CN102583931A - 一种双循环两级厌氧消化系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种双循环两级厌氧消化系统及其应用。该厌氧消化系统包括预处理装置(1)、第一循环系统(2)、一级厌氧消化反应器(3)、第二循环系统(4)、二级厌氧消化反应器(5)、污泥调配池(6)、沼气池(7)和集泥池(8)，其中在预处理装置(1)和一级厌氧消化反应器(3)之间设有第一循环系统(2)，在一级厌氧消化反应器(3)与二级厌氧消化反应器(5)之间设有第二循环系统(4)。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。

Description

一种双循环两级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，涉及一种双循环两级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。然而目前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。

传统的厌氧消化具有反应缓慢，污泥停留时间长(30～40天)，池体容积庞大，甲烷产量低和污泥降解程度差等缺点，限制了厌氧消化技术优势的发挥。近年来，国内外学者对提高污泥厌氧消化回收生物质能的研究多从如何强化预处理方法等角度加以考虑，而对厌氧消化工艺的改进并未得到关注。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提高一种双循环两级厌氧消化系统及其应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明从微生物生长特点、有机物溶解规律等方面着手，采用的两级厌氧消化耦合预处理强化处理及循环回流技术为厌氧消化微生物提供充足底物，增加产气量，缩短污泥厌氧发酵时间，从而推动污泥厌氧消化技术的广泛应用，实现污泥资源化利用。

一种双循环两级厌氧消化系统，包括预处理装置、第一循环系统、一级厌氧消化反应器、第二循环系统、二级厌氧消化反应器、污泥调配池、沼气池和集泥池，其中在预处理装置和一级厌氧消化反应器之间设有第一循环系统，在一级厌氧消化反应器与二级厌氧消化反应器之间设有第二循环系统。

所述的预处理装置的上端设有预处理进料口，下端设有预处理出料口。

所述的一级厌氧消化反应器的上端设有第一进料口和第二出料口，下端设有第一出料口和第二进料口。

所述的二级厌氧消化反应器的上端设有第三出料口和出气口，下端设有第三进料口和第四出料口。

所述的预处理装置上端的预处理进料口经污泥泵与一级厌氧消化反应器的第二出料口相连；下端的预处理出料口与一级厌氧消化反应器的第二进料口相连。

所述的一级厌氧消化反应器上端的第一进料口经污泥泵与二级厌氧消化反应器上端的第三出料口相连；下端的第一出料口与二级厌氧消化反应器下端的第三进料口相连。

所述的第一进料口还与污泥调配池相连。

所述的二级厌氧消化反应器上端的出气口与沼气池相连。

所述的二级厌氧消化反应器下端的第四出料口与集泥池连接。

所述的第一循环系统是指设置在预处理装置与一级厌氧消化反应器之间通过预处理进料口经污泥泵与第二出料口相连；预处理出料口与第二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在一级厌氧消化反应器与二级厌氧消化反应器之间通过第一进料口经污泥泵与第三出料口相连；第一出料口与第三进料口相连所构成的循环回流体系。

所述的预处理装置(1)为加热预处理装置或微波预处理装置。

一种利用上述厌氧消化系统用作污泥处理的应用，包含以下步骤：

(1)将污泥从污泥调配池通过第一进料口泵入至一级厌氧消化反应器中，再由第二出料口出料至预处理装置进行预处理；

(2)预处理后再由第二进料口循环投入到一级厌氧消化反应器中，同时由第一出料口出料至二级厌氧消化反应器中；

(3)从二级厌氧消化反应器中每日通过第三进料口出料循环回流至一级厌氧消化反应器中，且同时通过第四出料口出料至集泥池中。

所述的污泥发酵系统中每日回流处理量为总污泥量的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％。

所述每日预处理的污泥量为一级厌氧消化反应器(1)有效体积的5～20％

所述的每日从污泥调配池通过第一进料口泵入一级厌氧消化反应器中的污泥量＝从一级厌氧消化反应器通过第二循环系统净转移至二级厌氧消化反应器中的污泥量＝一级厌氧消化反应器总有效体积的1/3～1/5＝二级厌氧消化反应器总有效体积的1/10～1/15。

所述的预处理为加热预处理或微波预处理。

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。

所述的微波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1～10min。

所述的一级厌氧消化反应器和二级厌氧消化反应器在反应过程中控制温度35±2℃，pH7.5±0.5，搅拌速度30～250rpm。

所述的一级厌氧消化反应器污泥停留时间为3d～5d，二级厌氧消化反应器污泥停留时间为10d～15d。

本发明的效益是：

1)本发明所提供的系统将两级厌氧消化、加热强化破壁、循环回流等技术有机结合起来，实现了物理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，使两段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，可以保证厌氧菌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是本发明实施例中预处理装置为加热预处理的两级厌氧消化工艺流程图。

图2是本发明实施例中预处理装置为微波预处理的两级厌氧消化工艺流程图。

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 一级厌氧消化反应器，

31 第一进料口，        32 第一出料口，

33 第二出料口，        34 第二进料口，

4 第二循环系统，

5 二级厌氧消化反应器，

51 第三出料口，        52 第三进料口，

53 出气口，            54 第四出料口，

6 污泥调配池，

7 沼气池，

8 集泥池。

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、一级厌氧消化反应器3、第二循环系统4、二级厌氧消化反应器5、污泥调配池6、沼气池7和集泥池8，其中在预处理装置1和一级厌氧消化反应器3之间设有第一循环系统2，在一级厌氧消化反应器3与二级厌氧消化反应器5之间设有第二循环系统4。

预处理装置1的上端设有预处理进料口11，下端设有预处理出料口12；

一级厌氧消化反应器3的上端设有第一进料口31和第二出料口33，下端设有第一出料口32和第二进料口34；

二级厌氧消化反应器5的上端设有第三出料口51和出气口53，下端设有第三进料口52和第四出料口54。

预处理装置1上端的预处理进料口11经污泥泵与一级厌氧消化反应器3的第二出料口33相连；下端的预处理出料口12与一级厌氧消化反应器3的第二进料口34相连；

一级厌氧消化反应器3上端的第一进料口31经污泥泵与二级厌氧消化反应器5上端的第三出料口51相连；下端的第一出料口32与二级厌氧消化反应器5下端的第三进料口52相连；

第一进料口31还与污泥调配池6相连；

二级厌氧消化反应器5上端的出气口53与沼气池7相连；

二级厌氧消化反应器5下端的第四出料口54与集泥池8连接。

第一循环系统2是指设置在预处理装置1与一级厌氧消化反应器3之间通过预处理进料口11经污泥泵与第二出料口33相连；预处理出料口12与第二进料口34相连所构成的循环回流体系；

第二循环系统4是指设置在一级厌氧消化反应器3与二级厌氧消化反应器5之间通过第一进料口31经污泥泵与第三出料口51相连；第一出料口32与第三进料口52相连所构成的循环回流体系。

预处理装置1为加热预处理装置(如图1所示)或微波预处理装置(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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.5L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，每日由第二出料口33出料500mL至加热预处理装置1中(回流比为5％)，120度加热10min后再由第二进料口34循环投入一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料5L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，每日通过第三进料口51每日出料2.5L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.5L至集泥池8中。一级厌氧消化反应器3污泥停留时间为4d，二级厌氧消化反应器5污泥停留时间为12d，共停留16d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，停留时间为4d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为25L，停留时间为12d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH7.5±0.5，搅拌速度250rpm。运行2～3个周期(即32d～48d)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级厌氧消化工艺提高31.6％。

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％)在污泥调配池中配成含水率为92.0％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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.0L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为6L，每日由第二出料口33出料700mL至加热预处理装置中(回流比12％)，100度加热30min后再由第二进料口34循环投入一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料4L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，每日通过第三进料口51出料2L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.0L至集泥池8中。一级厌氧消化反应器3污泥停留时间为3d，二级厌氧消化反应器5污泥停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为6L，停留时间为3d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，停留时间为15d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度150rpm。运行2～3个周期(即36d～54d)后可稳定产气，实验组日产气28.5L，甲烷含量63.64％，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高27.2％。

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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.0L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为10.0L，由第二出料口33每日出料2L至预处理装置中(回流比为20％)，经90度加热60min后再由第二进料口34循环投入到一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料4L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，每日通过第三进料口51出料2L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.0L至集泥池8中。故一级厌氧消化反应器3停留时间为5d，二级厌氧消化反应器5停留时间为10d，共停留15d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，停留时间为5d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为20L，停留时间为10d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度30rpm。运行2～3个周期(即30d～45d)后可稳定产气，实验组日产气11.5L，甲烷含量65.56％，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高35.2％。

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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.5L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，每日由第二出料口33出料500mL至微波辐射装置中(回流比为5％)，800W微波辐射5min后再由第二进料口34循环投入一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料5L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，每日通过第三进料口51出料2.5L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.5L至集泥池8中。一级厌氧消化反应器3停留时间为4d，二级厌氧消化反应器5停留时间为12d，共停留16d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，停留时间为4d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，停留时间为12d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度250rpm。运行2～3个周期(即32d～48d)后可稳定产气，实验组日产气35.5L，甲烷含量62.55％，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高27.6％。

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％)在污泥调配池中配成含水率为92.0％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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.0L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为6L，每日由第二出料口33出料700mL至微波辐射装置中(回流比为12％)，1000W微波辐射6min后再由第二进料口34循环投入一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料4L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，每日通过第三进料口51出料2L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.0L至集泥池8中。一级厌氧消化反应器3停留时间为3d，二级厌氧消化反应器5停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为6L，停留时间为3d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为30L，停留时间为15d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度150rpm。运行2～3个周期(即36d～54d)后可稳定产气，实验组日产气26.5L，甲烷含量63.64％，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高23.2％。

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6经第一进料口31通过污泥泵泵入2.0L至一级厌氧消化反应器3中，其中一级厌氧消化反应器3总有效体积为10.0L，由第二出料口33每日出料2L至微波辐射装置中(回流比为20％)，600W微波辐射10min后再由第二进料口34循环投入到一级厌氧消化反应器3中。同时由第一出料口32每日出料4L至二级厌氧消化反应器5中；二级厌氧消化反应器5总有效体积为20L，每日通过第三进料口51出料2L循环回流至一级厌氧消化反应器3中，且同时通过第四出料口54出料2.0L至集泥池8中。故一级厌氧消化反应器3停留时间为5d，二级厌氧消化反应器5停留时间为10d，共停留15d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级厌氧消化反应器3总有效体积为10L，停留时间为5d；二级厌氧消化反应器5总有效体积为20L，停留时间为10d。通过沼气池7收集气体，一级厌氧消化反应器3和二级厌氧消化反应器5在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度30rpm。运行2～3个周期(即30d～45d)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级厌氧消化工艺提高30.4％。

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 (10)

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)、一级厌氧消化反应器(3)、第二循环系统(4)、二级厌氧消化反应器(5)、污泥调配池(6)、沼气池(7)和集泥池(8)，其中在预处理装置(1)和一级厌氧消化反应器(3)之间设有第一循环系统(2)，在一级厌氧消化反应器(3)与二级厌氧消化反应器(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)的上端设有预处理进料口(11)，下端设有预处理出料口(12)；

或所述的一级厌氧消化反应器(3)的上端设有第一进料口(31)和第二出料口(33)，下端设有第一出料口(32)和第二进料口(34)；

或所述的二级厌氧消化反应器(5)的上端设有第三出料口(51)和出气口(53)，下端设有第三进料口(52)和第四出料口(54)。

3.根据权利要求2所述的厌氧消化系统，其特征在于：所述的预处理装置(1)上端的预处理进料口(11)经污泥泵与一级厌氧消化反应器(3)的第二出料口(33)相连；下端的预处理出料口(12)与一级厌氧消化反应器(3)的第二进料口(34)相连；

或所述的一级厌氧消化反应器(3)上端的第一进料口(31)经污泥泵与二级厌氧消化反应器(5)上端的第三出料口(51)相连；下端的第一出料口(32)与二级厌氧消化反应器(5)下端的第三进料口(52)相连；

或所述的第一进料口(31)还与污泥调配池(6)相连；

或所述的二级厌氧消化反应器(5)上端的出气口(53)与沼气池(7)相连；

或所述的二级厌氧消化反应器(5)下端的第四出料口(54)与集泥池(8)连接。

4.根据权利要求2所述的厌氧消化系统，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)与一级厌氧消化反应器(3)之间通过预处理进料口(11)经污泥泵与第二出料口(33)相连；预处理出料口(12)与第二进料口(34)相连所构成的循环回流体系；

或所述的第二循环系统(4)是指设置在一级厌氧消化反应器(3)与二级厌氧消化反应器(5)之间通过第一进料口(31)经污泥泵与第三出料口(51)相连；第一出料口(32)与第三进料口(52)相连所构成的循环回流体系。

5.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)为加热预处理装置或微波预处理装置。

6.一种利用上述权利要求1-5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)将污泥从污泥调配池(6)通过第一进料口(31)泵入至一级厌氧消化反应器(3)中，再由第二出料口(33)出料至预处理装置(1)进行预处理；

(2)预处理后再由第二进料口(34)循环投入到一级厌氧消化反应器(3)中，同时由第一出料口(32)出料至二级厌氧消化反应器(5)中；

(3)从二级厌氧消化反应器(5)中每日通过第三进料口(51)出料循环回流至一级厌氧消化反应器(3)中，且同时通过第四出料口(54)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：所述的污泥发酵系统中回流处理量为总污泥量的5％～20％；

或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的范围是20％～75％，其含水率范围为88％～98％；

或所述预处理的污泥量为一级厌氧消化反应器(1)有效体积的5～20％。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的从污泥调配池(6)通过第一进料口(31)泵入一级厌氧消化反应器(3)中的污泥量＝从一级厌氧消化反应器(3)通过第二循环系统(4)净转移至二级厌氧消化反应器(5)中的污泥量＝一级厌氧消化反应器(3)总有效体积的1/3～1/5＝二级厌氧消化反应器(5)总有效体积的1/10～1/15；

或所述的预处理为加热预处理或微波预处理。

9.根据权利要求8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1～10min。

10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的一级厌氧消化反应器(3)和二级厌氧消化反应器(5)在反应过程中控制温度35±2℃，pH 7.5±0.5，搅拌速度30～250rpm；

或所述的一级厌氧消化反应器(3)污泥停留时间为3d～5d，二级厌氧消化反应器(5)污泥停留时间为10d～15d。

Images