CN103482835A - 一种污泥水解装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥水解装置，包括通过管道依次连接的污泥调节罐、换热器、列管水解反应器及气液分离器，其中，所述列管水解反应器的出水口通过管道与设于气液分离器内上部的喷嘴相连，所述气液分离器顶部的气体出口与设于污泥调节罐底部的气体分布器相连，气液分离器底部的液体出口与列管水解反应器底部的入水口相连，气液分离器中部的污泥液出口与换热器相连。其水解工艺如下：1）将污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；2）污泥液在150-180℃、0.3-1.0MPa下发生水解反应；3）对水解后的污泥进行气液分离，气液分离产生的气体对污泥原液进行一级加热，气液分离产生的污泥液，一部分对污泥原液进行二级加热；另一部分污泥液返回至步骤2）中进行再次水解反应。

Description

一种污泥水解装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种针对市政、工业废水处理过程中产生的污泥进行处理的污泥水解装置及工艺，属于环保水处理领域。

背景技术

随着我国社会经济的发展，需要处理的废水的量以及处理标准都日益增加与提高，相应的污泥产量也日益增加，这些污泥若不加以妥善处理将会对环境构成巨大的污染威胁。长期以来，我国的废水处理存在“重水轻泥”的现象，据报道，仅有20%的污泥得到了稳定化处理，大部分污泥未经处理直接卫生填埋，这不仅成为环境安全的巨大隐患，而且是一种资源浪费。污泥处理技术的研究与应用将是“十二五”甚至是未来“十三五”水处理行业发展的重点。目前，厌氧消化技术已被证明是一种有效的污泥减量化、资源化处理技术，在国内外已经有大量的工程应用，但是仍然有很多问题需要解决；对污泥进行水解预处理然后进行厌氧发酵是厌氧消化技术的常规步骤，水解效果的好坏直接影响到最终厌氧消化的效率。现有的污泥水解工艺及设备大都存在水解效率低的问题，而且，污泥堵塞的问题相对较为突出，因此，开发新型的污泥水解工艺与设备具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水解效率高、能耗低的污泥水解装置，此外，本发明还提供了一种污泥水解工艺。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种污泥水解装置，包括污泥调节罐、换热器、列管水解反应器及气液分离器，其中，所述污泥调节罐的出水口通过管道与换热器的入水口相连，所述换热器的出水口通过管道与列管水解反应器底部的入水口相连，所述列管水解反应器上部的出水口通过管道与设于气液分离器内上部的喷嘴相连，所述气液分离器顶部的气体出口通过气体输送管道与设于污泥调节罐底部的气体分布器相连，气液分离器底部的液体出口通过管道与列管水解反应器底部的入水口相连，气液分离器中部的污泥液出口通过管道与换热器相连。

优选的是：所述列管水解反应器包括上封头、下封头及壳体，所述壳体内从上至下依次布置有外形尺寸与壳体内部相适配的折流板，所述折流板上设有均匀分布的圆孔，所述列管水解反应器还包括列管，所述列管穿过折流板上的圆孔安装于壳体内。

优选的是：所述列管的内径不低于5mm。

优选的是：所述折流板的表面积不低于壳体横截面积的50%。

优选的是：所述上封头上还设有温度传感器和压力传感器。

优选的是：所述喷嘴内部具有筒状的液体流路，所述喷嘴的前端具有一开口向下的喷口，靠近喷口处的喷嘴内周壁向内凸起，使得液体流路的内径减小，形成一横截面为锥形的喷颈。

优选的是：所述喷口与竖直方向形成一15°～30°的夹角。

优选的是：所述污泥调节罐内的液面低于气液分离器的顶部。

优选的是：所述污泥调节罐内设有一搅拌器，所述污泥调节罐的入水口还连接一加药装置，所述加药装置内添加有pH调节剂。

优选的是：所述列管水解反应器底部的入口还通过管道与向列管水解反应器的列管通入气体的供气单元相连；所述列管水解反应器的壳程的上部还与高压饱和蒸汽供应单元相通。

优选的是：所述供气单元提供的气体的流量与污泥液循环量的流量比为0.5-1.5。

一种污泥水解工艺，包括以下步骤：

1）向污泥原液中加入pH调节剂，在搅拌的作用下，将污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经pH调节后的污泥液在列管水解反应器中，于150-180℃、0.3-1.0MPa下发生水解反应；

3）对水解后的污泥进行气液分离，气液分离产生的气体返回至步骤1）中对污泥原液进行一级加热，气液分离产生的污泥液，一部分对污泥原液进行二级加热；气液分离产生的另一部分污泥返回至步骤2）中再次进行水解反应。

优选的是：所述步骤2）水解反应过程中通入有气体。

优选的是：所述气体为氮气、氧气、空气或臭氧。

优选的是：当通入的气体为氮气、空气或臭氧时，所通入气体的流量与污泥液循环量之比（V/V）为0.5-1.5。

优选的是：当通入的气体为氧气时，氧气的通入量不超过污泥液有机物完全氧化所需氧气量的30%。

优选的是：所述步骤2）中，污泥在列管中的表观线速度为0.01-0.5m/s。

优选的是：所述步骤3）气液分离产生的污泥液中，返回至步骤2）中再次进行水解反应的污泥液与对污泥原液进行二级加热的污泥液流量比不低于3.0。

本发明的有益效果在于，采用本发明的污泥水解装置，可以实现连续高效的污泥水解操作，而且所处理污泥的浓度范围广，不仅可对含水率为90-99%的污泥进行水解处理，亦可对稀释后的高浓度污泥进行水解处理，通过向列管水解反应器内连续通入气体强化了传热效果，同时解决了反应器堵塞结垢问题；采用本发明的喷嘴结构可以实现快速泄压，有助于污泥液稳定的进行气爆；本发明的污泥水解装置通过污泥调节罐的气体分布器对外排气体热量吸收实现对污泥液的一级加热，然后，污泥在进入列管水解反应器之前，通过换热器对系统的热量进行回收，实现对污泥液的二级加热，有效地降低了能耗；整个装置占地面积小，可以实现全封闭操作，有效解决了气味扩散的问题；而且本装置可以实现对污泥更加彻底的水解处理，水解后的污泥液进行厌氧消化的停留时间大大缩短，仅需5-10天。

附图说明

图1示出了本发明所述的污泥水解装置的结构示意图；

图2示出了本发明所述的列管水解反应器的结构示意图；

图3示出了本发明中列管水解反应器内折流板的结构示意图；

图4示出了本发明所述喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如附1所示，本发明所述的污泥水解装置，包括通过管道依次连接的污泥调节罐1、换热器2、列管水解反应器4及气液分离器3，所述污泥调节罐1内设有一搅拌器12，其底部设有一气体分布器11，所述污泥调节罐1的入水口还连接一加药装置，所述加药装置内添加有pH调节剂，所述pH调节剂优选氢氧化钠溶液或盐酸，所述污泥调节罐1的出水口通过管道与换热器2的入水口相连，所述换热器2的出水口通过管道与列管水解反应器4底部的入水口相连，如图2和图3所示，本发明所述的列管水解反应器4包括上封头、下封头及壳体40，所述壳体40内从上至下依次布置有外形尺寸与壳体40内部相适配的折流板42，所述折流板42上设有均匀分布的圆孔421，所述列管水解反应器4还包括列管41，所述列管41穿过折流板42上的圆孔421安装于壳体40内，所述列管的内径不低于5mm，本实施例中，优选10-20mm；进一步的，所述折流板42可固定焊接于壳体40的内壁上，亦可活动安装于壳体40内，且所述折流板42的表面积不低于壳体40横截面积的50%，优选70%-95%，更进一步优选90%。所述列管水解反应器4底部的入口还通过管道与供气单元6相连，所述供气单元6向列管水解反应器4的列管41内通入氮气、氧气、空气或臭氧等气体，且所通入气体的流量与污泥液循环量之比（V/V）为0.5-1.5，优选0.75-1.25；当通入的气体为氧气时，氧气的通入量不超过污泥液有机物完全氧化所需氧气量的30%。所述列管水解反应器4的壳程的上部还与高压饱和蒸汽供应单元相通，为污泥在列管反应器4中的水解反应提供热量；所述列管水解反应器4的上封头上还设有温度传感器和压力传感器，通过压力的变化反馈以控制列管水解反应器4下游出口阀门的开合，维持列管水解反应器4内的压力稳定。

列管水解反应器4上部的出水口通过管道与设于气液分离器3内上部的喷嘴31相连，所述管道上还设有一压力阀43，通过列管水解反应器4内部压力的变化来控制压力阀43阀门的开合，当列管水解反应器4内的压力低于一定值时关闭，高于一定值时则打开。如图4所示，所述喷嘴31由钛材或陶瓷或其它种类的防腐蚀材料制成，其内部具有筒状的液体流路，所述喷嘴31的前端具有一开口向下的喷口312，进一步地，所述喷口312与竖直方向形成一15°～30°的夹角，靠近喷口312处的喷嘴内周壁向内凸起，使得液体流路的内径减小，形成一横截面为锥形的喷颈311；所述气液分离器3顶部的气体出口通过气体输送管道与设于污泥调节罐1底部的气体分布器11相连，气液分离器3底部的液体出口通过管道与列管水解反应器4底部的入水口相连，气液分离器3中部的污泥液出口通过管道与换热器2相连，所述气液分离器3上还安装有液位计，通过液位信号反馈控制污泥液外排阀门的开合，以维持气液分离器3内液位的恒定。进一步地，为防止污泥液沿着气体输送管道进入气液分离器3，需保证污泥调节罐1内的液面低于气液分离器3的顶部。此外，本发明所述的污泥水解装置，还包括对装置所有用电单元进行控制的电控系统5，以及在各单元间起连接作用的连接管道和提升泵。

采用本发明所述的污泥水解装置对污泥进行水解处理，其处理过程如下：

1）污泥原液经泵提升进入污泥调节罐1中，同时，将与污泥调节罐1相连的加药装置中的pH调节剂加入到污泥调节罐1中，并在搅拌器12的作用下，将污泥调节罐1中的污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经过pH调节后的污泥液经泵提升进入换热器2中，与来自气液分离器3中的热污泥液进行换热后，经泵提升进入列管水解反应器4中，在列管水解反应器4中，污泥走管程，吸收壳程内高压饱和蒸汽的热量，并在150-180℃、0.3-1.0MPa下发生水解，并且，污泥在列管41中的表观线速度为0.01-0.5m/s，优选0.1-0.2m/s；进一步地，与列管水解反应器4相连的供气单元6所提供的气体从列管水解反应器4的底部进入列管41中，与列管41内的污泥混合，所述气体为氮气、空气或臭氧等气体，且所通入气体的流量与污泥液循环量之比（V/V）为0.5-1.5，优选0.75-1.25；当通入的气体为氧气时，氧气的通入量不超过污泥液有机物完全氧化所需氧气量的30%；上述气体的通入，其作用主要体现在：气体进入列管水解反应器4内的列管41中后，可以强化列管41内的湍流强度，有效抑制结垢，增强管壁的传热效果，从而提高水解效率，此外，适度地向污泥液内通入一定量的氧化性气体，可以促进污泥液内长链有机物、丝状微生物菌体的氧化断裂，进一步提高水解效率；

3）列管水解反应器4中水解后的污泥液通过管道及喷嘴31进入气液分离器3中进行气液分离，由于本发明中的喷嘴31具有一内径缩小的喷颈311，这种独特的结构设计使得污泥液在进入气液分离器3中时，快速泄压发生气爆闪蒸，从而使得溶解在污泥液内的气体以及水蒸汽快速释放，发生气爆，对污泥内的有机物及菌丝体产生撕裂作用，进一步强化了污泥液的后续水解过程，提升了污泥液的气液分离效果，气液分离后，产生的气体通过液分离器3顶部的气体出口经气体输送管道输送至设于污泥调节罐1底部的气体分布器11上，对在水解过程中分解生成的VOC气体以及水蒸汽加以吸收，同时通过回收气体中的热量，实现对污泥调节罐1中污泥原液进行初步加热，热量吸收后的气体经管道输送至气体净化单元进行下一步处理；气液分离器3中部的污泥液经泵提升后通过管道进入换热器2中，与来自污泥调节罐1中的污泥原液进行换热后，通过管道外排输送至厌氧消化单元进行下一步处理；气液分离后产生的气液分离器3底部的污泥液经泵提升后通过管道重新返回至列管水解反应器4中进行循环水解，本发明中，重新返回至列管水解反应器4中的污泥量与进入换热器2中的污泥流量的比例（V/V）不低于3.0，优选5.0。

实施例1

采用本发明所述的装置及工艺，对浓度为90%的经除砂后的市政污泥进行连续处理，处理量为15吨/天。其处理过程中各参数设置如下：

1）污泥原液经泵提升进入污泥调节罐1中，同时，将与污泥调节罐1相连的加药装置中的氢氧化钠加入到污泥调节罐1中，并在搅拌器12的作用下，将污泥调节罐1中的污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经过pH调节后的污泥液经泵提升进入换热器2中，与来自气液分离器3中的热污泥液进行换热后，经泵提升进入列管水解反应器4中，将污泥在列管41中的表观线速度控制在0.1m/s，同时，向列管水解反应器4内通入温度为200℃的高压饱和蒸汽，以将列管水解反应器4内污泥液水解反应的平均温度控制在170℃，压力0.6MPa，当反应器内压力高于0.65MPa时，压力阀43处于打开状态，当反应器内压力低于0.55MPa时，压力阀43处于关闭状态；此外，供气单元6在泵的提升作用下，以0.6Nm³/h的通入量通过管道从底部向列管水解反应器4的列管41中通入氮气，并将重新返回至列管水解反应器4中的污泥量与进入换热器2中的污泥量的比例（V/V）控制在5.0；气液分离器3内液位维持在分离器高度的1/2处，运行稳定时，气液分离器3内部的压力维持在0.2MPa。连续进料，连续排出污泥液，稳定运行后，经换热器2换热后的外排污泥液温度约为60℃。

对经本装置水解处理后的外排污泥液和未经本装置水解处理的污泥液进行高温厌氧消化处理，其处理结果如表1所示：

表1 污泥处理结果对比

从表1可以看出，污泥经本装置水解处理后，污泥厌氧发酵时间大幅缩短，产气量大幅提升。

实施例2

采用本发明所述的装置及工艺，对浓度为90%的经除砂后的市政污泥进行连续处理，处理量为15吨/天。其处理过程中各参数设置如下：

1）污泥原液经泵提升进入污泥调节罐1中，同时，将与污泥调节罐1相连的加药装置中的氢氧化钠加入到污泥调节罐1中，并在搅拌器12的作用下，将污泥调节罐1中的污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经过pH调节后的污泥液经泵提升进入换热器2中，与来自气液分离器3中的热污泥液进行换热后，经泵提升进入列管水解反应器4中，将污泥在列管41中的表观线速度控制在0.2m/s，同时，向列管水解反应器4内通入温度为215℃的高压饱和蒸汽，以将列管水解反应器4内污泥液水解反应的平均温度控制在180℃，压力0.7MPa，当反应器内压力高于0.75MPa时，压力阀43处于打开状态，当反应器内压力低于0.65MPa时，压力阀43处于关闭状态；此外，供气单元6在泵的提升作用下，以0.8Nm³/h的通入量通过管道从底部向列管水解反应器4的列管41中通入氮气，并将重新返回至列管水解反应器4中的污泥量与进入换热器2中的污泥量的比例（V/V）控制在5.0；气液分离器3内液位维持在分离器高度的1/2处，运行稳定时，气液分离器3内部的压力维持在0.2MPa。连续进料，连续排出污泥液，稳定运行后，经换热器2换热后的外排污泥液温度约为50℃。

对经本装置水解处理后的外排污泥液和未经本装置水解处理的污泥液进行高温厌氧消化处理，其处理结果如表2所示：

表2 污泥处理结果对比

从表2可以看出，污泥经本装置水解处理后，污泥厌氧发酵时间大幅缩短，产气量大幅提升。

实施例3

采用本发明所述的装置及工艺，对浓度为95%的经除砂后的市政污泥进行连续处理，处理量为20吨/天。其处理过程中各参数设置如下：

1）污泥原液经泵提升进入污泥调节罐1中，同时，将与污泥调节罐1相连的加药装置中的氢氧化钠加入到污泥调节罐1中，并在搅拌器12的作用下，将污泥调节罐1中的污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经过pH调节后的污泥液经泵提升进入换热器2中，与来自气液分离器3中的热污泥液进行换热后，经泵提升进入列管水解反应器4中，将污泥在列管41中的表观线速度控制在0.2m/s，同时，向列管水解反应器4内通入温度为190℃的高压饱和蒸汽，以将列管水解反应器4内污泥液水解反应的平均温度控制在160℃，压力0.8MPa，当反应器内压力高于0.85MPa时，压力阀43处于打开状态，当反应器内压力低于0.75MPa时，压力阀43处于关闭状态；此外，供气单元6在泵的提升作用下，以1.0Nm³/h的通入量通过管道从底部向列管水解反应器4的列管41中通入空气，并将重新返回至列管水解反应器4中的污泥量与进入换热器2中的污泥量的比例（V/V）控制在6.0；气液分离器3内液位维持在分离器高度的1/2处，运行稳定时，气液分离器3内部的压力维持在0.2MPa。连续进料，连续排出污泥液，稳定运行后，经换热器2换热后的外排污泥液温度约为55℃。

对经本装置水解处理后的外排污泥液和未经本装置水解处理的污泥液进行高温厌氧消化处理，其处理结果如表3所示：

表3 污泥处理结果对比

从表3可以看出，污泥经本装置水解处理后，污泥厌氧发酵时间大幅缩短，产气量大幅提升。

本发明的处理装置不仅可对含水率为90-99%的污泥进行水解处理，亦可对稀释后的高浓度污泥进行水解处理，本装置先通过污泥调节罐1的气体分布器11对外排气体热量吸收实现对污泥液的一级加热，然后，污泥在进入列管水解反应器4之前，通过换热器2对系统的热量进行回收，实现对污泥液的二级加热，大大节约了系统能耗，同时水解后污泥液的温度能达到下一步高温厌氧消化的处理要求。

本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加落在了本发明权利要求的保护范围中。

相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。

本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。还须明确的是，除在本文中有明确的定义外，诸如字典中通常定义的术语应该解释为在本说明书以及相关技术的语境中可具有一致的意思，而不应解释的理想化或过分形式化。公知的功能或结构处于简要和清楚地考虑或不再赘述。

Claims (18)

1.一种污泥水解装置，其特征在于：包括污泥调节罐、换热器、列管水解反应器及气液分离器，其中，所述污泥调节罐的出水口通过管道与换热器的入水口相连，所述换热器的出水口通过管道与列管水解反应器底部的入水口相连，所述列管水解反应器上部的出水口通过管道与设于气液分离器内上部的喷嘴相连，所述气液分离器顶部的气体出口通过气体输送管道与设于污泥调节罐底部的气体分布器相连，气液分离器底部的液体出口通过管道与列管水解反应器底部的入水口相连，气液分离器中部的污泥液出口通过管道与换热器相连。

2.根据权利要求1所述的污泥水解装置，其特征在于：所述列管水解反应器包括上封头、下封头及壳体，所述壳体内从上至下依次布置有外形尺寸与壳体内部相适配的折流板，所述折流板上设有均匀分布的圆孔，所述列管水解反应器还包括列管，所述列管穿过折流板上的圆孔安装于壳体内。

3.根据权利要求2所述的污泥水解装置，其特征在于：所述列管的内径不低于5mm。

4.根据权利要求2所述的污泥水解装置，其特征在于：所述折流板的表面积不低于壳体横截面积的50%。

5.根据权利要求2所述的污泥水解装置，其特征在于：所述上封头上还设有温度传感器和压力传感器。

6.根据权利要求1所述的污泥水解装置，其特征在于：所述喷嘴内部具有筒状的液体流路，所述喷嘴的前端具有一开口向下的喷口，靠近喷口处的喷嘴内周壁向内凸起，使得液体流路的内径减小，形成一横截面为锥形的喷颈。

7.根据权利要求6所述的污泥水解装置，其特征在于：所述喷口与竖直方向形成一15°～30°的夹角。

8.根据权利要求1-7任一项所述的污泥水解装置，其特征在于：所述污泥调节罐内的液面低于气液分离器的顶部。

9.根据权利要求1-7任一项所述的污泥水解装置，其特征在于：所述污泥调节罐内设有一搅拌器，所述污泥调节罐的入水口还连接一加药装置，所述加药装置内添加有pH调节剂。

10.根据权利要求1-7任一项所述的污泥水解装置，其特征在于：所述列管水解反应器底部的入口还通过管道与向列管水解反应器的列管通入气体的供气单元相连；所述列管水解反应器的壳程的上部还与高压饱和蒸汽供应单元相通。

11.根据权利要求10所述的污泥水解装置，其特征在于：所述供气单元提供的气体的流量与污泥液循环量的流量比为0.5-1.5。

12.一种污泥水解工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1）向污泥原液中加入pH调节剂，在搅拌的作用下，将污泥原液的pH值调节至8.5-9.0；

2）经pH调节后的污泥液在列管水解反应器中，于150-180℃、0.3-1.0MPa下发生水解反应；

3）对水解后的污泥进行气液分离，气液分离产生的气体返回至步骤1）中对污泥原液进行一级加热，气液分离产生的污泥液，一部分对污泥原液进行二级加热；气液分离产生的另一部分污泥返回至步骤2）中再次进行水解反应。

13.根据权利要求12所述的污泥水解工艺，其特征在于：所述步骤2）水解反应过程中通入有气体。

14.根据权利要求13所述的污泥水解工艺，其特征在于：所述气体为氮气、氧气、空气或臭氧。

15.根据权利要求13或14所述的污泥水解工艺，其特征在于：当通入的气体为氮气、空气或臭氧时，所通入气体的流量与污泥液循环量之比（V/V）为0.5-1.5。

16.根据权利要求13或14所述的污泥水解工艺，其特征在于：当通入的气体为氧气时，氧气的通入量不超过污泥液有机物完全氧化所需氧气量的30%。

17.根据权利要求12所述的污泥水解工艺，其特征在于：所述步骤2）中，污泥在列管中的表观线速度为0.01-0.5m/s。

18.根据权利要求12所述的污泥水解工艺，其特征在于：所述步骤3）气液分离产生的污泥液中，返回至步骤2）中再次进行水解反应的污泥液与对污泥原液进行二级加热的污泥液流量比不低于3.0。

Images