CN105084696B - 基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置及工艺 - Google Patents

基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置及工艺 Download PDF

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Abstract

一种基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺装置，包括都设有搅拌装置的预热釜、反应釜和泄压釜，以及提供蒸汽的蒸汽供应系统。其特征是：预热釜和反应釜蒸汽进口（8、15）均设置在侧壁靠下处、且釜内蒸汽分布器为环状贴壁带孔管，孔上有耐高温滤层防堵；泄压釜为罐体设有水冷夹层的闪蒸釜，通过温度探测与水量控制连锁装置控制夹层水开启时刻和流量，泄压釜回流蒸汽管道与蒸汽供应系统的直通管道并联且保持连通状态；预热釜和反应釜内搅拌机的搅拌桨为与转动方向一致的螺旋盘绕状。本发明可最大程度地提高污泥厌氧消化产气率和处理量，并降低建设成本和运行成本，而且可处理污泥含固率高(15%~12%)、有机质含量范围广(35%~60%)。

Description

基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置及工艺
技术领域
本发明涉及一种基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置。本发明还涉及采用所述装置进行基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺。
背景技术
国内外主要的污泥处置方式有填埋、焚烧、堆肥、厌氧消化等。填埋因污泥抗剪强度差、含水率和有机质含量高，不仅占用大量的土地资源，而且导致渗滤液问题，正被逐步限制和禁止；堆肥和焚烧则分别受困于土地、资金和二次污染问题，其大规模推广应用阻力重重；厌氧消化则因具备回收潜在能量和降低环境危害的双重功能而成为目前国际上首推的主流技术。
由于传统厌氧消化普遍存在消化速率低、停留时间长（20~30d）、处理效率低（挥发性固体（VS）的去除率30%~40%）等不足，为改善这种现状，近年来人们对污泥的厌氧消化的过程展开了大量研究。
研究表明，污泥厌氧消化反应过程分为三个步骤：即水解、酸化和甲烷化，其中水解过程耗时最长，为厌氧消化的限速步骤，水解效率低直接导致了污泥在厌氧消化过程中存在停留时间长、降解效率低等缺点。污泥中的有机物大部分是微生物的细胞物质，被细胞壁所包裹，由于细胞壁的存在，微生物对污泥的水解情况直接影响消化反应的效果。提高污泥水解率的主要方法就是对剩余污泥进行强化预处理，击破细胞壁，从而使胞内有机物质从固相转移到液相，实现微生物对有机物降解转化。目前普遍采用的方法有化学法、生物法和热处理法等，其中热处理法研究较多。
基于国内城市污泥有机质含量普遍偏低的现状（大部分在30%~60%之间)，加之热水解具备高效的水解效率、良好的灭菌除臭效果及高固含量进料等优势，近几年国内出现几处“高温热水解+厌氧消化”工程案例，如“湖北襄阳污泥处置工程”、“长沙市污泥集中处置工程”等，其中在热水解环节的设计更是呈现出多样化，处理效果也是莫衷一是、众口难调。尽管如此，由于热水解设备正处于单纯依靠进口和由进口转型为国产的初级阶段，因此各种尝试都将成为积极探索，可能为后来者提供重要参考和启示。而如何在前人的基础上通过进一步优化或创新来真正实现污泥热水解设备国产化，并有效解决我国中低有机质污泥的高效厌氧消化难题，将是行业有识之士不断努力和追求的目标。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一套基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置。
本发明还所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用所述装置进行基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺。
采用本发明的装置和工艺，可最大程度地提高污泥厌氧消化产气率和处理量，并降低建设成本和运行成本。
解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置，包括以污泥输料系统依次连接的储泥斗、预热釜、反应釜和泄压釜，所述的预热釜、反应釜和泄压釜都设有搅拌装置，以及给预热釜和反应釜提供蒸汽的蒸汽供应系统，其特征是：
所述的预热釜和反应釜蒸汽进口8、15均设置在侧壁靠下处、且釜内蒸汽分布器为环状贴壁带孔管，孔上有耐高温滤层防堵；
所述的泄压釜为罐体设有水冷夹层的闪蒸釜，泄压釜蒸汽出口19设置在釜顶并有回流管道连通至所述预热釜进口8，该回流管道与蒸汽供应系统的直通管道并联；
所述的预热釜和反应釜内搅拌机的搅拌桨为与转动方向一致的螺旋盘绕状；
所述的预热釜和反应釜均在顶端设有排气阀，预热釜顶端还设有出泥加压泵，反应釜顶端还设有安全阀。
所述的泄压釜在罐体水冷夹层的进水管道上设有温度探测与水量控制连锁装置，为一种水量智能联锁控制调节装置。
所述的污泥输料系统通过第一螺旋输送机2和垂直提升机3从储泥斗1输送污泥至预热釜进口4、通过第二螺旋输送机10将预热釜出口9的污泥输送至反应釜进口11、通过管道将反应釜出口的污泥输送至泄压釜进口17、通过管道和螺杆泵24将泄压釜出口23污泥直接输送至厌氧池。
解决上述第二个技术问题，本发明的采用所述装置进行基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺，其特征是：
污水厂脱水污泥进入预热釜的同时，向预热釜加入泄压釜夹层出口22热水或污水厂浓缩池污泥，将污泥稀释至含固率15%~12%，关闭预热釜进口4，开启预热釜搅拌泵6和底部预热釜蒸汽进口8，预热10~15min；
预热结束后，关闭预热釜搅拌泵6，打开预热釜底部出口9，污泥自动或在预热釜气压泵5作用下落入螺旋输送机后进入反应釜，关闭预热釜出口9，预热釜开始第二阶段进泥，待污泥闪蒸开始时再开启搅拌；
关闭反应釜进口11，开启反应釜搅拌泵12和底部蒸汽进口15，反应20~30min；
反应结束后，关闭反应釜搅拌泵12和蒸汽进口15，打开反应釜出口16和泄压釜进口17，通过调控温度探测与水量控制连锁装置使反应釜污泥快速压入泄压釜，同时闪蒸蒸汽由顶端出汽口19循环回用，然后关闭反应釜出口16，反应釜开始第二阶段进泥，并开启搅拌和蒸汽；
当反应釜污泥完全进入泄压釜后，关闭泄压釜进口17，继续冷却(夹层通水加搅拌)至50~60℃，控制时间在10~15min；
关闭反应釜搅拌泵18，打开反应釜出口23，由螺杆泵24将流态污泥直接输送至厌氧消化池。
所述的从蒸汽供应系统直接进入反应釜和预热釜的蒸汽温度为165℃。
所述的泄压釜蒸汽出口19回流管道保持连通状态、直通管道在预热釜温度不足时开启。
所述的反应釜和泄压釜可处于同一水平面(压差输料)，同时充分利用螺旋输送机10输送半固态物料的设置特性(最大倾斜角度20°)，最大程度地降低预热釜和提升机3的抬升高度。
所述的泄压釜为带夹层结构的常压釜，具备调节釜内温度和冷却污泥的双重功能，通过在不同时刻打开夹层进水口21和出水口22、以及调节进水流量来达到一个最佳的闪蒸破壁效果，可采用温度探测与水量控制连锁装置控制调节；所述泄压釜出水温度40~80℃，可回用于稀释预热釜污泥、后续厌氧池保温或沼渣干化等，泄压釜出泥可不经过换热器直接通入厌氧池。
所述的温度探测与水量控制连锁装置，为一种水量智能联锁控制调节装置，首先初始化分析夹层进水流量与釜内温度的相关性、进而生成流量与温度的函数公式、最后通过设置釜内温度值可自动调节至相应进水流量。
工作原理：
污水厂含固率20%污泥经储泥斗1通过水平螺旋输送机2和垂直提升机3由进口4进入预热釜，同时向釜内加稀泥或回用热水稀释污泥至含固率15%~12%，进泥完成后由底部蒸汽进口8进汽并开始搅拌，当釜内温度接近100℃时排汽或停汽(锅炉蒸汽)，保持温度10~15min；预热釜出口9出泥经上倾螺旋输送机10进入反应釜，进泥完成后由底部蒸汽进口15连续进汽并开始搅拌，保证釜内污泥温度达到165℃并反应20~30min；利用反应釜和泄压釜之间的压差，在数分钟之内将预热釜污泥压入泄压釜，析出的蒸汽经顶部蒸汽出口19回用于预热釜，同时利用搅拌泵18和夹层20冷却水对污泥进行快速冷却，冷却10~15min后的50~60℃污泥可不经过换热器直接泵入后续厌氧池反应。
上述污泥由预热釜进入反应釜后，第二批次污泥开始进入预热釜，前10~15min不通蒸汽，污泥可充分吸收釜内余热达到一定温度，后10~15min开始接受闪蒸过程中产生的析出蒸汽预热(必要时可补充锅炉蒸汽)；预热完成后进入反应釜，反应釜内残余的热量加上开始通入的高温蒸汽能更好的使污泥达到最佳的反应状态；而泄压釜在等待进泥的10~15min内，已由夹层冷却水将釜内温度降至常温，故能与反应釜之间形成稳定有效的压差。因此该系统具有连续运行的潜力。
上述系统能量利用率能达到90%以上。
本发明具有如下优点和效果：
(1)工艺简单，建设成本低。本系统仅有预热釜、反应釜和泄压釜3个罐及其附属设备设施，且泄压釜兼具闪蒸和冷却换热的双重功能，流程相对简单，设备成本可控；此外，反应釜和泄压釜可处于同一水平面(压差输料)，同时充分利用螺旋输送机输送半固态物料的设置特性(最大倾斜角度20°)，可最大程度地降低预热釜和提升机的抬升高度，从而降低土建成本。
(2)能量利用率高，蒸汽消耗省。进入预热釜和反应釜的蒸汽均由底部通入，在上升过程中逐渐与搅拌的泥水混合物接触融合，进而达到良好的加热效果；利用泄压釜温度探测与水量控制连锁装置合理调节夹层水流来控制釜内温度，不仅可达到一个最佳的闪蒸破壁效果，而且能产生足够压力的析出蒸汽由釜顶回流至预热釜；预热釜和泄压釜在等待污泥处理的15min内，前者的余热传递给釜内污泥，后者的余热则以冷却水的形式回用于其它途径。
(3)进泥含固率高(12%~20%)。对于水解前粘性半固态污泥，主要采用螺旋输送机完成污泥由储泥斗至预热釜、预热釜至反应釜的输送，对于水解后流态污泥，则采用螺杆泵完成输送；针对预热釜和反应釜内半固态粘性污泥搅拌问题，采用螺旋盘绕状搅拌桨，可有效减小搅拌高粘度物料的旋转阻力。
(4)本技术主要适用于国内中低有机质高含固污泥或其它有机废弃物厌氧消化预处理，但同时也适用于高有机质高含固污泥或其它有机废弃物，不仅能够极大的提高后续厌氧产气率，而且有利于后续沼渣的安全处置。
附图说明
图1为本发明的组成和连接关系示意图；
图2为本发明的工艺流程图；
图3为本发明的泄压釜结构示意图。
附图标记：1：储泥斗；2：螺旋输送机；3：垂直提升机；4：预热釜进口；5：气压泵；6：搅拌泵；7：排气阀；8：(闪蒸)蒸汽进口；9：预热釜出口；10：螺旋输送机；11：反应釜进口；12：搅拌泵；13：安全阀；14：排气阀；15：蒸汽进口；16：反应釜出口；17：泄压釜进口；18：搅拌泵；19：(闪蒸)蒸汽出口；20：夹层；21：冷却水进口；22：冷却水出口；23：泄压釜出口；24：螺杆泵；25-温度探测与水量控制连锁装置；26-溢流口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
参见图1，本发明的基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置实施例，包括以污泥输料系统依次连接的储泥斗、预热釜、反应釜、泄压釜和厌氧池，预热釜、反应釜和泄压釜都设有搅拌机，以及给预热釜和反应釜提供蒸汽的蒸汽供应系统。
预热釜和反应釜蒸汽进口8、15均设置在侧壁靠下处、且釜内蒸汽分布器为环状贴壁带孔管，孔上有耐高温滤层防堵；泄压釜为罐体设有水冷夹层的闪蒸釜，泄压釜蒸汽出口19设置在釜顶并有回流管道连通至所述预热釜进口8，该回流管道与蒸汽供应系统的直通管道并联；预热釜和反应釜内搅拌机的搅拌桨为与转动方向一致的螺旋盘绕状；预热釜和反应釜均在顶端设有排气阀，反应釜顶端还设有安全阀和出泥加压装置。
泄压釜为罐体水冷夹层的进水管道上设有温度探测与水量控制连锁装置，为一种水量智能联锁控制调节装置。
污泥输料系统通过第一螺旋输送机2和垂直提升机3从储泥斗1输送污泥至预热釜进口4、通过第二螺旋输送机10将预热釜出口9的污泥输送至反应釜进口11、通过管道将反应釜出口的污泥输送至泄压釜进口17、通过管道和螺杆泵24将泄压釜出口23污泥输送至厌氧池。
采用所述装置进行基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺，其特征是：
污水厂脱水污泥进入预热釜的同时，向预热釜加入闪蒸釜夹层出口22热水或污水厂浓缩池污泥，将污泥稀释至含固率15%~12%，关闭预热釜进口4，开启预热釜搅拌泵6和底部预热釜蒸汽进口8，预热10~15min；
预热结束后，关闭预热釜搅拌泵6，打开预热釜底部出口9，污泥自动或在预热釜气压泵5作用下落入螺旋输送机后进入反应釜，关闭预热釜出口9，预热釜开始第二阶段进泥，待污泥闪蒸开始时再开启搅拌；
关闭反应釜进口11，开启反应釜搅拌泵12和底部蒸汽进口15，反应20~30min；
反应结束后，关闭反应釜搅拌泵12和蒸汽进口15，打开反应釜出口16和泄压釜进口17，通过调控温度探测与水量控制连锁装置使反应釜污泥快速压入泄压釜，同时闪蒸蒸汽由顶端出汽口19循环回用，然后关闭反应釜出口16，反应釜开始第二阶段进泥，并开启搅拌和蒸汽；
当反应釜污泥完全进入泄压釜后，关闭泄压釜进口17，继续冷却(夹层通水加搅拌)至50~60℃，控制时间在10~15min；
关闭反应釜搅拌泵18，打开反应釜出口23，由螺杆泵24将流态污泥直接输送至厌氧消化池。
所述的从蒸汽供应系统直接进入反应釜和预热釜的蒸汽温度为165℃。
所述的泄压釜蒸汽出口19回流管道保持连通状态、直通管道在预热釜温度不足时开启。
所述的反应釜和泄压釜可处于同一水平面(压差输料)，同时充分利用螺旋输送机10输送半固态物料的设置特性(最大倾斜角度20°)，最大程度地降低预热釜和提升机3的抬升高度。
所述的泄压釜为带夹层结构的常压釜，具备调节釜内温度和冷却污泥的双重功能，通过在不同时刻打开夹层进水口21和出水口22、以及调节进水流量来达到一个最佳的闪蒸破壁效果，可采用温度探测与水量控制连锁装置控制调节；所述泄压釜出水温度40~80℃，可回用于稀释预热釜污泥、后续厌氧池保温或沼渣干化等，泄压釜出泥可不经过换热器直接通入厌氧池。
所述的温度探测与水量控制连锁装置，为一种水量智能联锁控制调节装置，首先初始化分析夹层进水流量与釜内温度的相关性、进而生成流量与温度的函数公式、最后通过设置釜内温度值可自动调节至相应进水流量。
图2为本发明的工艺流程图。污泥经预热釜、反应釜和泄压釜的热水解处理后，泥质得到极大改善，能成倍提高后续厌氧消化效率，主要表现为产气率提高和停留时间缩短。
图3为本发明的泄压釜，该釜为带夹层结构的常压釜，具备调节釜内温度和冷却污泥的双重功能，通过在不同时刻打开夹层进水口21和出水口22、以及调节进水流量来达到一个最佳的闪蒸破壁效果，可采用温度探测与水量控制连锁装置控制调节；冷却出水温度40~80℃，可回用于稀释预热釜污泥、后续厌氧池保温或沼渣干化等，出泥可不经过换热器直接通入厌氧池。
本发明主要适用于国内中低有机质高含固污泥或其它有机废弃物厌氧消化预处理，但同时也适用于高有机质高含固污泥或其它有机废弃物。
应用案例1：
某城市污水处理厂处理规模为10万t/d，污泥(含固率20%)产率50t/d，污泥干基有机质含量40%左右。若直接进行厌氧消化，根据国内相关工程实例，产气量几乎为0；若采用本发明高效热水解预处理工艺进行厌氧消化前处理，整个水解过程及后续厌氧保温消耗170℃蒸汽合计约10000t/d，折合沼气(CH4含量60~65%)需求量约1300m3/d，而水解后厌氧消化产气量预计为1700 m3/d，沼气供需比为1.31，沼气剩余产品量为400m3/d。
应用案例2：
某城市污水处理厂处理规模为20万t/d，污泥(含固率20%)产率100t/d，污泥干基有机质含量50%左右。若直接进行厌氧消化，根据国内相关工程实例，产气量约1000m3/d；若采用本发明高效热水解预处理工艺进行厌氧消化前处理，整个水解过程及后续厌氧保温消耗170℃蒸汽合计约18000t/d，折合沼气(CH4含量60~65%)需求量约2000m3/d，而水解后厌氧消化产气量预计为5000m3/d，沼气供需比为2.5，沼气剩余产品量为3000m3/d。
应用案例3：
某城市污水处理厂处理规模为40万t/d，污泥(含固率20%)产率200t/d，污泥干基有机质含量60%左右。若直接进行厌氧消化，根据国内相关工程实例，产气量约5500m3/d；若采用本发明高效热水解预处理工艺进行厌氧消化前处理，整个水解过程及后续厌氧保温消耗170℃蒸汽合计约32000t/d，折合沼气(CH4含量60~65%)需求量约3200m3/d，而水解后厌氧消化产气量预计为12000m3/d，沼气供需比为3.75，沼气剩余产品量为8800m3/d。

Claims (2)

1.一种基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理装置，包括以污泥输料系统依次连接的储泥斗、预热釜、反应釜和泄压釜，所述的预热釜、反应釜和泄压釜都设有搅拌装置，以及给预热釜和反应釜提供蒸汽的蒸汽供应系统，其特征在于：
所述的预热釜和反应釜蒸汽进口（8、15）均设置在侧壁靠下处、且釜内蒸汽分布器为环状贴壁带孔管，孔上有耐高温滤层防堵；
所述的泄压釜为罐体设有水冷夹层的闪蒸釜，泄压釜蒸汽出口（19）设置在釜顶并有回流管道连通至所述预热釜蒸汽进口（8），该回流管道与蒸汽供应系统的直通管道并联；
所述的预热釜和反应釜内搅拌装置的搅拌桨为与转动方向一致的螺旋盘绕状；
所述的预热釜和反应釜均在顶端设有排气阀，预热釜顶端还设有出泥加压泵，反应釜顶端还设有安全阀；
所述的泄压釜在罐体水冷夹层的进水管道上设有温度探测与水量控制连锁装置，为一种水量智能联锁控制调节装置；
所述的污泥输料系统通过第一螺旋输送机（2）和垂直提升机（3）从储泥斗（1）输送污泥至预热釜进口（4）、通过第二螺旋输送机（10）将预热釜出口（9）的污泥输送至反应釜进口（11）、通过管道将反应釜出口的污泥输送至泄压釜进口（17）、通过管道和螺杆泵（24）将泄压釜出口（23）污泥直接输送至厌氧池。
2.使用根据权利要求1所述的装置进行的基于厌氧消化的高含固污泥热水解预处理工艺，其特征是：
污水厂脱水污泥进入预热釜的同时，向预热釜加入泄压釜夹层出口（22）热水或污水厂浓缩池污泥，将污泥稀释至含固率15%~12%，关闭预热釜进口（4），开启预热釜搅拌泵（6）和底部预热釜蒸汽进口（8），预热10~15min；
预热结束后，关闭预热釜搅拌泵（6），打开预热釜底部出口（9），污泥自动或在预热釜气压泵（5）作用下落入螺旋输送机后进入反应釜，关闭预热釜出口（9），预热釜开始第二阶段进泥，待污泥闪蒸开始时再开启搅拌；
关闭反应釜进口（11），开启反应釜搅拌泵（12）和底部蒸汽进口（15），反应20~30min；
反应结束后，关闭反应釜搅拌泵（12）和蒸汽进口（15），打开反应釜出口（16）和泄压釜进口（17），通过调控温度探测与水量控制连锁装置使反应釜污泥快速压入泄压釜，同时闪蒸蒸汽由顶端蒸汽出汽口（19）循环回用，然后关闭反应釜出口（16），反应釜开始第二阶段进泥，并开启搅拌和蒸汽；
当反应釜污泥完全进入泄压釜后，关闭泄压釜进口（17），继续冷却至50~60℃，控制时间在10~15min；
关闭反应釜搅拌泵（18），打开反应釜出口（16），由螺杆泵（24）将流态污泥直接输送至厌氧池；
所述的从蒸汽供应系统直接进入反应釜和预热釜的蒸汽温度为165℃；所述的泄压釜蒸汽出口（19）回流管道保持连通状态、直通管道在预热釜温度不足时开启；所述的反应釜和泄压釜处于同一水平面，同时充分利用第二螺旋输送机（10）输送半固态物料的设置特性，即最大倾斜角度20°，最大程度地降低预热釜和提升机（3）的抬升高度；所述的泄压釜为带夹层结构的常压釜，具备调节釜内温度和冷却污泥的双重功能，通过在不同时刻打开夹层进水口（21）和出口（22）、以及调节进水流量来达到最佳的闪蒸破壁效果，采用温度探测与水量控制连锁装置控制调节；所述泄压釜出水温度40~80℃，回用于稀释预热釜污泥、后续厌氧池保温或沼渣干化，泄压釜出泥不经过换热器直接通入厌氧池；所述的温度探测与水量控制连锁装置为一种水量智能联锁控制调节装置，首先初始化分析夹层进水流量与釜内温度的相关性、进而生成流量与温度的函数公式、最后通过设置釜内温度值自动调节至相应进水流量。
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