CN107207303A - 浆料处理方法的优化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及处理浆料的方法，尤其是处理净化站污泥的方法，以用于产生能量和/或卫生化的有机物质，所述方法包括至少以下步骤：浆料的曝气或非曝气热水解步骤，消化步骤，脱水步骤，以及经脱水浆料的一部分向热水解步骤再循环的步骤。

Description

浆料处理方法的优化
技术领域
本发明的目标在于用于处理浆料、尤其是净化站污泥的优化方法。
本发明的领域是热水解的领域，也就是说将底物置于压力和温度下以改善其通过厌氧细菌消化以产生生物气的能力。
背景技术
与厌氧消化结合的浆料即颗粒状有机物质的水解是一种已知的方法。其旨在提高浆料的增溶溶解并且因而旨在提高消化收率及其生物气产量。这种方法可应用于可经受厌氧消化的任何糊状有机底物，尤其是净化用污泥(boues d’épuration)。在本文的随后部分中，术语“浆料(pulpe)”、“有机物质(matière organique)”和“污泥(boues)”是等同的。
在这些方法当中，结合了高温加热以及通常急剧降压的效果的热水解是最广泛使用的方法。它可在反应器中连续进行或者通过不连续方法(分批法)进行，包括多个反应器或者与缓冲室结合的一个或多个反应器。这些方法最常用的加热模式是蒸汽注入，其被用来使污泥达到水解所需的温度(通常为150-180℃)。
水解法完成消化所需的投资然后通过消化操作成本的增益进行补偿，所述消化操作成本的增益与生物气产量的改善(使得能够进行能量生产)有关，还与由于提高的挥发物质去除所导致的待去除固体量的减少有关，也与消化物(digestat)的更好脱水性有关。但由于设备昂贵的原因，投资回报通常是缓慢的。
热水解的收益性得到了极大改善，因为其还允许减小消化设备的体积。在湿式消化方法中，这种体积减小通过离开水解步骤的有机物质的流变性得以促进。这是因为，该水解处理所具有的作用是剧烈降低产品的粘度，这促进了其搅拌并且使得能够显著提高供料浓度以及因此的工作体积载荷，也就是说以kg/m3/d表示的待消化物质的量。
在水解结束时，允许的供料浓度不再受限于流变学约束，而是与消化器中溶解的游离氨的毒性风险有关。这是因为，在该消化期间，被去除的有机物质的大多数氮以氨水溶液的形式释放，所述氨水溶液基本上由铵以及取决于pH的少部分的溶解氨构成。这个部分被证明对产甲烷细菌是毒性的。挥发性物质的初始浓度越高并且pH越高，该毒性越大。一些方法通过在水解之前提供第一污泥消化阶段来绕开这种限制。随后进行的水解之前是污泥浓缩步骤，在该步骤期间通过第一传统消化阶段释放的氨态氮的一部分被去除以允许更为加强的第二消化阶段。换言之，在热水解结束时，常常需要将污泥稀释以避免受到氨毒性的约束。
还已知，消化器中pH的保持是一个重要的运行参数，因为细菌要求稳定的条件来起作用。而且，当pH提高时，溶解的NH3的比例相对于NH4 +将提高，这提高了毒性。另一方面，如果使pH降得过低，例如通过增加挥发性脂肪酸(反应的中间产物)来进行，则乙酸不再为产甲烷细菌可用并且不再产生生物气。
厌氧消化的另一个特性是，所发生的反应是由于形成营养链的共生细菌种群非常复杂的共同体所导致的。这意味着细菌种群的新陈代谢产物充当了随后种群的底物。在这种营养链中，某些细菌种群(尤其是乙酸分解菌和产乙酸菌)与其它种群相比具有缓慢的生长动力。因此，消化器的尺寸确定必须要确保在供料流量最大时足以避免这些种群被滤去的停留时间。
此外，在进口处载荷的过快变化往往导致在消化时的生长速率非常可变的种群之间的短暂不平衡。因而存在反应中间产物(如挥发性脂肪酸)累积的风险，该累积在高于一定浓度时会变得对反应有害。因此，消化器不太能够耐受载荷的显著变化，尤其是在高供料浓度时。相反，当消化器以小于其设计载荷的载荷供料时，去除收率的增益非常有限。这是因为，传统的尺寸确定确保了水力停留时间(在标称载荷下)，该水力停留时间对应于把收率和水力停留时间联系起来的曲线的渐近部分。另外，在低载荷阶段，活性细菌的种群质量随着底物的减少而成比例地减少。消化器则无法快速恢复其标称处理能力。因而必需不使消化器的载荷波动。
最后，热水解还可被置于消化的下游，以再进一步改善消化(在第一步骤中未消化的产品的可能的消化)。但是，这种置于下游的设备的收益性甚至低于置于上游的水解，因为所构建的新消化器将仅破坏一小部分的有机物质，最大的部分在第一热水解和消化中被破坏。此外，如果使用单一消化器，则要构建两个昂贵的装置，即两个热水解装置。因而，尽管已消化污泥的水解导致获得更好的水解，但收益性不稳定。
考虑到热水解工作，如果物质未被水解，则必须使细菌种群进行传送到热水解的工作，并且如果水力消化器中的停留时间不足的话，则消化器变得不稳定。
总之，热水解的尺寸确定以及消化器的尺寸确定因而与期望的最大载荷相关。
但是，常常，实际载荷要小得多并且是波动的，并且设备无法在其最大能力下使用。这是因为，由于存在随着污泥和热水解而变化的最大消化底限(talon)，因此即使消化器中的停留时间延伸到该尺寸确定之外，细菌也将不再会真正工作。另一方面，如果对结束消化的污泥进行再次水解，则该热水解将会使有机物质再次可用。
最后，正如上文指出的，消化器是细菌种群平衡的，因此其并不知道如何处理载荷的变化(质量载荷和水力载荷)。如果消化器供料不足，则一部分的细菌种群会由于缺乏养料而死亡，并且在载荷快速增加的情况下，细菌种群的发育不足以消化所有累积的养料。因而，即使是具有良好水力载荷的消化器也将无法处理所有本来可被处理的有机物质并且是“使用不足”的。
这些方法被描述于以下的文献中：国际申请WO 2012/019310和WO 2013/155631，欧洲申请EP 0564298，中国申请CN 203373248，申请US 2012/094363和加拿大申请CA2752747。
因而需要提供下述这样的方法，该方法能够使消化器载荷平顺并且使得能够总是接近其标称值供料，以避免细菌种群的损失。
发明内容
因而，本发明的目标在于一种能够解决以上所述的所有问题的方法，也即：
最小化投资成本以最大程度地从所使用的热水解和消化器获得收益。
最大化利用安装的设备的生物气的生产。
消除载荷波动并且将细菌种群保持接近其标称值。
管理消化器中的氨毒性。
本发明的目标因而在于处理浆料的方法，尤其是处理净化站污泥的方法，以用于产生能量和/或卫生化的有机物质，包括：
i.浆料的曝气或非曝气热水解步骤，
ii.任选地，步骤i)的经水解浆料的稀释步骤，
iii.步骤i)的经水解浆料或者步骤ii)的经稀释和水解浆料的嗜温或嗜热类型的消化步骤，
iv.由步骤iii)获得的经消化浆料的脱水步骤，以及
v.由步骤iv)获得的经脱水浆料的一部分向热水解步骤i)的再循环步骤。
根据本发明，经再循环浆料的部分根据以下所解释的载荷比率(taux de charge)计算。这使得能够将热水解/消化器与恒定载荷的工作结合，因而没有载荷波动。
根据本发明，该热水解使得能够以受控的条件将待处理浆料(尤其是净化用污泥)置于压力和温度下确定的停留时间。可在这种热水解步骤之前进行所述浆料的预浓缩步骤，以减小所用设备的尺寸。该水解可以是部分或者全部的，并且水解技术的类型可以是本领域技术人员已知的任意类型的水解技术。作为非限制性的实例，可以提及在国际申请WO96/09882或国际申请WO 2013/190486中所述的热水解方法。这个步骤使得能够将浆料保持在足够的温度和压力状态，以使得一部分的有机物质可快速消化，因而
■确保以希望的氧量和温度条件下的有机物质的停留时间，
■使得能够在或不在压力下引入有机物质，
■允许引入蒸汽，并且
■保持合适的压力和温度条件。
理想地，在此步骤中，温度大于140℃，有利地为140-220℃，甚至更有利地为140-180℃，并且压力大于0.5MPa(5巴)，有利地为0.5MPa-4MPa(5-40巴)，甚至更有利地为0.6-1MPa(6-10巴)。
这个热水解步骤可以在任何类型的容器中进行，这些容器以及它们的壁厚度的选择在本领域技术人员的能力范围之内。
根据本发明，消化步骤通过本领域技术人员已知的任何措施或装置和技术来进行；作为非限制性的实例，可以提及：卵形消化器，圆柱形消化器，它们利用生产气进行机械或水力搅拌。这些装置在下文中都将被标注为消化器。
该消化器配备有其运行所需的所有温度调节系统，尤其配备有允许其在所选条件(嗜温、嗜热或其它类型)受控的加热和冷却系统。所有这些系统均为本领域技术人员常识的一部分。
通过添加水的稀释步骤(ii)使得能够管理消化器中的浓度。其因则是非强制性的并且本领域技术人员将借助于热水解或消化器或二者的各种载荷控制系统知晓所述步骤是否应当实施。
在消化结束时进行脱水(步骤iv)的事实能够使氮与排出物一起离开。如果使较少负载氮并且因而不太能够释放大量氨到消化器中的有机物质返回到消化器的顶部，并且将其用不含氮的水补足，则消化器中的游离氨浓度被降低并且消化器的运行负担被减轻。
由步骤iv)获得的经脱水浆料向热水解步骤i)的再循环步骤通过在脱水步骤的出口处设置回路来进行，以在热水解/消化器对可用时使经脱水浆料再次经过热水解。这使得能够在消化器和热水解反应器在相对于设备标称值来说使用不足时针对经消化浆料使用热水解装置。这是因为，在所谓最大的载荷的情况下，所有的物流经过热水解并且还经过消化器，其中在这两个装置中的停留时间相对于装置的尺寸确定来说是有限的。因而没有空间将污泥返回到热水解的入口处。另一方面，在入口处具有较低载荷的情况下，经脱水浆料可被返回到热水解步骤并且还返回到消化步骤。
因而，在本发明的一种有利实施方案中，该方法包括用于计算热水解i)或消化步骤ii)或者二者的载荷比率的步骤。
根据本发明，返回量(也即从步骤iv)获得的经脱水浆料被再循环到热水解步骤i)的部分)通过如前面所提及的计算的载荷比率来控制，以将其尽可能保持恒定并且接近1。热水解装置(13)或消化装置(14)或者二者的载荷比率的控制系统(30，31)通过控制来自脱水(15)向热水解(13)的返回量来进行。
在本发明的一种有利实施方案中，根据本发明的方法包括在热水解步骤i)之前的脱水步骤以获得大约10-30％干物质(干物质质量对干物质+液体总质量的比率)、有利地为17％的足够干燥度，以最小化热水解反应器的尺寸。
在根据本发明方法的另一有利实施方案中，所述方法包括在热水解步骤i)之前的注入碱或酸的步骤，以控制消化步骤ii)期间的pH并且提高步骤i)期间的水解。
在本发明的另一有利实施方案中，该方法包括在热水解步骤i)和消化步骤ii)之间的废料冷却步骤。
在必要时，根据本发明的方法可包括在用于进行步骤i)至iv)的装置的上游的浆料的破碎或除砂或者二者的步骤。
在本发明的一种有利实施方案中，该方法包括在热水解步骤i)之前的脱水步骤。
本发明的目标还在于用于实施根据本发明的方法的浆料、尤其是净化站污泥的处理设备，所述设备包括曝气或非曝气热水解装置(moyen)(13)，其与经水解浆料的消化装置(14)连通，所述水解装置连通浆料运送装置(11)和运送来自由消化装置(14)获得的浆料的脱水装置(15)的浆料的装置以及来自于所述消化装置(14)的生物气的排放装置(16)。
根据本发明，该水解装置可包括一个或多个并联安装的独立反应器。在多个反应器的情况下，载荷比率基于可用反应器数目来计算。
在本发明的一种有利实施方案中，该设备包括通过注入碱或酸调节水解反应器中的pH的装置(41)，以改善水解动力学并且控制消化器的pH以保持足够低的游离氨比率。
当多个水解反应器在运行时，碱或酸的注入可仅在其中的一个反应器中进行，以极大地提高在此反应器中的水解。
在本发明的一种有利实施方案中，接收酸或碱的水解反应器是接收步骤(v)的排出物的反应器。
在根据本发明的设备的另一有利实施方案中，所述设备包括热水解装置的载荷比率控制系统(30)或消化装置的载荷比率控制系统(31)或者二者。
附图说明
为了能够更清楚地理解作为本发明目标的方法，下面将描述：
○一种实施方案。在此描述的过程中，将参考附图部分的附图1，其是显示应用于净化站污泥的本发明方法的各步骤的图，以及
○实施例。
当然这些实施例不具有任何限制特性。
具体实施方式
根据附图1的实施方案
○污泥(11)在元件(12)中预脱水，以获得足够的干燥度以尽可能减小热水解反应器(13)的尺寸。这个步骤通过使污泥处于一定温度和压力下来进行。根据本发明，可仅水解污泥的一部分。水解技术的类型在此未被考虑。
这种反应器(或者这些反应器，如果存在的话)使得能够：
■确保以希望的氧量和温度条件下的有机物质的停留时间，
■使得能够在或不在压力下引入有机物质，
■允许引入蒸汽，并且
■保持合适的压力和温度条件，也就是说足以使得有机物质的一部
分可快速消化的条件。
○在(13)的出口处的经水解污泥在任选的冷却(未示出)之后和通过系统(43)(其作用将在下文描述)进行稀释之后被引入到消化器(14)中。该污泥然后在嗜温或嗜热消化器(14)中消化，其停留时间被调节到该设备的标称载荷。此消化器以下述停留时间来确定尺寸：该停留时间为10-25天，优选在嗜温运行中为20天并且在嗜热运行中为12天。该消化器具有其自己的备用加热线路(在附图中未示出)。消化器中的温度对于嗜温来说为35-45℃，有利地等于37℃，并且对于嗜热来说为50-60℃，有利地等于55℃。
○最后，在消化器(14)的出口处，脱水站(15)能够使污泥可用于处理或最终排放。
用于预处理污泥以去除可能会干扰热水解的麻屑(filasses)和砂砾的工具也未被示出。
如果需要的话可设置破碎机以及除砂器，这取决于污泥的品质，以便保护下游的装置。
最后，能够加热热水解和消化器的热流体线路未被示出。
本发明源于在脱水(15)的出口处回路的设置，以在热水解/消化器(14)对可用时使污泥再次经过热水解(13)。
这是因为，在所谓最大的载荷的情况下，所有的物流经过热水解(13)并且也经过消化器(14)，其中在这两个装置中的停留时间相对于装置的尺寸确定来说是有限的。因而没有空间使污泥返回到热水解(13)的入口。
另一方面，在出口(11)处为较低载荷的情况下，污泥可返回到热水解(13)中并且还返回到消化器(14)中。
在消化结束时脱水的事实还使得氨能够与排出物一起离开。如果使较少负载氮并且因而不太能够释放大量氨到消化器中的污泥返回到消化器(14)的顶部，并且将其用不含氮的工艺水补足，则消化器中的游离氨浓度被降低并且消化器的运行负担被减轻。
向热水解(13)的返回通过多个传感器(13b和14b)控制。
在热水解入口处的流量测量(20)和浓度测量(27)测量基于特性时间(典型地，在热水解中为0.5-5停留时间)平均的载荷比率，以计算热水解的载荷比率。向这个值加入在脱水(15)返回时的流量(24)测量和浓度(28)测量。这种载荷比率的测量也可通过反应器中的填充物(批料)数目或者其它任何通过根据特性时间计算经过系统的体积的系统来进行。
这种载荷比率通过在热水解处的传感器(13b)补偿，所述传感器(13b)确定机器的可用性，也就是说，实际运行的并联线路的数目(例如维护的线路)。
这两个信息的组合确定了机器的为0至1的实际载荷比率(30)。
进入消化器的流量(21)的测量测定了消化器中的污泥的水力停留时间。
这个停留时间通过确定消化器可用性的来自于消化器的信息补偿。
这个补偿的停留时间除以通过该方法定义的标称停留时间(典型地为10-25天)确定了消化器的为0至1的载荷比率(31)。
在入口(25)处的污泥浓度测量通过对比入口载荷相对于消化器可接受质量载荷来完成载荷比率(31)的计算。
相对于干物质的有机物质的量的可更改参数也可被包括在系统中以基于有机物质计算载荷。
最后，消化器的质量载荷的测量也可以在热水解的上游通过在热水解(13)之前的在(27)处的浓度测量和在(20)处的流量测量(通过在返回回路上的浓度测量(28)和流量测量(24)补充)来进行。这是因为，该热水解具有溶解有机物质的倾向，其因而不再为浓度测量可及。
因此计算最终载荷比率31。
由两个载荷比率30和31获取与设备载荷比率对应的最大值。
这个信息控制污泥的返回(15)，以使得计算的载荷比率总是等于1。这个流量通过流量测量(24)控制。
pH和铵分析器(23)位于消化器的出口处。这个传感器确定消化器中的游离氨浓度以及基于这个浓度的毒性因子。
这个分析器将通过慢PID(比例积分微分)回路引发在(41)处的碱的注入以及在(43)处的稀释水的注入，以在消化器中具有最佳条件。
在消化器入口处的污泥浓度测量(25)以及在消化器出口处的污泥浓度测量(26)使得能够直接测量有机物质的去除比率以及因此的消化器的运行质量，并且因而长期校正消化器的返回。
浓度测量(25)控制稀释(43)以在消化器中不具有过高的浓度(这会带来搅拌问题并且因而具有不均匀混合的反应器的问题)，这个条件对于获得良好收率来说是重要的。
在另一种变化形式中，热水解仅置于脱水返回(15)上并且因而仅在消化器(14)载荷不足时使用。这在所谓“易于消化”的污泥的情况下可以是特别有利的，对于该污泥来说提供热水解并不是有用的。这是因为，在这种情况下，消化器总是在其能力的最大值下使用，即使是在载荷降低的情况下，并且因而避免了消化器中的载荷波动，而不必在预脱水(12)方面投资并且同时仅仅构建小型热水解系统(13)，其将仅处理污泥的一部分。
在其中尤其存在多个热水解线路的变化形式中，在载荷不足时，线路之一专用于处理返回的经脱水污泥；这个线路是接收碱或酸的线路。
在这个线路中，在游离NH3提高而消化器中的pH或酸化不提高的情况下，通过碱的添加的在水解反应器中特别高的pH将有助于水解有机物质并且易于捕获水解反应器的水气(buées)中的返回氨(排出气(foul gaz)42)。
在(23)处的pH提高的情况下，在反应器中酸的添加也将使得能够有助于水解有机物质。
在根据本发明的系统中，最终脱水(15)相对于传统运行来说不是过尺寸的，因为在任何情况下该脱水必须能够处理水力峰。换言之，所述返回仅在不是水力峰配置的情况下进行，并且因而从来不存在任何脱水过载荷。
热水解反应器和消化器的优化计算的实施例
在15天的过程中在100tMS/d 75％MV(在峰值)和80tMS/d(在峰值)的污泥的情况下，如果考虑在16％浓度下1小时的热水解以及在9％的输入浓度下15天的消化，则获得100/0.16/24x1＝26m3的反应器并且获得80/0.09x15＝13 333m3的消化器。
热水解反应器以随着位于上游的污泥缓冲槽而变化的每日峰值或每日两次峰值为基础进行尺寸确定，而消化器的最大载荷是对应于连续15-20天的峰值的最大载荷。
因而可基于例如连续5天的峰值(例如85tMS/d)来确定反应器的尺寸。这因而在恒定水力流量下将反应器减小15％。
接着，为了通过100tMS/d的峰值，反应器中的停留时间将被降低：51分钟替代60分钟。
但是，在消化器中15天停留时间的情况下只进行51分钟水解的污泥可再经过热水解，因为载荷随后将总是小于100tMS/d。
因而，如果尺寸确定基于在反应器中的51分钟针对整个这个峰值来进行的话，则在4天峰值期间，获得81.25tMS/d(以在5天的过程中产生85t)并且在反应器中在接着的10天的过程中获得77.5tMS/d(或者19.4tMM/d)(以在15天的过程中产生80tMS/d)。
因而在4天的过程中可以在返回时处理18.75tMS/d，这对应于大约(MV出口60％)7.5tMM/d。
并且在10天的过程中是22.5tMS/d，这对应于大约9tMM/d。
因而在15天的过程中对于从外部注入的300t MM来说再循环75tMM，即25％的再循环，这意味着在这个15天峰值的过程中，由于再循环的原因并且尽管具有51分钟的减少的水解时间，但污泥将经历51x 1.25＝64分钟的实际水解时间。
因而获得污泥的实际水解，尽管物理时间较短，但该实际水解处于其标称值。
该再循环因而使得能够通过利用水解和消化之间的停留时间的拆解而尽可能长地在它们的标称值下使用这两种装置中的每一种。

Claims (9)

1.处理浆料的方法，尤其是处理净化站污泥的方法，以用于产生能量和/或卫生化的有机物质，包括：
i.浆料的曝气或非曝气热水解步骤，
ii.任选地，步骤i)的经水解浆料的稀释步骤，
iii.步骤i)的经水解浆料或者步骤ii)的经稀释和水解浆料的嗜温或嗜热类型的消化步骤，
iv.由步骤iii)获得的浆料的脱水步骤，以及
v.由步骤iv)获得的经脱水浆料的一部分向热水解步骤i)的再循环步骤。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法还包括用于计算热水解i)或消化步骤ii)或者二者的载荷比率的步骤。
3.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于从步骤iv)获得的经脱水浆料被再循环到热水解步骤i)的部分通过载荷比率来控制，以将其尽可能保持恒定并且接近1。
4.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于该方法还包括在热水解步骤i)之前的注入碱或酸的步骤，以控制消化步骤ii)期间的pH并且提高步骤i)期间的水解。
5.根据权利要求4的方法，其中多个水解反应器在运行，并且对于其来说碱或酸的注入仅在其中的一个反应器中进行，以极大地提高在此反应器中的水解。
6.根据权利要求5的方法，其中接收酸或碱的水解反应器是接收步骤(v)的排出物的反应器。
7.用于实施根据上述权利要求任一项的方法的浆料、尤其是净化站污泥的处理设备，所述设备包括曝气或非曝气热水解装置(13)，其与所述经水解浆料的消化装置(14)连通，所述水解装置连通浆料运送装置(11)和运送来自由消化装置(14)获得的浆料的脱水装置(15)的所述再循环浆料的装置以及来自于所述消化装置(14)的生物气的排放装置(16)。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于该设备包括通过控制来自脱水(15)向热水解(13)的返回量来控制热水解装置(13)或消化装置(14)或者二者的载荷比率的系统(30，31)。
9.根据权利要求7和8任一项的设备，其特征在于该设备包括通过注入碱或酸调节水解反应器中的pH的装置(41)，以改善水解动力学。
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