的生物质能，厌氧发酵是污泥稳定化的重要措施之一，不仅过程所需能量较低，还可回收污泥中生物质能，是一种非常有应用前景的污泥资源化技术。

传统的二相厌氧消化研究，从微生物生长特点、生长动力学等方面从事了大量的研究，在基础研究的角度上，证明了二相工艺的优越性。但其采用的处理构筑物仍然为传统完全混合式的消化池，所以在停留时间、有机物利用等方面没有取得突破性的进展。而本方法在厌氧发酵工艺过程中通过回流并加热强化处理为厌氧发酵提供充足底物，增加产气量，缩短污泥厌氧发酵时间，从而推动污泥厌氧发酵技术的广泛应用，实现污泥资源化利用。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种双循环两相厌氧消化系统及其应用。该系统针对我国污泥厌氧消化产气量少、产气不稳定，难于应用厌氧稳定工艺对其进行处理等缺陷，耦合两相厌氧、加热强化破壁、循环回流等技术。能有效提升两相厌氧消化及产气效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种厌氧消化系统，包括预处理装置、第一循环系统、水解酸化反应器、第二循环系统和产甲烷反应器，所述的预处理装置和水解酸化反应器之间设有第一循环系统，所述的水解酸化反应器和产甲烷反应器之间设有第二循环系统。

所述的预处理装置上端设有预处理进料口，下端设有预处理出料口。

所述的水解酸化反应器的下端设有第一回流进料口和第二回流出料口，上端设有第一回流出料口和第二回流进料口。

所述的产甲烷反应器的下端设有第三回流进料口和第三出料口，上端设有第四回流出料口和出气口。

所述的第一循环系统是指设置在预处理装置与水解酸化反应器之间通过预处理进料口与第一回流出料口相连，预处理出料口与第一回流进料口相连所构成的循环回流体系。

所述的第二循环系统是指设置的水解酸化反应器与产甲烷反应器之间通过第二回流出料口与第三回流进料口相连，第二回流进料口与第四回流出料口相连所构成的循环回流体系。

所述的水解酸化反应器上端的第二回流进料口除与第四回流出料口相连外，还与污泥调配池相连。

所述的产甲烷反应器上端的出气孔与沼气池相连，其下端的第三出料口与集泥池相连。

所述的第一循环系统在预处理进料口与第一回流出料口之间设有污泥循环泵。

所述的第二循环系统在第二回流进料口与第四回流出料口之间设有污泥循环泵。

所述的预处理装置为加热预处理装置或微波辐射预处理装置。

应用此工艺达到高效破壁、溶解微生物胞内外有机物、杀死污泥中的病原菌等目的。本发明将两相厌氧消化、加热破壁、循环回流等技术有机地结合起来，实现了固相物质的高溶解性，为产酸菌提供丰富底物，进而增加污泥生产沼气的产量。

一种上述双循环两相厌氧消化系统用作污泥处理的应用，包含以下步骤：

(1)由第二回流进料口将污泥(包括第四回流出料口回流污泥和污泥调配池进料污泥)泵入至水解酸化反应器中；

(2)然后通过第一回流出料口出料至预处理装置中，再由第一进料口循环投入水解酸化反应器中；

(3)同时由第二回流出料口出料部分污泥至产甲烷反应器中；每日通过第二回流进料口出料部分污泥循环回流至水解酸化反应器中，且同时由第三出料口出料至集泥池中。

所述的步骤(3)中，每日从水解酸化反应器中转移至产甲烷反应器中的污泥量＝从污泥调配池通过第二回流进料口泵入水解酸化反应器中的污泥量+产甲烷反应器每日通过第二回流进料口回流至水解酸化反应器中的污泥量。

所述的步骤(3)中，从产甲烷反应器中每日通过第三出料口转移至集泥池中的污泥量＝从污泥调配池通过第二回流进料口泵入水解酸化反应器中的污泥量＝水解酸化反应器的总有效体积/污泥产酸相停留时间＝产甲烷反应器的总有效体积/污泥产甲烷相停留时间。

所述的步骤(2)中，从水解酸化反应器每日通过第一回流出料口回流至预处理装置中的污泥量占水解酸化反应器体积的20％～50％。

所述的步骤(2)中，从产甲烷反应器每日通过第二回流进料口回流至水解酸化反应器中的污泥量占产甲烷反应器体积的5％～20％。

本发明中所述的污泥包括初沉污泥和/或剩余污泥，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)的范围是20％～75％，其含水率范围为88％～98％。

所述的厌氧消化过程中产甲烷反应器中的pH要控制在6.6～7.8之间。

所述的水解酸化反应器在反应过程中维持温度在35℃或55℃，产甲烷反应器在反应过程中维持温度在35℃。

所述的水解酸化反应器和产甲烷反应器搅拌速度30～250rpm；所述的污泥产酸相停留时间为2～4d，污泥产甲烷相停留时间为6d～15d。

所述的预处理为加热预处理或微波辐射预处理。

所述加热处理的工艺操作条件为加热温度为90～120度，加热时间10～60min。

所述的微波辐射预处理的工艺操作条件为微波频率为2450MHz，微波辐射功率100w～1000w，辐射时间1～20min。

所述的污泥处理工艺流程为预处理装置+循环系统1+水解酸化反应器+循环系统2+产甲烷反应器。

本发明具有以下有益效益：～

1)本发明所提供的系统将两相厌氧消化、循环回流和预处理等技术有机结合起来，实现了物理化学强化处理技术和微生物处理技术结合，真正实现了有机底物的高效利用、水解产酸菌和产甲烷菌的分离，使两相内的细菌都能发挥最大的活性，提高整个系统的运行稳定性。

2)本发明所提供的系统通过污泥回流强化装置在系统中的有机设置，可以保证产甲烷发酵段在高有机物浓度下的稳定运行，具有很高的有机负荷和有机物去除率，沼气产量和产率高，提高了整个系统的处理效率。

3)本发明提供的系统不仅处理效率高，而且结构紧凑、相互配合运作，运行稳定，适合在大中小污水处理厂中推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例中加热预处理双循环两相厌氧消化系统。

图2是本发明实施例中微波辐射预处理双循环两相厌氧消化系统。

附图标注：

1预处理装置，

11预处理进料口，12预处理出料口，

2第一循环系统，

3水解酸化反应器，

31第一回流进料口，32第一回流出料口，

33第二回流出料口，34第二回流进料口，

4第二循环系统，

5产甲烷反应器，

51第三回流进料口，52第三出料口，

53第四回流出料口，54出气孔，

6沼气池，7集泥池，

8脱水机，9污泥调配池。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

一种厌氧消化系统(如图1和图2所示)，包括预处理装置1、第一循环系统2、水解酸化反应器3、第二循环系统4和产甲烷反应器5，所述的预处理装置1和水解酸化反应器3之间设有第一循环系统2，所述的水解酸化反应器3和产甲烷反应器5之间设有第二循环系统4。

预处理装置1上端设有预处理进料口11，下端设有预处理出料口12；

水解酸化反应器3的下端设有第一回流进料口31和第二回流出料口33，上端设有第一回流出料口32和第二回流进料口34；

产甲烷反应器5的下端设有第三回流进料口51和第三出料口52，上端设有第四回流出料口53和出气口54。

第一循环系统2是指设置在预处理装置1与水解酸化反应器3之间通过预处理进料口11与第一回流出料口32相连，预处理出料口12与第一回流进料口31相连所构成的循环回流体系；

第二循环系统4是指设置的水解酸化反应器3与产甲烷反应器5之间通过第二回流出料口33与第三回流进料口51相连，第二回流进料口34与第四回流出料口53相连所构成的循环回流体系；

水解酸化反应器3上端的第二回流进料口34除与第四回流出料口53相连外，还与污泥调配池9相连；

产甲烷反应器5上端的出气孔54与沼气池6相连，其下端的第三出料口52与集泥池7相连；

第一循环系统2在预处理进料口11与第一回流出料口32之间设有污泥循环泵；

第二循环系统4在第二回流进料口34与第四回流出料口53之间设有污泥循环泵。

该系统还包括预处理装置1，其中预处理装置为加热预处理装置(如图1所示)或微波辐射预处理装置(如图2所示)。

实施例1

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为77.82％)和浓缩污泥(含水率为95.44％)在污泥调配池9中配成含水率为88.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的33.4％。

如图1所示，每日从污泥调配池9通过第二回流进料口34泵入2.5L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为5L，每日通过第一回流出料口32出料2L至加热预处理装置1中，120度加热10min后再由第一回流进料口31循环投入水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料5L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为30L，每日通过第四回流出料口53出料2.5L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.5L至集泥池7中。

水解酸化反应器3停留时间为2d，产甲烷反应器5停留时间为12d，共停留14d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为5L，停留时间为2d；产甲烷反应器5总有效体积为30L，停留时间为12d。控制消化过程中各反应器温度在35±2℃，各反应器搅拌速度250rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即28d～42d后可稳定产气，实验组日产气37.5L，甲烷含量62.55％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高28.6％。

实施例2

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为82.11％)和浓缩污泥(含水率为96.23％)在污泥调配池9中配成含水率为94.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的45.2％。

如图1所示，每日从污泥调配池通过第二回流进料口34泵入2.0L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为6L，每日通过第一回流出料口32出料2L至加热预处理装置1中，100度加热30min后再由第一回流进料口31循环投入水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料4L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为30L，每日通过第四回流出料口53出料2L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.0L至集泥池7中。

水解酸化反应器3停留时间为3d，产甲烷反应器5停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为6L，停留时间为3d；产甲烷反应器5总有效体积为30L，停留时间为15d。控制消化过程中水解酸化反应器3温度在55±2℃，产甲烷反应器5温度在35±2℃，水解酸化反应器3和产甲烷反应器5搅拌速度为150rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即36d～54d后可稳定产气，实验组日产气24.5L，甲烷含量63.64％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高23.2％。

实施例3

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为79.23％)和浓缩污泥(含水率为99.12％)在污泥调配池9中配成含水率为98.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的60.2％。

如图1所示，每日从污泥调配池9通过第二回流进料口34泵入2.0L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为8.0L，通过第一回流出料口32每日出料2L至预处理装置1中，经100度加热30min后再由第一回流进料口31循环投入到水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料4L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为12L，每日通过第四回流进料口53出料2L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.0L至集泥池7中。

故水解酸化反应器3停留时间为4d，产甲烷反应器5停留时间为6d，共停留10d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为8L，停留时间为4d；产甲烷反应器5总有效体积为12L，停留时间为6d。控制消化过程中各反应器温度在35±2℃，各反应器搅拌速度为30rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即20d～30d后可稳定产气，实验组日产气10.5L，甲烷含量65.56％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高30.2％。

实施例4

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为77.82％)和浓缩污泥(含水率为95.44％)在污泥调配池9中配成含水率为88.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的33.4％。

如图2所示，每日从污泥调配池9通过第二回流进料口34泵入2.5L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为5L，每日由第一回流出料口32出料2L至微波辐射装置1中，800W微波辐射10min后再由第一回流进料口31循环投入水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料5L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为30L，每日通过第四回流进料口53出料2.5L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.5L至集泥池7中。

水解酸化反应器3停留时间为2d，产甲烷反应器5停留时间为12d，共停留14d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为5L，停留时间为2d；产甲烷反应器5总有效体积为30L，停留时间为12d。控制消化过程中各反应器温度在35±2℃，各反应器搅拌速度250rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即28d～42d后可稳定产气，实验组日产气32.5L，甲烷含量62.55％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高25.6％。

实施例5

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为82.11％)和浓缩污泥(含水率为96.23％)在污泥调配池9中配成含水率为94.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的45.2％。

如图2所示，每日从污泥调配池9通过第二回流进料口34泵入2.0L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为6L，每日由第一回流出料口32出料2L至微波辐射装置1中，1000W微波辐射1min后再由第一回流进料口31循环投入水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料4L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为30L，通过第四回流进料口53每日出料2L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.0L至集泥池7中。

水解酸化反应器3停留时间为3d，产甲烷反应器5停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为6L，停留时间为3d；产甲烷反应器5总有效体积为30L，停留时间为15d。控制消化过程中各反应器温度在35±2℃，各反应器搅拌速度为30rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即36d～54d后可稳定产气，实验组日产气21.5L，甲烷含量63.64％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高18.2％。

实施例6

取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为79.23％)和浓缩污泥(含水率为99.12％)在污泥调配池9中配成含水率为98.0％的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的60.2％。

如图2所示，每日从污泥调配池9通过第二回流进料口34泵入2.0L至水解酸化反应器3中，其中水解酸化反应器3总有效体积为8.0L，由第一回流出料口32每日出料2L至微波辐射装置1中，100W微波辐射20min后再由第一回流进料口31循环投入到水解酸化反应器3中。同时由第二回流出料口33每日出料4L至产甲烷反应器5中；产甲烷反应器5总有效体积为12L，通过第四回流进料口53每日出料2L循环回流至水解酸化反应器3中，且同时由第三出料口52出料2.0L至集泥池7中。

故水解酸化反应器3停留时间为4d，产甲烷反应器5停留时间为6d，共停留10d。同时进行普通的两相厌氧消化实验，其中水解酸化反应器3总有效体积为8L，停留时间为4d；产甲烷反应器5总有效体积为12L，停留时间为6d。控制消化过程中水解酸化反应器3温度在55±2℃，产甲烷反应器5温度在35±2℃，水解酸化反应器3和产甲烷反应器5搅拌速度为30rpm，产甲烷反应器中的pH控制在6.6～7.8之间。运行2～3个周期即20d～30d后可稳定产气，实验组日产气9.5L，甲烷含量65.56％，其产气总量比普通的两相厌氧消化工艺提高26.2％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种厌氧消化系统，其特征在于：包括预处理装置(1)、第一循环系统(2)、水解酸化反应器(3)、第二循环系统(4)和产甲烷反应器(5)，所述的预处理装置(1)和水解酸化反应器(3)之间设有第一循环系统(2)，所述的水解酸化反应器(3)和产甲烷反应器(5)之间设有第二循环系统(4)。

2.根据权利要求1所述的厌氧消化系统，其特征在于：所述的预处理装置(1)上端设有预处理进料口(11)，下端设有预处理出料口(12)；

或所述的水解酸化反应器(3)的下端设有第一回流进料口(31)和第二回流出料口(33)，上端设有第一回流出料口(32)和第二回流进料口(34)；

或所述的产甲烷反应器(5)的下端设有第三回流进料口(51)和第三出料口(52)，上端设有第四回流出料口(53)和出气口(54)。

3.根据权利要求2所述的两相厌氧消化系统，其特征在于：所述的第一循环系统(2)是指设置在预处理装置(1)与水解酸化反应器(3)之间通过预处理进料口(11)与第一回流出料口(32)相连，预处理出料口(12)与第一回流进料口(31)相连所构成的循环回流体系；

或所述的第二循环系统(4)是指设置的水解酸化反应器(3)与产甲烷反应器(5)之间通过第二回流出料口(33)与第三回流进料口(51)相连，第二回流进料口(34)与第四回流出料口(53)相连所构成的循环回流体系；

或所述的水解酸化反应器(3)上端的第二回流进料口(34)除与第四回流出料口(53)相连外，还与污泥调配池(9)相连；

或所述的产甲烷反应器(5)上端的出气孔(54)与沼气池(6)相连，其下端的第三出料口(52)与集泥池(7)相连。

4.根据权利要求3所述的两相厌氧消化系统，其特征在于：所述的第一循环系统(2)在预处理进料口(11)与第一回流出料口(32)之间设有污泥循环泵；

或所述的第二循环系统(4)在第二回流进料口(34)与第四回流出料口(53)之间设有污泥循环泵。

5.根据权利要求1所述的两相厌氧消化系统，其特征在于：该系统还包括预处理装置(1)，其中所述的预处理装置为加热预处理装置或微波辐射预处理装置。

6.一种权利要求1-4中任一所述的厌氧消化系统用作污泥处理的应用，其特征在于：包含以下步骤：

(1)由第二回流进料口(34)将污泥泵入至水解酸化反应器(3)中；

(2)然后通过第一回流出料口(32)出料至预处理装置(1)中，再由第一进料口(31)循环投入水解酸化反应器中(3)；

(3)同时由第二回流出料口(33)出料部分污泥至产甲烷反应器(5)中；每日通过第二回流进料口(53)出料部分污泥循环回流至水解酸化反应器(3)中，且同时由第三出料口(52)出料至集泥池(7)中。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的步骤(3)中从水解酸化反应器(3)中转移至产甲烷反应器(5)中的污泥量＝从污泥调配池通过第二回流进料口(34)泵入水解酸化反应器(3)中的污泥量+产甲烷反应器(5)每日通过第二回流进料口(53)回流至水解酸化反应器(3)中的污泥量；

或所述的步骤(3)中从产甲烷反应器(5)中每日通过第三出料口(52)转移至集泥池(7)中的污泥量＝从污泥调配池通过第二回流进料口(34)泵入水解酸化反应器(3)中的污泥量＝水解酸化反应器的总有效体积/污泥产酸相停留时间＝产甲烷反应器的总有效体积/污泥产甲烷相停留时间；

或所述的步骤(2)中从水解酸化反应器(3)每日通过第一回流出料口(32)回流至预处理装置(1)中的污泥量占水解酸化反应器(3)体积的20％～50％；

或所述的步骤(2)中从产甲烷反应器(5)每日通过第二回流进料口(53)回流至水解酸化反应器(3)中的污泥量占产甲烷反应器(5)体积的5％～20％。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的污泥选自初沉污泥和/或剩余污泥，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例的范围是20％～75％，其含水率范围为88％～98％；

或所述的厌氧消化过程中产甲烷反应器(5)中的pH为6.6～7.8；

或所述的水解酸化反应器(3)在反应过程中维持温度在35℃或55℃，产甲烷反应器(5)在反应过程中维持温度在35℃；

或所述的水解酸化反应器(3)和产甲烷反应器(5)搅拌速度30～250rpm；

或所述的污泥产酸相停留时间为2～4d，污泥产甲烷相停留时间为6d～15d。

9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的步骤(2)中的预处理为加热预处理或微波辐射预处理。

10根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述加热预处理的工艺操作条件为加热温度为90～120度，加热时间10～60min；

或所述的微波辐射预处理的工艺操作条件为微波频率为2450MHz，微波辐射功率100w～1000w，辐射时间1～20min。

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