CN103755096B - 用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置 - Google Patents

用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置及工艺，该装置主要包括Fenton氧化装置和厌氧消化装置，将Fenton氧化和厌氧两种消化方法联合应用，与现有技术相比，本发明具有药剂使用效率高，能耗低，结构简单，污泥消解效率和产气量有显著提高等优点。

Description

用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置
技术领域
本发明涉及环境工程及固废处理工程领域，尤其是涉及一种联合运用Fenton氧化和厌氧消化实现剩余污泥减量化的方法。 
背景技术
污水处理厂所产生的剩余污泥，一般含有大量的有机物，丰富的氮、磷、钾和微量元素，可以有效利用；但是，未处理的污泥中也含有重金属、病原菌、寄生虫以及某些难分解的有机毒物，如果处理不当，排放后会对环境造成严重的危害。污泥处理包括浓缩、消化(生物法消化、污泥堆肥、热解和化学稳定)、脱水、干燥等；污泥处置目前常见的方法有填埋法、海洋投弃、污泥焚烧、土地利用、建筑材料利用、污泥燃料化、污泥制动物饲料、污泥改性制吸附剂等。但污泥处理处置费用仍很高，其费用占污水处理的25％-65％。 
剩余污泥生物法消化技术主要有厌氧和好氧消化，好氧消化由于能耗高，相对停留时间也很长(15-30天)，而污泥厌氧消化处理技术具有不需曝气，动力消耗少，降低了使用成本；但厌氧消化是一个较缓慢的过程，消化时间很长，水解是限制污泥厌氧消化反应速率的主要步骤。为了改善污泥的厌氧消化性能，人们利用各种物理和化学技术预处理污泥，以辅助提高污泥水解速率，为更高效、节能地处理污泥探索新的途径。污泥预处理技术很多，目前主要包括如超声波处理、酸碱处理、臭氧处理、热处理、Fenton氧化等。 
1894年，英国人H.J.H.Fenton发现采用Fe2+／H2O2体系能氧化多种有机物。后人为纪念他将亚铁盐和过氧化氢的组合称为Fenton试剂，它能有效氧化去除传统废水处理技术无法去除的难降解有机物，其实质是Fe2+催化分解H2O2，生成强氧化性的羟基自由基(·OH)，·OH可与大多数有机物作用使其降解，将废水中的大分子有机物分解成小分子物质，提升废水后续生化处理的效果。 
近些年来关于Fenton预处理污泥的研究，主要在以下一些方面展开：强氧化 性破解污泥中的胞外聚合物(EPS)，使污泥脱水性能显著提高；去除污泥中部分有机物，提高污泥的稳定性；杀灭病原菌、去除污泥中重金属、同时除掉污泥的恶臭、提高污泥利用的安全性；在改善污泥品质的同时，为污泥的后续资源化利用奠定基础等。 
利用厌氧工艺处理有机废水时，如果废水中含有一定浓度的硫酸盐，硫酸盐还原菌(SRB)就会不可避免地繁殖起来，进行硫酸盐还原反应，会给正常的厌氧消化带来不利影响，一是SRB和产甲烷细菌(MPB)竞争有机底物而降低废水的厌氧消化产甲烷效率；二是当硫酸盐的浓度很高时，硫酸盐的还原产物硫化氢会达到一定的浓度，对MPB产生抑制作用而导致厌氧工艺的恶化，甚至有时会导致厌氧反应系统的崩溃。专利CN102910793A提出向无机酸化(pH＝5)后的污泥中投加H2O2和FeSO4，溶解和破解污泥中微生物细胞和胞外聚合物。专利CN102503006A，提出超声波耦合Fenton破解污泥的方法，是使用盐酸(氯离子对Fenton催化氧化性能有明显抑制作用)和FeSO4作为Fenton试剂。但仍无联合采用Fenton氧化与厌氧消化实现剩余污泥减量的文献报道。 
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有Fenton处理污泥的缺陷和不足，为剩余污泥处理和资源化利用提供一种联合运用Fenton氧化和厌氧消化实现剩余污泥减量化的方法，以达到充分利用Fenton氧化和厌氧消化产沼气实现污泥减量和资源化效果的用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置。 
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，该装置包括： 
折流板Fenton反应器，该折流板Fenton反应器由隔板分隔成5个反应池，分别为：加酸池、加亚铁池、Fenton主反应池、加碱池和加PAM池，其中加酸池内设有加酸装置、加亚铁池内设置加亚铁装置、Fenton主反应池内设置加H2O2装置、加碱池内设置加碱装置、加PAM池内设置加絮凝剂PAM装置；所述的Fenton主反应池、加碱池和加PAM池底部均设有鼓风曝气口，各鼓风曝气口均连接曝气风机； 
沉淀池，该沉淀池连接折流板Fenton反应器，沉淀池含铁污泥部分压滤外运，部分通过回流泵回流至加酸池循环使用； 
折流板厌氧池，该折流板厌氧池与沉淀池的出水口连接，折流板厌氧池由隔板分隔成6个隔间，各隔间顶部设有沼气收集管路，各隔间内装有立体弹性填料；最后一隔间底部生产的剩余污泥通过污泥泵回流进第一隔间。 
所述的折流板Fenton反应器内设有固定于其顶部的5个导流板和固定于其底部的4个隔板，各导流板与折流板Fenton反应器底部之间设有间隙，各隔板与折流板Fenton反应器顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成反应池； 
所述的折流板厌氧池内设有固定于其顶部的6个导流板和固定于其底部的5个隔板，各导流板与折流板厌氧池底部之间设有间隙，各隔板与折流板厌氧池顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成隔间； 
各导流板均为夹角为120°的折板。 
所述的加酸装置包括酸液储罐，以及连接酸液储罐与加酸池的管道和导流板；其中酸液储罐中的酸液为硝酸、或硝酸和硫酸的混合酸，通过加酸装置控制酸液的加入量，使得COD／SO4 2-添加量控制在3以上，加酸后pH在3-4。 
所述的加亚铁装置包括亚铁储罐，以及连接亚铁储罐与加亚铁池的管道和导流板，其中亚铁储罐中装有硝酸亚铁、或硝酸亚铁和硫酸亚铁的混合物。 
所述的Fenton主反应池内添加无机填料，所述的无机填料包括陶粒、废活性炭或废合成树脂，作为惰性载体。 
所述的Fenton主反应池内液面的上升流速控制在10-60m／h以内，主要通过池体的横截面积和高度来进行参数控制。 
所述的曝气风机为罗茨风机，通过曝气风机向Fenton主反应池、加碱池和加PAM池曝气，利用氧气提高Fenton处理效果和节省药剂投加量，且起到搅拌和提高填料的流化效果。 
待处理废水依次流经折流板Fenton反应器的各反应池进行反应后，进入沉淀池沉淀，沉淀池中的上清液再依次进入折流板厌氧池的各个隔间进行厌氧消化，产生的沼气通过沼气收集管路收集作为清洁能源使用。 
所述的回流泵将沉淀池产生的含铁污泥回流到加酸池，加酸池内低pH溶解铁盐，循环利用铁作为催化剂；污泥泵将最后一隔间底部产生的剩余污泥回流进第一隔间，再次进行厌氧消化。 
本发明对Fenton工艺所用试剂进行了适当的调整，即，使用少硫酸盐Fenton工艺对剩余污泥进行预氧化。Fe2+由常用的FeSO4改用Fe(NO3)2，减少调pH 所用硫酸用量，调pH的硫酸部分改用硝酸，或仍使用FeSO4适当增加硝酸替代硫酸的比率。 
与现有技术相比，本发明具有以下优点。 
一、本发明是区别于常规Fenton反应器的连续投加药剂； 
二、多点分别投加药剂可以充分提高处理效果和药剂使用效率，惰性载体的引入可以减少亚铁盐的投加和含铁污泥的产生； 
三、折流板Fenton反应器可以减少能量的消耗，通过重力流实现物料的均匀分布； 
四、少硫酸根使用的该发明，可以最小程度的减少因使用常规Fenton试剂而引入的硫酸根对后续污泥厌氧消化的负面影响； 
五、Fenton反应器曝气可以起到搅拌和提高氧化效果的目的； 
六、Fenton氧化耦合厌氧折流板反应器的结构简单，可以增加污泥消解效率和提高产气量。 
附图说明
图1为剩余污泥Fenton氧化耦合厌氧消化的装置示意图。 
图中：1、加酸装置，2、加亚铁装置，3、加H2O2装置，4、加碱装置，5、加絮凝剂PAM装置，6、折流板Fenton反应器，7、加酸池，8、加亚铁池，9、Fenton主反应池，10、加碱池，11、加PAM池，12、沉淀池，13、风机，14、回流泵，15、折流板厌氧消化池，16、沼气收集管路，17、污泥泵。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例以本发明方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 
如图1所示，一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，该装置包括： 
折流板Fenton反应器6，折流板Fenton反应器6内设有固定于其顶部的5个导流板和固定于其底部的4个隔板将折流板Fenton反应器6分隔成5个反应池，各导流板与折流板Fenton反应器6底部之间设有间隙，各隔板与折流板Fenton反 应器6顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成反应池；各导流板均为夹角为120°的折板。5个反应池分别为：加酸池7、加亚铁池8、Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11，其中加酸池7内设有加酸装置1、加亚铁池8内设置加亚铁装置2、Fenton主反应池9内设置加H2O2装置3、加碱池10内设置加碱装置4、加PAM池11内设置加絮凝剂PAM装置5；所述的Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11底部均设有鼓风曝气口，各鼓风曝气口均连接曝气风机13； 
沉淀池12，该沉淀池12连接折流板Fenton反应器6，沉淀池12含铁污泥部分压滤外运，部分通过回流泵14回流至加酸池7循环使用；所述的回流泵14将沉淀池产生的含铁污泥回流到加酸池7，因为加酸池7内低pH可以溶解铁盐，循环利用铁作为催化剂；污泥泵17将最后一隔间底部产生的剩余污泥回流进第一隔间，再次进行厌氧消化。 
折流板厌氧池15，该折流板厌氧池15与沉淀池12的出水口连接，折流板厌氧池15内设有固定于其顶部的6个导流板和固定于其底部的5个隔板将折流板厌氧池15分隔成6个隔间，各导流板与折流板厌氧池15底部之间设有间隙，各隔板与折流板厌氧池15顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成隔间；各导流板均为夹角为120°的折板。各隔间顶部设有沼气收集管路16，各隔间内装有立体弹性填料；最后一隔间底部生产的剩余污泥通过污泥泵17回流进第一隔间。 
所述的加酸装置1包括酸液储罐，以及连接酸液储罐与加酸池7的管道和导流板；其中酸液储罐中的酸液为硝酸、或硝酸和硫酸的混合酸，通过加酸装置1控制酸液的加入量，使得COD／SO4 2-添加量控制在3以上，加酸后pH在3-4。 
所述的加亚铁装置2包括亚铁储罐，以及连接亚铁储罐与加亚铁池8的管道和导流板，其中亚铁储罐中装有硝酸亚铁、或硝酸亚铁和硫酸亚铁的混合物。 
所述的Fenton主反应池9内添加无机填料，所述的无机填料包括陶粒、废活性炭或废合成树脂，作为惰性载体。 
所述的Fenton主反应池9内液面的上升流速控制在10-60m／h以内，主要通过池体的横截面积和高度来进行参数控制。 
所述的曝气风机13为罗茨风机，通过曝气风机13向Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11曝气，利用氧气提高Fenton处理效果和节省药剂投加量，且起到搅拌和提高填料的流化效果。 
待处理废水依次流经折流板Fenton反应器6的各反应池进行反应后，进入沉 淀池12沉淀，沉淀池12中的上清液再依次进入折流板厌氧池15的各个隔间进行厌氧消化，产生的沼气通过沼气收集管路16收集作为清洁能源使用。 
实施例1 
耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，处理污泥浓度为4g／L的剩余污泥，该装置包括以下工艺步骤： 
1.需处理的剩余污泥用泵泵进加酸池。开启加酸装置1，将硝酸加在加酸池7前端，调节pH控制在3.0左右，用加亚铁装置2向加亚铁池8加入硝酸亚铁450mg/L，在Fenton主反应池9进口端，通过H2O2投加装置3加入3750mg／L H2O2，Fenton主反应池9内反应45min。反应完全后，进入加碱池10，用加碱装置4投加NaOH调节pH至9.0，后在加PAM池11前端加PAM絮凝后，流入沉淀池12。 
2.沉淀池12底部的含铁积泥用回流泵14将部分排入加酸池7，以循环利用。同时曝气风机13连续向Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11池中曝气。 
3.为了减少所投加的PAM对后续厌氧的影响及利于铁的循环使用，只投加了2mg/L阳离子PAM。 
4.沉淀池12的上清液流入折流板厌氧消化池15，厌氧池水力停留时间为10天。污泥泵17的连续运行可以控制水力上升速度为1m／h。耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，比单独厌氧消解剩余污泥，产沼气量增加40％。 
实施例2 
耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，处理污泥浓度为8g／L的剩余污泥，该方法包括以下工艺步骤： 
1.需处理的剩余污泥用泵泵进加酸池。开启加酸装置1，将硝酸加在加酸池7前端，调节pH控制在3.5左右，用加亚铁装置2向加亚铁池8加入硝酸亚铁900mg／L，在Fenton主反应池9进口端，通过H2O2投加装置3加入7500mg／L H2O2，Fenton主反应池9内反应60min。反应完全后，进入加碱池10，用加碱装置4投加NaOH调节pH至9.5，后在加PAM池11前段加PAM絮凝后，流入沉淀池12。 
2.沉淀池12底部的含铁积泥用回流泵14将部分排入加酸池7，以循环利用。同时曝气风机13连续向Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11池中曝气。 
3.为了减少所投加的PAM对后续厌氧的影响及利于铁的循环使用，只投加了3mg／L阳离子PAM。 
4.沉淀池12的上清液流入折流板厌氧消化池15，厌氧池水力停留时间为10 天。污泥泵17的连续运行可以控制水力上升速度为1m／h。耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，比单独厌氧消解剩余污泥，产沼气量增加53％。 
实施例3 
耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，处理污泥浓度为12g/L的剩余污泥，该方法包括以下工艺步骤： 
1.需处理的剩余污泥用泵泵进加酸池。开启加酸装置1，将硝酸加在加酸池7前端，调节pH控制在4.0左右，用加亚铁装置2向加亚铁池8加入硝酸亚铁1350mg／L，在Fenton主反应池9进口端，通过H2O2投加装置3加入11250mg／LH2O2，Fenton主反应池9内反应90min。反应完全后，进入加碱池10，用加碱装置4投加NaOH调节pH至8.5，后在加PAM池11前段加PAM絮凝后，流入沉淀池12。 
2.沉淀池12底部的含铁积泥用回流泵14将部分排入加酸池7，以循环利用。同时曝气风机13连续向Fenton主反应池9、加碱池10和加PAM池11池中曝气。 
3.为了减少所投加的PAM对后续厌氧的影响及利于铁的循环使用，只投加了4mg／L阳离子PAM。 
4.沉淀池12的上清液流入折流板厌氧消化池15，厌氧池水力停留时间为10天。污泥泵17的连续运行可以控制水力上升速度为1m／h。耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，比单独厌氧消解剩余污泥，产沼气量增加57％。 

Claims (9)

1.一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，该装置包括： 
折流板Fenton反应器(6)，该折流板Fenton反应器(6)由隔板分隔成5个反应池，分别为：加酸池(7)、加亚铁池(8)、Fenton主反应池(9)、加碱池(10)和加PAM池(11)，其中加酸池(7)内设有加酸装置(1)、加亚铁池(8)内设置加亚铁装置(2)、Fenton主反应池(9)内设置加H2O2装置(3)、加碱池(10)内设置加碱装置(4)、加PAM池(11)内设置加絮凝剂PAM装置(5)；所述的Fenton主反应池(9)、加碱池(10)和加PAM池(11)底部均设有鼓风曝气口，各鼓风曝气口均连接曝气风机(13)； 
沉淀池(12)，该沉淀池(12)连接折流板Fenton反应器(6)，沉淀池(12)含铁污泥部分压滤外运，部分通过回流泵(14)回流至加酸池(7)循环使用； 
折流板厌氧池(15)，该折流板厌氧池(15)与沉淀池(12)的出水口连接，折流板厌氧池(15)由隔板分隔成6个隔间，各隔间顶部设有沼气收集管路(16)，各隔间内装有立体弹性填料；最后一隔间底部生产的剩余污泥通过污泥泵(17)回流进第一隔间。 
2.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的折流板Fenton反应器(6)内设有固定于其顶部的5个导流板和固定于其底部的4个隔板，各导流板与折流板Fenton反应器(6)底部之间设有间隙，各隔板与折流板Fenton反应器(6)顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成反应池； 
所述的折流板厌氧池(15)内设有固定于其顶部的6个导流板和固定于其底部的5个隔板，各导流板与折流板厌氧池(15)底部之间设有间隙，各隔板与折流板厌氧池(15)顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成隔间； 
各导流板均为夹角为120°的折板。 
3.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的加酸装置(1)包括酸液储罐，以及连接酸液储罐与加酸池(7)的管道和导流板；其中酸液储罐中的酸液为硝酸、或硝酸和硫 酸的混合酸，通过加酸装置(1)控制酸液的加入量，使得COD／SO4 2-添加量控制在3以上，加酸后pH在3-4。 
4.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的加亚铁装置(2)包括亚铁储罐，以及连接亚铁储罐与加亚铁池(8)的管道和导流板，其中亚铁储罐中装有硝酸亚铁、或硝酸亚铁和硫酸亚铁的混合物。 
5.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的Fenton主反应池(9)内添加无机填料，所述的无机填料包括陶粒、废活性炭或废合成树脂，作为惰性载体。 
6.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的Fenton主反应池(9)内液面的上升流速控制在10-60m／h以内，主要通过池体的横截面积和高度来进行参数控制。 
7.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的曝气风机(13)为罗茨风机，通过曝气风机(13)向Fenton主反应池(9)、加碱池(10)和加PAM池(11)曝气，利用氧气提高Fenton处理效果和节省药剂投加量，且起到搅拌和提高填料的流化效果。 
8.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，待处理废水依次流经折流板Fenton反应器(6)的各反应池进行反应后，进入沉淀池(12)沉淀，沉淀池(12)中的上清液再依次进入折流板厌氧池(15)的各个隔间进行厌氧消化，产生的沼气通过沼气收集管路(16)收集作为清洁能源使用。 
9.根据权利要求1所述的一种用于剩余污泥处理的耦合Fenton氧化和厌氧消化的反应装置，其特征在于，所述的回流泵(14)将沉淀池产生的含铁污泥回流到加酸池(7)，加酸池(7)内低pH溶解铁盐，循环利用铁作为催化剂；污泥泵(17)将最后一隔间底部产生的剩余污泥回流进第一隔间，再次进行厌氧消化。 
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