CN109437395B - 一种实现城市生活污水厌氧产甲烷的装置和运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现城市生活污水厌氧产甲烷的装置和运行方法，属于废水处理方法领域。包括圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、集气系统、温控系统，圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置下端设有圆锥型的进水区，进水区的上面依次为圆柱型的承托层、滤料层和清水区，先在滤料层上挂膜即污水处理厂污泥消化液；然后控制参数进行运行。充分利用城市生活污水水中的有机物来产生清洁能源—甲烷，实现了污水中资源的回收利用。

Description

一种实现城市生活污水厌氧产甲烷的装置和运行方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理技术，具体是实现城市生活污水厌氧产甲烷的装置和运行方法，尤其是在厌氧生物滤池中实现高效产甲烷的装置和运行方法，适用于城市生活污水的有机物去除及资源回收，有利于经济有效的控制水体COD排放，节省污水处理成本，实现资源的回收利用，属于废水处理方法领域。
背景技术
能源是社会经济发展的基础，同时也是影响社会经济稳步发展及促进人类进步的重要因素。随着全球石化能源的过度开发及消耗，能源的日趋枯竭逐渐引起人们的重视。经济的高速发展伴随着能源需求的持续增长，因此将也加剧对能源的供给需求。尽管我国的经济增长正在放缓且正经历结构转型，但是仍保持着世界上最大的能源消费国、生产国和净出口国的角色。据英国石油公司(BP)发布的《2016年世界能源统计》资料显示，中国的能源消费占全球消费的23％和全球净增长的34％。与此同时，当前及未来较长时期，我国仍需积极应对水资源短缺及水污染问题，传统的污水好氧生物处理系统的高能耗特征是水务行业可持续发展的一大障碍，节能降耗已成为行业新课题。与传统好氧生物处理技术相比，厌氧生物处理技术以高效、低成本为特征，具有绿色化、可资源化的优势，已作为废物(水)处理的一种经济有效的方法被广泛采用，且目前已经从单一的废物(水)处理转移到综合的废物资源回收措施，例如，碳，氮，磷，硫，沼气，生物燃料等。可以预计，由于全球碳减排压力，化石能源替代，养分循环和高效废弃物管理技术创新需求将持续增长。
利用污水高效厌氧产甲烷技术是目前厌氧生物处理技术研究的热点之一，甲烷是清洁能源(天然气，煤层气和页岩气)的主要成分，因此，产甲烷菌厌氧产甲烷的研究对清洁能源的开发利用有重要的指导和实践意义。由于厌氧微生物生长缓慢，且对温度等环境因素要求较为严格，因此目前，针对厌氧生物处理技术的应用主要集中于高浓度有机废水，但有研究表明厌氧生物处理不仅可以处理中高浓度有机废水，而且具有处理低浓度有机废水的可行性。据住建部资料显示，2016年，我国的城市污水年处理量为448.8亿立方米，且在未来一段时间将保持6％的年增量。因此，探究如何在常温下实现低浓度城市生活污水高效厌氧产甲烷，对解决实际生活污水厌氧生物处理具有一定的指导意义。
自上世纪70年代以来，生物膜工艺成为广大研究者和工程师们的研究热点。生物滤池属于生物膜工艺的一种，发展于19世纪末期。厌氧生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，其内部填充固体填料，游离态的微生物及悬浮物通过吸附作用附着在固体填料表面,形成厌氧生物膜。其最大特点是集有机物去除和截留悬浮固体于一体，在保证处理效果的前提下简化了工艺流程。此外，厌氧生物滤池工艺无需曝气，不需要专门的搅拌设备，装置简单，自身能耗低；微生物菌体停留时间长，生物量浓度高，可获得较高的有机负荷，耐冲击负荷能力较强，稳定性好；生物膜结构蓬松，比表面积大，有机物分解利用效率高。因此研究厌氧生物滤池高效产甲烷的快速实现方法及稳定性问题具有重要的理论意义和应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速实现城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷的装置及运行方法，通过施加各种有利于实现厌氧生物滤池高效产甲烷的调控方法，给出最优的环境控制参数，达到快速实现厌氧生物滤池高效产甲烷的效果。
本发明的技术方案是：
一种快速实现城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷的装置，其特征在于，包括圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、集气系统、温控系统，圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置(5)下端设有圆锥型的进水区，进水区的上面依次为圆柱型的承托层、圆柱型的滤料层和圆柱型的清水区，厌氧反应装置(5)的上端为出水槽(8)，出水槽(8)上设有出气口(12)，出气口(12)通过湿式气体流量计(13)和集气袋(14)连接；在滤料层的底部装有压力表(4)，在滤料层侧面部分设有多个(如6个)取样口(11)；进水系统为：依次通过进水箱(1)、进水管(2)、蠕动泵(3)、阀门与圆锥型进水区连通；圆柱型清水区的顶部依次通过出水槽(8)、出水管(15)与出水箱/反冲洗进水箱(18)连通；出水箱/反冲洗进水箱(18)依次通过反冲洗水泵(16)、转子流量计(17)、阀门与圆锥型进水区部分连通；出水槽(8)同时通过反冲洗出水管(9)与反冲洗出水箱(10)连通；温控装置(7)通过加热带(6)调节反应装置温度。
滤料层的滤料粒径为3-5mm。在滤料层侧面部分每20cm高度设置一个取样口，共设置6个取样口(11)。
在进行产甲烷前在滤料层挂膜挂污泥消化液的菌膜。
上述城市生活污水厌氧生物滤池厌氧产甲烷装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)启动阶段：系统种泥采用实际污水处理厂污泥消化液，其初始SS为10g/L,通过蠕动泵依次从滤料层侧面的各个取样口泵入到反应器中，使其均匀分布于滤料层，打开进水系统的阀门，生活污水通过蠕动泵从圆锥型进水区部分泵入反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在35±1℃，出水重新泵入反应器中，进入循环挂膜阶段；此阶段连续监测系统中DO、pH和ORP，以24h为一周期，24h后换污水进入下一个周期；如此往复7天，之后采用连续流的方式进水，进入到正常运行阶段；
2)正常运行阶段：打开进水系统的阀门，然后打开进水蠕动泵，调节蠕动泵转速，将待处理的城市生活污水由圆锥型进水区连续进入到圆柱型部分，通过滤料层，在微生物(发酵细菌)作用下，包括多糖、蛋白质、脂类、淀粉、纤维素、烃类等中的一种或几种的复杂有机物进行水解和发酵，其中多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨；脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类；然后，在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的上一阶段产生的中间产物，如脂肪酸(丙酸、丁酸)和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸和H2/CO2；最后，产甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)等基质通过不同的路径转化为甲烷，出水从出水槽流经出水管排至出水箱中，气体从上部出气口经湿式气体流量计进入集气袋中；此运行阶段，通过加热带和温控装置控制反应器内温度为35±1℃，同时系统pH值控制在6.8-7.8；
3)水力停留时间(HRT)优化阶段：反应器正常稳定运行后，测定每日进出水COD浓度变化，并测定沿程COD浓度及中间产物VFA的变化，确定COD及VFA的降解区域，若COD与VFA降解只在滤料层下部发生，则通过提高进水蠕动泵转速缩短反应器的HRT，HRT可以从24h调整为2.5h中的任意时间长度，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化；每改变一次运行条件，须反应器处理效果稳定后在进行下一阶段；
4)温度驯化阶段：水力停留时间(HRT)优化阶段结束后得到最佳的HRT参数，然后逐渐降低温度直至室温，如依次为30℃、25℃至室温，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化，当微生物逐渐适应低温条件后，出水COD浓度与甲烷产量与改变温度前相当，视为系统达到稳定状态，可进行下一阶段降温。
5)继续以调整后的水力停留时间(HRT)和温度驯化阶段后的条件进行城市生活污水厌氧生物滤池厌氧产甲烷化。
城市生活污水高效厌氧产甲烷的实现条件在本质上是产甲烷菌菌群结构的优化，即尽可能的使产甲烷菌适应低COD浓度的环境，并逐步实现室温条件下的高效稳定运行。
本发明所提供的快速实现城市生活污水厌氧生物滤池厌氧产甲烷的装置和运行方法是提供最有利于产甲烷菌生长富集的环境条件，提高产甲烷菌生长速率，逐步驯化，使其适应室温低COD浓度的生长环境，具体包括：
1)系统初始运行温度控制在35±1℃，利于产甲烷菌的生长和富集。产甲烷菌在35℃和55℃条件下生长速率最快，因此维持系统初始运行温度在35±1℃，有利于产甲烷菌生长和富集，待系统稳定运行后再逐步将温度降至室温。
2)采用更适应生活污水的种泥启动，有利于低COD浓度下产甲烷菌的生长和富集。采用实际污水处理厂污泥消化液作为系统种泥，该种泥长期处于生活污水环境下，更适应低COD环境，更有利于系统的启动及低COD浓度下产甲烷菌的生长和富集。
3)系统基本控制无氧条件下，有利于富集产甲烷菌。产甲烷菌是严格厌氧菌，在有分子氧的条件下会对其产生抑制，因此在系统运行过程中保持反应器的密闭，严格控制溶解氧浓度在0.01mg/L以下。长期在此条件下运行，有利于富集产甲烷菌。
4)系统pH值控制在6.8-7.8范围内，有利于富集产甲烷菌。产甲烷菌的最适pH范围为6.5-7.5，因此长期在这种条件下运行，有利于产甲烷菌的富集。
本发明的城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷的装置与运行方法同现有的处理城市生活污水的处理技术相比，具有下列优点：
1)节能降耗效果好。污水处理厂的大部分费用用于电耗及药耗，然而厌氧产甲烷技术是在厌氧条件下将有机物转化为甲烷，无需曝气，节省了有机物去除阶段的曝气能耗，即降低了电耗，使污水处理厂的能耗降低。
2)可资源回收利用。由于该装置和方法充分利用城市生活污水水中的有机物来产生清洁能源—甲烷，实现了污水中资源的回收利用。
3)可靠性高。厌氧生物滤池抗冲击负荷能力强，无污泥膨胀问题，停止运行后，微生物不会流失，在启动几天内即可恢复到正常处理水平。
4)基建费用和运行费用低。厌氧生物滤池的基建费用和运行费用大大低于传统常规二级处理技术的费用。
5)流程简单。厌氧生物滤池集过滤、生物吸附和有机物去除于一体，可同时起到二沉池和砂滤池的作用，将物理截留和生物处理在同一反应器中完成。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1进水箱；2进水管；3蠕动泵；4压力表；5圆柱型+圆锥型反应装置；6加热带；7温控装置；8出水槽；9反冲洗出水管；10反冲洗出水箱；11取样口；12出气口；13湿式气体流量计；14集气袋；15出水管；16反冲洗水泵；17转子流量计；18出水箱/反冲洗进水箱
图2为本发明实施例中实验过程处理效果图；
图3为本发明实施例中实验过程中甲烷产量图；
图4为本发明实施例稳定实验过程中沿程(即包含不同高度取样点的)污染物变化。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明做说明：
实施例：
参见附图，快速实现城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷的装置：设有圆柱型和圆锥型结合的反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、集气系统、温控系统。圆柱型和圆锥型结合的反应装置(5)设有圆锥型的进水区，圆柱型的承托层、滤料层和清水区以及出水槽(8)，出水槽(8)上设有出气口(12)，圆柱型反应器部分设有滤料层，并且在滤料层的底部装有压力表(4)，在反应器的滤料层部分设有6个取样口(11)；进水系统通过进水箱(1)、进水管(2)、蠕动泵(3)、阀门与圆锥型进水区连通；圆柱型反应器的顶部通过出水槽(8)、出水管(15)与出水箱/反冲洗进水箱(18)连通；出水箱/反冲洗进水箱(18)通过反冲洗水泵(16)、转子流量计(17)、阀门与圆锥型反应器部分连通；出水槽(8)通过反冲洗出水管(9)与反冲洗出水箱(10)连通；温控装置(7)通过加热带(6)调节反应装置温度。
反应器滤料层所用滤料粒径为3-5mm。
城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷装置的运行方法，以北京工业大学家属院实际生活污水外加葡萄糖作为实验对象：COD＝350mg/L，pH＝6.8-7.8，温度35±1℃，所选择的厌氧生物滤池有效容积为12.5L，运行方法按以下步骤完成：
1)启动阶段：将取自实际污水处理厂的污泥消化液混匀，其初始SS为10g/L,通过蠕动泵依次从各个取样口泵入到反应器中，使其均匀分布于滤料层，打开进水阀门，生活污水通过蠕动泵从圆锥型反应器部分泵入反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在35±1℃，出水通过进水泵重新泵入反应器中，进入循环挂膜阶段。此阶段连续监测系统中DO和pH，以24h为一周期，24h后换污水进入下一个周期，此时，上升流速为0.042m/h，有机负荷(OLR)为0.35Kg/(m3·d)。如此往复7天，之后采用连续流的方式进水，进入到正常运行阶段。
2)正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开进水蠕动泵，调节蠕动泵转速，将待处理的城市生活污水由圆锥型底部连续进入到厌氧生物滤池中，通过滤料层，在微生物(发酵细菌)作用下，复杂有机物(如多糖、淀粉、纤维素、烃类等)进行水解和发酵。多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨；脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。然后，在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如脂肪酸(丙酸、丁酸)和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸和H2/CO2。最后，产甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)等基质通过不同的路径转化为甲烷，出水从出水槽流经出水管排至出水箱中，气体从上部出气口经湿式气体流量计进入集气袋中。此运行阶段，通过加热带和温控装置控制反应器内温度为35±1℃；初期HRT为24h，有机负荷(OLR)为0.35Kg/(m3·d)，运行稳定后，逐步缩短HRT至18h、12h、6h、4h，对应有机负荷(OLR)分别为0.47Kg COD/(m3·d)、0.7Kg COD/(m3·d)、1.4Kg COD/(m3·d)、2.1Kg COD/(m3·d)。
3)水力停留时间(HRT)优化阶段：反应器稳定运行后，根据滤池沿程COD浓度及中间产物VFA浓度变化调整水力停留时间。通过提高进水蠕动泵转速缩短反应器的HRT，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化。每改变一次运行条件，须反应器处理效果稳定后在进行下一阶段。
4)温度驯化阶段：水力停留时间(HRT)优化阶段结束后得到最佳的HRT参数，然后逐渐降低温度为30℃、25℃至室温，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化。每改变一次运行条件，须反应器处理效果稳定后在进行下一阶段。
采用上述工艺的处理效果，见图2-4。

Claims (6)

1.一种快速实现城市生活污水厌氧生物滤池高效产甲烷的方法，其特征在于，采用的装置包括圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、集气系统、温控系统，圆柱型和圆锥型结合的厌氧反应装置(5)下端设有圆锥型的进水区，进水区的上面依次为圆柱型的承托层、圆柱型的滤料层和圆柱型的清水区，厌氧反应装置(5)的上端为出水槽(8)，出水槽(8)上设有出气口(12)，出气口(12)通过湿式气体流量计(13)和集气袋(14)连接；在滤料层的底部装有压力表(4)，在滤料层侧面部分设有多个取样口(11)；进水系统为：依次通过进水箱(1)、进水管(2)、蠕动泵(3)、阀门与圆锥型进水区连通；圆柱型清水区的顶部依次通过出水槽(8)、出水管(15)与出水箱/反冲洗进水箱(18)连通；出水箱/反冲洗进水箱(18)依次通过反冲洗水泵(16)、转子流量计(17)、阀门与圆锥型进水区部分连通；出水槽(8)同时通过反冲洗出水管(9)与反冲洗出水箱(10)连通；温控装置(7)通过加热带(6)调节反应装置温度；
具体方法包括以下步骤：
1)启动阶段：系统种泥采用实际污水处理厂污泥消化液，其初始SS为10g/L,通过蠕动泵依次从滤料层侧面的各个取样口泵入到反应器中，使其均匀分布于滤料层，打开进水系统的阀门，生活污水通过蠕动泵从圆锥型进水区部分泵入反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在35±1℃，出水重新泵入反应器中，进入循环挂膜阶段；此阶段连续监测系统中DO、pH和ORP，以24h为一周期，24h后换污水进入下一个周期；如此往复7天，之后采用连续流的方式进水，进入到正常运行阶段；
2)正常运行阶段：打开进水系统的阀门，然后打开进水蠕动泵，调节蠕动泵转速，将待处理的城市生活污水由圆锥型进水区连续进入到圆柱型部分，通过滤料层，在微生物发酵细菌作用下，包括多糖、蛋白质、脂类、淀粉、纤维素、烃类中的一种或几种的复杂有机物进行水解和发酵，其中多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨；脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类；然后，在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的上一阶段产生的中间产物水溶性小分子转化为乙酸和H2/CO2；最后，产甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和H2+CO2基质通过不同的路径转化为甲烷，出水从出水槽流经出水管排至出水箱中，气体从上部出气口经湿式气体流量计进入集气袋中；此运行阶段，通过加热带和温控装置控制反应器内温度为35±1℃，同时系统pH值控制在6.8-7.8；
3)水力停留时间(HRT)优化阶段：反应器正常稳定运行后，测定每日进出水COD浓度变化，并测定沿程COD浓度及中间产物VFA的变化，确定COD及VFA的降解区域，若COD与VFA降解只在滤料层下部发生，则通过提高进水蠕动泵转速缩短反应器的HRT，HRT可以从24h调整为2.5h中的任意时间长度，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化；每改变一次运行条件，须反应器处理效果稳定后在进行下一阶段；
4)温度驯化阶段：水力停留时间(HRT)优化阶段结束后得到最佳的HRT参数，然后逐渐降低温度直至室温，调整后检测进出水COD浓度变化和甲烷产量变化，当微生物逐渐适应低温条件后，出水COD浓度与甲烷产量与改变温度前相当，视为系统达到稳定状态，进行下一阶段降温；
5)继续以调整后的水力停留时间(HRT)和温度驯化阶段后的条件进行城市生活污水厌氧生物滤池厌氧产甲烷化。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，严格控制整个厌氧反应装置溶解氧浓度在0.01mg/L。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，pH范围为6.5-7.5。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，滤料层的滤料粒径为3-5mm。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在滤料层侧面部分每20cm高度设置一个取样口，共设置6个取样口(11)。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行产甲烷前在滤料层挂膜挂污泥消化液的菌膜。
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Anaerobic treatment of rice winery wastewater in an upflow filter packed with steel slag under different hydraulic loading conditions;Yeadam Jo 等;《Bioresource Technology》;第第193卷卷;第53–60页第1-4节 *

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CN109437395A (zh) 2019-03-08

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