CN107055986A - 一种高压微波污泥预处理方法 - Google Patents

一种高压微波污泥预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高压微波污泥预处理的方法。具体包括如下步骤：(1)向浓缩后的二沉池剩余污泥中加入一元碱，调节pH至9‑11，得到泥水混合物；(2)将步骤(1)所得泥水混合物搅拌并进行微波处理，当泥水混合物温度达到75‑85℃，暂停辐射加热，按H2O2/TS＝0.15‑0.25的质量比投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，继续辐射加热至130℃‑150℃并确保微波处理压力大于3bar，得到污泥消化液；(3)将步骤(2)所得污泥消化液进行闪蒸处理，得出料污泥。本发明方法可有效促进污泥细胞裂解并实现污泥减量化和资源化利用，效果稳定，无二次污染。

Description

一种高压微波污泥预处理方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域，特别涉及一种高压微波污泥预处理的方法。
背景技术
目前，我国常用的污泥处置技术包括污泥焚烧，污泥填埋和污泥厌氧消化技术。其中污泥厌氧消化技术与前两种技术相比有着节约能耗，保护环境，可产生能源气体，处理成本低的优点，备受人们的青睐。但是，传统的厌氧消化具有反应效率低，污泥减量化低、处理周期长等缺点，主要是因为有机物和碳源因污泥内微生物细胞胞外聚合物(ESP)的紧密包裹和细胞壁的阻隔，无法充分释放到液相中被产甲烷菌利用，产甲烷量少。因此污泥的水解阶段成为整个厌氧消化过程的限速阶段。目前，污泥厌氧消化过程中有机物的甲烷转化效率一般都在30％～45％以下，为提高污泥厌氧消化效率，污泥的预处理变得尤为重要。
污泥微波处理是近些年出现的新兴污泥预处理技术。研究表明，微波预处理能够有效破解污泥细胞和破坏污泥絮体结构，释放污泥细胞内的蛋白质、多糖等溶解性有机物，强化污泥的厌氧消化性能。但现有微波破壁效果仍然不十分理想。
发明内容
针对现有微波预处理污泥效果不理想的问题，本发明特提供一种新的微波污泥预处理方法。通过联合技术加压微波-碱-H2O2预处理污泥，对污泥溶胞破壁有协同作用，处理效率更高。
本发明是采用如下技术方案实现的。
一种高压微波污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)向浓缩后的二沉池剩余污泥中加入一元碱，调节pH至9-11，得到泥水混合物；
(2)将步骤(1)所得泥水混合物搅拌并进行微波处理，当泥水混合物温度达到75-85℃，暂停辐射加热，按H2O2/TS＝0.15-0.25的质量比投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，继续辐射加热至130℃-150℃并确保微波处理压力大于3bar，得到污泥消化液；
(3)将步骤(2)所得污泥消化液进行闪蒸处理，得出料污泥。
步骤(1)中，所述一元碱为NaOH或KOH。本发明在研究中发现，在所述浓缩污泥碱处理中二元碱对污泥水解作用不完全，无法达到理想的水解效果，因此本发明中须使用一元碱。
本发明在研究中还发现，剩余污泥的浓缩程度一定程度上影响后续处理效果。如浓度过低会致使水解后污泥的碳源浓度过低，不利于后续厌氧消化程度，而浓度过高，则导致污泥在管道运输过程中对运输泵造成一定损伤。因此，综合考虑，本发明步骤(1)中，所述二沉池剩余污泥浓缩至15～20g/L为宜，有利于后续厌氧消化过程中厌氧微生物的有效利用，并确保运输安全。
步骤(2)中，所述微波处理的工艺条件为：频率400-800MHz，优选600MHz；且所述辐照加热是以10-20℃/min的升温速度进行，优选15℃℃/min。
步骤(2)中，所述搅拌速度保持在50-70rad/min之间。
步骤(3)中，所述闪蒸处理是由多个闪蒸罐串联后以梯度气压逐级闪蒸，主要是防止由过高压差产生的高温蒸汽对装置的气蚀作用。因此，本发明所述预处理方法中所述闪蒸处理优选以1bar的气压梯度进行。例如，待预处理阶段结束后，打开装置一级闪蒸罐的闪蒸阀，反应1min后，打开二级闪蒸阀，继续反应1min。所述出料污泥再与水热交换后送至厌氧发酵阶段。
作为本发明优选的实施方式，所述高压微波污泥预处理方法包括如下步骤：
(1)向浓缩至15～20g/L的二沉池剩余污泥中加入一元碱，调节pH至9-11，得到泥水混合物；
(2)将步骤(1)所得泥水混合物搅拌并进行微波处理，当泥水混合物温度达到75-85℃，暂停辐射加热，按H2O2/TS＝0.15-0.25的质量比投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，继续辐射加热至130℃-150℃并确保微波处理压力大于3bar，得到污泥消化液；
所述微波处理的工艺条件为：频率400-800MHz；
所述辐照加热是以10-20℃/min的升温速度进行；
(3)将步骤(2)所得污泥消化液进行闪蒸处理，得出料污泥；所述闪蒸处理以1bar的气压梯度进行。
在所述闪蒸过程中，污泥中的绝大部分液体会汽化，从而导致污泥消化液中固体处理含量过高，为后续污泥消化液的泵送带来难度，因此在闪蒸结束后需对预处理污泥进行稀释以达到安全泵送浓度。而热交换回用水可稀释污泥消化液可减小由常温水稀释所带来的温差能量损失问题。此外热交换回用水还可用于维持厌氧消化过程反应所需的温度。
本发明所述高压微波污泥预处理方法具有如下有益效果：
1、将微波技术与热碱解预处理技术、H2O2预处理技术及高压闪蒸技术结合起来，建立了一套高效预处理污泥的新方法。该方法可有效提高污泥细胞的破裂效果，促进污泥细胞破裂水解，提高污泥反应效率和厌氧消化性能，缩短处理周期，提高产气量和能源利用效率。
2、选用一元碱进行水解处理，相比二元碱具有更有效的水解破壁作用。
3、采用H2O2预处理技术，过氧化氢在密闭空间汽化，具有更理想的杀菌作用，可杀死污泥中绝大部分的细菌和病原体。
4、本发明特别采用高压闪蒸技术可以使污泥细胞壁内外存在较大压差，细胞壁破解程度更高，缩短预处理时间，有利于污泥细胞中COD、总氮和总磷的溶出。
附图说明
图1为本发明所述高压微波污泥预处理方法所采用设备的结构示意图。
附图标记
1.污泥进料口 2.碱性溶液加药口
3.过氧化氢溶液加药口 4.测温探头
5.pH探头 6.压力传感器
7.微波发生器 8.机械搅拌装置
9.微波反应器 10.电子控制装置
11.液位传感器 12.阀门
13.污泥闪蒸器 14.热交换器
15.污泥出料口
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1。耐高温耐高压材料制成的高压微波污泥预处理的装置，其基本结构为圆柱体型，主要由微波反应器9、污泥闪蒸器13、电子控制器10和热交换器14四个部分组成；
微波理反应器9由内外壁组成，内外壁设计材料均为耐高温高压材料，在内外壁之间的底部及左右各端均设有两个微波发生器7，反应器外部设有压力传感器6，并连接电子控制装置10；内部设有测温探头4和压力探头5，内部上方开有污泥进料口1、碱性溶液加药口2和过氧化氢溶液加药口3，下部接有液位传感器11；同时配有机械搅拌装置8；下方开有卸料口连接污泥闪蒸器。
污泥闪蒸器13同样由耐高温高压的内外壁组成，闪蒸器上下方均用阀门12封死，当出料污泥要流出闪蒸罐时，打开下方方阀门使污泥流出至热交换器14，最终预处理污泥由污泥出料口15输送至厌氧发酵罐进行厌氧发酵。
二沉池剩余污泥首先经过浓缩处理，得到较高浓度的泥水混合物；然后由污泥进料口1输送至微波反应器9，碱性溶液及过氧化氢溶液分别从碱性溶液加药口2和过氧化氢溶液加药口3加入，装置内部密闭保证污泥在高温高压条件下得到处理；之后经处理污泥经管路输送至污泥闪蒸器13闪蒸，此时细胞内部仍处于高压状态，由于压力突然减小，细胞内外压差增大，泄压时产生的闪蒸破裂条件促使污泥细胞裂解，达到释放胞内有机物的目的；最后出料污泥经过热交换器14实现污泥降温以及热量回收利用，并污泥出料口15运送至厌氧发酵罐进行厌氧发酵。
下述实施例均采用上述高压微波污泥预处理的装置。
实施例1
针对某城市再生水厂二沉池剩余污泥，实施例1提供一种高压微波污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)将二沉池剩余污泥浓缩至浓度为15～20g/L的泥水混合物；加入5mol/L的NaOH碱性溶液调节pH至10左右；
(2)将污泥通入微波反应器中，开启微波反应器，频率600MHz，对装置内部污泥进行辐射加热的同时搅拌装置启动，以60rad/min的速度搅拌，按10-20℃/min的升温速度加热泥水混合物至80℃，关闭微波发生器，暂时停止辐射加热，按H2O2/TS＝0.2的质量比，投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，重新开启微波发生器，继续按10-20℃/min的升温速度加热泥水混合物升温至130℃并确保装置内部气压大于3bar，在此状态下反应10min。
(3)将处理后的污泥以1bar的气压梯度逐级闪蒸，联合预处理阶段结束。
在微波联合预处理阶段，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)是72.84％，溶解性COD为8800mg/L。
将预处理后的污泥与接种污泥混合后，在37℃下进行中温厌氧消化，累积产甲烷量为66.12ml/gVS，提升约46.18％，总COD削减率为43.97％。
实施例2
针对某城市再生水厂二沉池剩余污泥，实施例2提供一种高压微波污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)将二沉池剩余污泥浓缩至浓度为15～20g/L的泥水混合物；加入5mol/L的NaOH碱性溶液调节pH至10左右；
(2)将污泥通入微波反应器中，开启微波反应器，频率800MHz，对装置内部污泥进行辐射加热的同时搅拌装置启动，以60rad/min的速度搅拌，按15℃/min的升温速度加热泥水混合物至85℃，关闭微波发生器，暂时停止辐射加热，按H2O2/TS＝0.25的质量比，投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，重新开启微波发生器，继续按15℃/min的升温速度加热泥水混合物升温至150℃并确保装置内部气压大于3bar，在此状态下反应10min。
(3)将处理后的污泥以1bar的气压梯度逐级闪蒸，联合预处理阶段结束。
在微波联合预处理阶段，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)是70.63％，溶解性COD为8640mg/L。
将预处理后的污泥与接种污泥混合后，在37℃下进行中温厌氧消化，累积产甲烷量为69.23ml/gVS，提升约53.06％，总COD削减率为45.27％。
实施例3
针对某城市再生水厂二沉池剩余污泥，实施例3提供一种高压微波污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)将二沉池剩余污泥浓缩至浓度为15～20g/L的泥水混合物；加入5mol/L的NaOH碱性溶液调节pH至10左右；
(2)将污泥通入微波反应器中，开启微波反应器，频率400MHz，对装置内部污泥进行辐射加热的同时搅拌装置启动，以60rad/min的速度搅拌，按15℃/min的升温速度加热泥水混合物至75℃，关闭微波发生器，暂时停止辐射加热，按H2O2/TS＝0.15的质量比，投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，重新开启微波发生器，继续按15℃/min的升温速度加热泥水混合物升温至140℃并确保装置内部气压大于3bar，在此状态下反应10min。
(3)将处理后的污泥以1bar的气压梯度逐级闪蒸，联合预处理阶段结束。
在微波联合预处理阶段，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)是71.54％，溶解性COD为8760mg/L。
将预处理后的污泥与接种污泥混合后，在37℃下进行中温厌氧消化，累积产甲烷量为65.47ml/gVS，提升约44.75％，总COD削减率为43.85％。
比较例1
一种污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)将二沉池剩余污泥浓缩至浓度为15～20g/L的泥水混合物；加入5mol/L的NaOH碱性溶液调节pH至10左右；
(2)将污泥通入微波反应器中，开启微波反应器，频率600MHz，对装置内部污泥进行辐射加热的同时搅拌装置启动，以60rad/min的速度搅拌，加热泥水混合物至100℃。
在微波预处理阶段，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)是69.66％，溶解性COD为6530mg/L。
将预处理后的污泥与接种污泥混合后，在37℃下进行中温厌氧消化，累积产甲烷量为52.85ml/gVS，提升约16.85％，总COD削减率为30.29％。
比较例2
一种污泥预处理方法，包括如下步骤：
(1)将二沉池剩余污泥浓缩至浓度为15～20g/L的泥水混合物；其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)是65.03％，溶解性COD为130mg/L；
将泥水混合物与接种污泥混合后，在37℃下进行中温厌氧消化，累积产甲烷量为45.23ml/gVS，总COD削减率为24.18％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高压微波污泥预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向浓缩后的二沉池剩余污泥中加入一元碱，调节pH至9-11，得到泥水混合物；
(2)将步骤(1)所得泥水混合物搅拌并进行微波处理，当泥水混合物温度达到75-85℃，暂停辐射加热，按H2O2/TS＝0.15-0.25的质量比投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，继续辐射加热至130-150℃并确保微波处理压力大于3bar，得到污泥消化液；
(3)将步骤(2)所得污泥消化液进行闪蒸处理，得出料污泥。
2.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述一元碱为NaOH或KOH。
3.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述二沉池剩余污泥浓缩至15～20g/L为宜。
4.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述微波处理的频率为400-800MHz。
5.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述辐照加热是以10-20℃/min的升温速度进行，优选15℃/min。
6.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述闪蒸处理以1bar的气压梯度进行。
7.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，步骤(3)中，在闪蒸处理结束后，需利用后续热交换回用水稀释污泥消化液。
8.根据权利要求1所述的高压微波污泥预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向浓缩至15～20g/L的二沉池剩余污泥中加入一元碱，调节pH至9-11，得到泥水混合物；
(2)将步骤(1)所得泥水混合物搅拌并进行微波处理，当泥水混合物温度达到75-85℃，暂停辐射加热，按H2O2/TS＝0.15-0.25的质量比投加30％过氧化氢溶液并缓慢搅拌，继续辐射加热至130-150℃并确保微波处理压力大于3bar，得到污泥消化液；
所述微波处理的工艺条件为：频率400-800MHz；
所述辐照加热是以10-20℃/min的升温速度进行；
(3)将步骤(2)所得污泥消化液进行闪蒸处理，得出料污泥；所述闪蒸处理以1bar的气压梯度进行。
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