CN107640876A - 市政污泥高效厌氧生物转化装置及其转化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境工程技术领域，具体涉及一种市政污泥高效厌氧生物转化装置及其转化方法。转化装置包括水热预处理池、预热换热器、冷却调节池、厌氧反应器和污泥沉淀池，所述水热预处理池用于对部分原始污泥进行预先加热，所述水热预处理池底部设置有加热装置，所述水热预处理池内设置有预热搅拌装置；预热换热器接收经水热预处理池预先加热的污泥，并通过这部分预先加热的污泥对其余部分冷污泥进行预加热；厌氧反应器包括罐体，所述罐体内设置有生物膜组件、射流布水装置和射流搅拌装置。本发明实现了市政污泥减量化的同时，去除了污泥中的污染物，同时获得了清洁的沼气，工艺流程简单，运行成本低廉，具有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，具体涉及一种市政污泥高效厌氧生物转化装置及其转化方法，属于市政污泥污泥减量化、资源化和无害化技术。
背景技术
市政污水处理厂产生的剩余污泥中含有大量氮、磷、多种微量元素和有机质等可利用成分也含有毒、有害、难降解的有机物、病原菌、寄生虫(卵)及重金属等，且常伴有恶臭，处置不当会对生态环境和人类造成很大的危害，因此探讨并寻求经济有效的适合我国国情的污泥处置技术，具有重要意义。
厌氧消化具有可以有效地减少污泥体积、稳定污泥的性质、减少污泥恶臭、提高污泥的卫生质量、降低污泥中污染物含量等优点。然而，目前研究发现石化污泥厌氧生化转化效率较低、工艺复杂、且厌氧消化过程对石化污泥中的有机污染物不能有效的降解，核心原因在于缺乏高效的厌氧生物转化装备。
经过对污泥厌氧生物转化相关的方法和装备的相关专利进行检索，其结果如下：专利号CN 103508617 A公布了一种石化污泥减量化的方法及其处理装置，报道将超声与氧化性气体联合预处理污泥，然后对污泥进行厌氧消化处理，该方法可以一定程度上实现污泥的减量化，但是存在着工艺复杂、投资和运行成本高、反应器传质效率不高、污染物降低幅度低等缺点。另有文献报道用超声波预处理，然后厌氧消化进行减量化，该种方法对剩余污泥的处理减量可以达到25％，但石化污泥与普通的城市污泥明显不同，且该种方法对污泥减量化程度略低，对石化污泥不一定适用。李海涛等(2013)研究了厌氧折流板反应器在厌氧消化处理石化剩余污泥的研究，研究发现系统运行不稳定，且生物转化效率低，对有机污染物不能有效的去除。
综上，这些限制因素严重影响了市政污泥的减量化、无害化及资源化利用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种市政污泥高效厌氧生物转化装置，首先采用水热预处理，然后添加富含微生物菌剂的生物膜组件，接着将污泥泵入污泥厌氧生物反应器，最后进行厌氧消化，实现了市政污泥污泥的无害化、减量化和资源化。
为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
市政污泥高效厌氧生物转化装置，包括：
水热预处理池，用于对部分原始污泥进行预先加热，所述水热预处理池底部设置有加热装置，所述水热预处理池内设置有预热搅拌装置；
预热换热器，接收经水热预处理池预先加热的污泥和其余部分冷污泥，并通过预先加热的这部分污泥对其余部分冷污泥进行预加热；
冷却调节池，用于调节预加热后的污泥的温度和流量；
厌氧反应器，用于对调节至合适温度的污泥进行厌氧反应转化，包括罐体，所述罐体内设置有生物膜组件、射流布水装置和射流搅拌装置；
污泥沉淀池，用于厌氧反应转化完后污泥的沉淀。
作为优选，所述加热装置为设置于所述水热预处理池底部且与所述水热预处理池相连通的蒸汽管，运行时直接利用蒸汽对污泥进行加热从而达到污泥温度快速提升。
作为优选，所述预热搅拌装置为平直叶圆盘涡轮搅拌器，在提高水热预处理池的传热效率同时，能够将小颗粒的物料块进行彻底的破碎。
作为优选，所述预热换热器为套管式换热器，经过水热预处理池预先加热后的热污泥走管程，未经过水热预处理池的冷污泥走壳程，通过预热换热器能够较大限度的利用热能，降低运行成本及能源消耗。
作为优选，所述射流搅拌装置包括上端大而下端小呈锥形的第一混合室，所述第一混合室内设置有与喷射装置相连接的喷嘴；所述第一混合室的上端设置有第一污液进口，所述第一混合室的下端连接有第一喉管，所述第一喉管连接有上端小而下端大呈锥形的扩散管。
作为优选，所述射流布水装置包括外端大而内端小亦呈锥形的第二混合室，所述第二混合室内设置有喷射管；所述第二混合室的外端设置有第二污液进口，所述第二混合室的内端连接有第二喉管，所述第二喉管连接有涡旋筒。
作为优选，所述厌氧反应器为全混合式反应器，所述罐体为圆柱形，能够适应较高的固形物冲击，在反应器的内部设置热水盘管以补充反应器的热量。
作为优选，所述污泥沉淀池的底部呈锥形，由于污泥粘度高、流动性差，锥底的锥角最好设计为60°。
本发明还提供了采用以上所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置的转化方法，主要包括如下步骤：
步骤一、污泥热预处理：部分原始污泥经污泥泵输送到水热预处理池中，热预处理过程中，经水热预处理池预加热后的热污泥通过预热换热器对未经水热预处理池的冷污泥进行预加热；
步骤二、污泥冷却调节：经热预处理后的污泥自流流入冷却调节池，调节污泥的温度和流量；
步骤三、厌氧反应转化：冷却至适当温度的污泥泵入厌氧反应器内，在射流搅拌装置作用下，污泥混合液在厌氧反应器内形成上下回流，实现罐内液体混合、中和；在射流布水装置作用下，进一步加剧罐体内原水与活性污泥的混合；厌氧反应器内设置生物膜组件，可大量富集功能微生物菌群，保证厌氧反应器中的微生物数量稳定；厌氧转化过程中产生的沼气进行脱水脱硫后储存，厌氧反应转化后的污泥进入污泥沉淀池沉淀。
作为优选，步骤一中，热预处理温度为70～80℃，处理时间为30～40分钟。
与现有技术相比，本发明具有至少以下有益效果：
(1)工艺流程简单，主要构件是污泥调节池、套管式换热器、水热预处理池、厌氧反应器、污泥沉淀池，结构相对简单，成本相对较低；
(2)污泥预处理在低温70～80℃条件下处理30～40分钟，无需特殊的高温高压的设备，水热处理的设备为普通的钢制缓存罐，因此安全性能高；
(3)厌氧反应器中有富含功能菌群的生物膜组件，该生物膜组件固载菌群能力强，使厌氧生物转化系统运行稳定，耐有机负荷冲击能力强，且可提高市政污泥厌氧生物转化的效率及污染物去除的效率；
(4)厌氧反应器中构建了射流搅拌装置和射流布水装置，混合传质效果好，能耗低，成本低，搅拌效果好；
(5)本工艺污泥停留时间比一般的污泥厌氧工程的停留时间短，产气效率高，能耗低，利于降低运行成本。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的系统结构示意图；
图2是水热预处理池的结构示意图；
图3是厌氧反应器的结构示意图；
图4是射流搅拌装置的结构示意图；
图5是射流布水装置的结构示意图；
图6是污泥沉淀池的结构示意图。
图中：
100-水热预处理池；110-蒸汽管；120-预热搅拌装置；
200-预热换热器；
300-冷却调节池；
400-厌氧反应器；410-罐体；420-射流布水装置；421-第二混合室；422-喷射管；423-第二污液进口；424-第二喉管；425-涡旋筒；430-射流搅拌装置；431-第一混合室；432-喷嘴；433-第一污液进口；434-第一喉管；435-扩散管；
500-污泥沉淀池；510-排放口；
600-压滤机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1至图6所示，市政污泥高效厌氧生物转化装置，包括：
水热预处理池100，用于对部分原始污泥进行预先加热，参考图2，所述水热预处理池100底部设置有加热装置，所述加热装置为设置于所述水热预处理池100底部且与所述水热预处理池100相连通的蒸汽管110，运行时可以直接利用蒸汽对污泥进行加热从而达到污泥温度快速提升；所述水热预处理池100内设置有预热搅拌装置120，本实施例中，所述预热搅拌装置120采用平直叶圆盘涡轮搅拌器，在提高水热预处理池的传热效率同时，能够将小颗粒的物料块进行彻底的破碎；通过对污泥进行水热预处理，使市政污泥细胞破壁，污泥中水溶性有机物大幅度提高，预处理后污泥的胞外多聚物大量释放到液体中，主要为多糖和蛋白质，污泥的可生化性得到了提高；
预热换热器200，接收经水热预处理池100预先加热的污泥和其余部分冷污泥，并通过预先加热的这部分污泥对其余部分冷污泥进行预加热；本实施例中，所述预热换热器200为套管式换热器，且设置有两台，经过水热预处理池100预先加热后的热污泥走管程，未经过水热预处理池的冷污泥走壳程，通过预热换热器200能够较大限度的利用热能，从而降低运行成本及能源消耗；
冷却调节池300，用于调节预加热后的污泥的温度和流量，预热处理完后的污泥通过套管式换热器后自流流入冷却调节池300中；
厌氧反应器400，用于对调节至合适温度的污泥进行厌氧反应转化，为全混合式反应器，参考图3，包括罐体410，所述罐体410为圆柱形，能够适应较高的固形物冲击，在反应器的内部设置热水盘管以补充反应器的热量；所述罐体410内设置有生物膜组件(图中未示出)、射流布水装置420和射流搅拌装置430；参考图4，所述射流搅拌装置430包括上端大而下端小呈锥形的第一混合室431，所述第一混合室431内设置有与喷射装置相连接的喷嘴432；所述第一混合室431的上端设置有第一污液进口433，所述第一混合室431的下端连接有第一喉管434，所述第一喉管434连接有上端小而下端大呈锥形的扩散管435；喷射泵从罐体410底部抽出消化液，压入喷射装置中，从喷嘴432中喷出的液流以15m/s的速度喷入锥形的第一混合室431内，使压力能转换为速度能，在喷嘴出口区形成真空，从而把罐内消化液和液面浮渣一起吸入，两股不等量的介质进入第一混合室431后进行混合，震荡形成吸壁效应，最后在扩散管435把速度能还原成为压力能，从扩散管435出口快速喷出，从而在罐体内形成上下回流，达到罐内液体混合、中和的目的；参考图5，所述射流布水装置420包括外端大而内端小亦呈锥形的第二混合室421，所述第二混合室421内设置有喷射管422；所述第二混合室421的外端设置有第二污液进口423，所述第二混合室421的内端连接有第二喉管424，所述第二喉管424连接有涡旋筒425；进水经喷射管422进入第二喉管424，同时由于负压吸入厌氧水和活性污泥，混合后经涡旋筒425进一步混合形成漩涡，进一步加剧了罐体内原水与活性污泥的混合，提高了厌氧反应效率；厌氧反应器400内设置了生物膜组件，该组件中含有多孔材料，可大量富集功能微生物菌群，保证厌氧反应器中的微生物数量稳定；
污泥沉淀池500，主要用于厌氧反应转化完后污泥的沉淀，便于后续进入压滤机600进行脱水处理；参考图6，污泥沉淀池500上部设置4个排放口510以排放污泥浓缩后的上清液，由于污泥粘度高、流动性差，污泥沉淀池的锥底的锥角取60°；同时污泥沉淀池也可作为污泥脱水调理池，加药的搅拌方式采取污泥循环搅拌的方式。
本发明运行方式如下：
步骤一、污泥热预处理：部分原始污泥经污泥泵泵入预热换热器200(套管式换热器)后流入水热预处理池100中，污泥在低温70～80℃条件下处理30～40分钟，热预处理过程中，经水热预处理池100预加热后的热污泥通过预热换热器200对未经水热预处理池的冷污泥进行预加热；
步骤二、污泥冷却调节：经热预处理后的污泥经过另一个套管式换热器换热后自流流入冷却调节池300，调节污泥的温度和流量；
步骤三、厌氧反应转化：冷却至适当温度的污泥泵入厌氧反应器内，在射流搅拌装置作用下，污泥混合液在厌氧反应器内形成上下回流，实现罐内液体混合、中和；在射流布水装置作用下，进一步加剧罐体内原水与活性污泥的混合；厌氧反应器内设置生物膜组件，可大量富集功能微生物菌群，保证厌氧反应器中的微生物数量稳定；厌氧转化过程中产生的沼气进行脱水脱硫后进入储气罐中储存，厌氧生物转化后的污泥进入污泥沉淀池沉淀，经过脱水后的污泥可作为焚烧、填埋或建筑材料等。
下面根据上述工艺对南京某污水处理厂的剩余污泥进行处理，该污水处理厂的废水采用活性污泥法，污泥经过沉淀池浓缩后含水约4.5％。取约10吨含固率为4.5％的市政污泥，经过测定有机污染物的量严重超标，具有臭味，极难脱水。
南京某市政污泥水热预处理：预处理的温度为70℃，时间为40分钟，水热处理的设备为150L普通的钢制缓存罐；污泥经过水热处理后，污泥中水溶性有机物大幅度提高，污泥的可生化性得到了提高。
中温厌氧生物转化：将水热处理后的石化污泥通过螺杆泵泵入全混合的厌氧反应器中，厌氧反应器的体积为3000L，温度为50度，发酵过程中温度保持恒定，厌氧发酵的周期为15天。厌氧消化过程中对污泥的相关理化性质进行了分析，发现厌氧消化过程中污泥中的有机污染物的含量大幅度降低，发酵结束后多环芳烃降解率达到50％以上，总挥发性固体减量化达50％以上，污泥的脱水性能提高了2.5倍。
沼气脱水脱硫及存贮：污泥厌氧消化后产生的沼气经过脱水脱硫后存贮双模储气柜中，通过沼气锅炉用于反应器的保温，多余的沼气用作其他用途。
本发明实现了市政污泥减量化的同时，去除了污泥中的污染物，同时获得了清洁的沼气，工艺流程简单，厌氧反应装备构造简单，能富集功能微生物，实现污泥与待处理污泥完全混合，成本低廉，具有较大的应用价值。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于，包括：
水热预处理池(100)，用于对部分原始污泥进行预先加热，所述水热预处理池(100)底部设置有加热装置，所述水热预处理池内设置有预热搅拌装置(120)；
预热换热器(200)，接收经水热预处理池(100)预先加热的污泥和其余部分冷污泥，并通过预先加热的这部分污泥对其余部分冷污泥进行预加热；
冷却调节池(300)，用于调节预加热后的污泥的温度和流量；
厌氧反应器(400)，用于对调节至合适温度的污泥进行厌氧反应转化，包括罐体(410)，所述罐体(410)内设置有生物膜组件、射流布水装置(420)和射流搅拌装置(430)；
污泥沉淀池(500)，用于厌氧反应转化完后污泥的沉淀。
2.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述加热装置为设置于所述水热预处理池(100)底部且与所述水热预处理池(100)相连通的蒸汽管(110)。
3.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述预热搅拌装置(120)为平直叶圆盘涡轮搅拌器。
4.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述预热换热器(200)为套管式换热器，经过水热预处理池预先加热后的热污泥走管程，未经过水热预处理池的冷污泥走壳程。
5.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述射流搅拌装置(430)包括上端大而下端小呈锥形的第一混合室(431)，所述第一混合室(431)内设置有与喷射装置相连接的喷嘴(432)；所述第一混合室(431)的上端设置有第一污液进口(433)，所述第一混合室(431)的下端连接有第一喉管(434)，所述第一喉管(434)连接有上端小而下端大呈锥形的扩散管(435)。
6.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述射流布水装置(420)包括外端大而内端小亦呈锥形的第二混合室(421)，所述第二混合室(421)内设置有喷射管(422)；所述第二混合室(421)的外端设置有第二污液进口(423)，所述第二混合室(421)的内端连接有第二喉管(424)，所述第二喉管(424)连接有涡旋筒(425)。
7.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述厌氧反应器(400)为全混合式反应器，所述罐体(410)为圆柱形。
8.如权利要求1所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置，其特征在于：所述污泥沉淀池(500)的底部呈锥形。
9.采用如权利要求1至8任一项所述的市政污泥高效厌氧生物转化装置的转化方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
步骤一、污泥热预处理：部分原始污泥经污泥泵输送到水热预处理池(100)中，热预处理过程中，经水热预处理池预加热后的热污泥通过预热换热器(200)对未经水热预处理池的冷污泥进行预加热；
步骤二、污泥冷却调节：经热预处理后的污泥自流流入冷却调节池(300)，调节污泥的温度和流量；
步骤三、厌氧反应转化：冷却至适当温度的污泥泵入厌氧反应器(400)内，在射流搅拌装置(430)作用下，污泥混合液在厌氧反应器内形成上下回流，实现罐内液体混合、中和；在射流布水装置(420)作用下，进一步加剧罐体内原水与活性污泥的混合；厌氧反应器内设置生物膜组件，可大量富集功能微生物菌群，保证厌氧反应器中的微生物数量稳定；厌氧转化过程中产生的沼气进行脱水脱硫后储存，厌氧反应转化后的污泥进入污泥沉淀池(500)沉淀。
10.如权利要求9所述的转化方法，其特征在于：步骤一中，热预处理温度为70～80℃，处理时间为30～40分钟。
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