CN109912150B - 一种厌氧干化处理剩余活性污泥的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厌氧干化处理剩余活性污泥的工艺方法，所述工艺方法首先将剩余活性污泥送入均化槽中，然后向均化槽中加入处理剂，加药处理后的污泥送入热水解反应器，经热水解处理后的污泥进入污泥厌氧发酵罐进行高温厌氧制气，沼气回收，厌氧后污泥送入污泥脱水机进行脱水，所得的脱水泥饼经成型干化得到干化污泥。本发明方法可以将剩余污泥的含水率降为15%以下，大大降低污泥体积，干化能耗自给，干化污泥可作为进一步资源化原料或焚烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种剩余活性污泥处理方法，尤其涉及一种剩余污泥的厌氧干化处理方法。
背景技术
由于活性污泥法的经济有效，现已成为许多污水处理厂首选的污水处理技术。在污水活性污泥法处理过程中，活性污泥中多种微生物去除了污水中的有机污染物和悬浮固体污染物，将其分解成水、二氧化碳和微小的絮状悬浮物。完成污水处理的多余活性污泥连同其附着的悬浮物可以通过沉降分离排出污水系统之外成为剩余活性污泥。因此，剩余活性污泥中除了含有水分、有机物之外还含有大量寄生虫卵、病原菌、重金属等有毒有害物质，并伴有恶臭气体逸出，不经处理将对环境造成二次污染。
现有剩余污泥处理方法较多，与其他处理技术相比，采用厌氧消化处理技术不但可以实现污泥的无害化、稳定化、并且发酵产生的沼气还可以用于干化等处理的能源供给。现有厌氧技术较为成熟，但大多存在池体体积庞大，池内的停留时间过长，操作管理复杂，产气效率低，产气中甲烷含量低等问题。污泥的可生化降解性较差主要是因为污泥细胞壁的作用，使得生物稳定化处理效果不显著，但微生物体内含有大量可生物降解的有机基质，因此若将细胞壁进行破碎，将细胞内有机物释放出来，便能显著提高污泥的可生化性，实现剩余活性污泥的高效处理。
热水解破壁处理即在热力和压力的作用下，使污泥中有机高分子结构、胶状体等固相物质的持水结构遭到破坏，使污泥由初始的粘稠固态转化为流动性极强的泥浆。另外，高温热水解处理可彻底杀灭污泥中的细菌和病原体，实现污泥的无害化。经热水解处理后，污泥的持水结构被破坏，污泥中的结合水被释放出来，脱水性能大为改善，为后续脱水处理创造有利条件；同时，污泥所含的微生物解体，微生物细胞的有机质充分释放出来并进一步水解，污泥中固体有机物的溶解和水解使污泥的厌氧消化性能大为改善，为后续的厌氧消化处理创造有利条件。
污泥干化技术可以实现剩余污泥减量化，并可作为其他污泥资源化处理提供基础。污泥干化是将污泥中的水分通过加热蒸发而去除，干化后的污泥含水率显著降低，占地面积大大减小。近年来污泥低温干化技术得到了很好的发展和应用，已成为一种主导干化技术，具有能耗低、过程安全无爆炸风险，避免有机物大量挥发减少恶臭等优点。结合丰富太阳能资源，污泥低温干化技术的研究方向将重点集中在太阳能与热泵联合干化技术。在实际应用中，重点研究提高太阳能集热系统集热效益，发展蓄热技术等方面。
徐慧敏等（环境工程学报，2017年第11卷第5期，3073-3078）报道了“超声联合碱解预处理对剩余污泥破解和厌氧消化的影响”，对比研究了单独超声、单独碱解和两者联合预处理对污泥破解和厌氧消化性能的影响。以加碱量和输入能量为控制参数，研究了不同条件下的污泥破解和有机物溶解变化。结果表明: 联合预处理技术对污泥破解和有机质溶解的效果比超声和碱解单独作用之和更好。污泥破解增加值ΔSCOD/TCOD 和加碱量之间存在显著的线性关系。超声和碱解联合预处理对污泥厌氧消化产甲烷量较原泥增加了16.57%～31. 13%。但是，超声处理在工业应用上可能存在能耗高投资大等问题。
CN201510695427.2公开了一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法，包括：将脱水污泥配制成固体浓度TS＝7％～9％的污泥，按照0.01g/g.TS的浓度加入氧化钙粉末，搅拌均匀；然后倒入槽式超声发生器中进行超声处理，超声频率为20kHz，功率密度为0.15kW/L，处理时间为30min。经过上述预处理的污泥，污泥中溶解性COD浓度和溶解性多糖浓度比未经预处理的污泥有大幅度的增加，且pH值在7.6左右，可直接投入到厌氧反应中进行发酵产甲烷，进行厌氧发酵反应25d，其甲烷累积产率比未经处理时提高55.1％。该发明操作简单、节省药剂量和能耗，不会对后续处理与处置产生影响，同时提高了污泥产气性能、缩短厌氧反应周期。但是该发明采用的超声波装置存在投资费用高，处理成本高等风险，较难大规模应用于我国剩余污泥预处理的现状。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种厌氧干化处理剩余活性污泥的工艺方法。该方法采用药剂调理和热水解技术对污泥进行预处理，加快厌氧过程段的产气速率，产生的沼气作为多层网带式低温干化箱加热空气的热源，实现能量自给。
本发明提供一种厌氧干化处理剩余活性污泥的工艺方法，所述工艺方法包括如下内容：
（1）使用均化槽，其用于接收剩余活性污泥和处理剂，处理后得到第1料流，其中所述处理剂包括青霉素、二氯二甲基海因和氯化铝；
（2）使用热水解反应器，其用于接收饱和蒸汽和来自均化槽预处理后的第1物料流，处理后得到第2料流；
（3）使用厌氧发酵罐，其用于接收厌氧颗粒污泥和来自热水解反应器的第2料流，处理后得到沼气和第3料流；
（4）使用污泥脱水机，其用于接收来自步骤（3）得到的第3料流，第3料流经脱水处理后得到第4料流和污水；
（5）使用成型机，其用于接收并处理来自步骤（4）得到的第4料流，经成型机处理后，得到成型污泥；
（6）使用干燥装置，其用于接收来自步骤（5）得到的成型污泥，处理后得到含水率小于15%的干化污泥。
本发明工艺方法中，步骤（1）中所述青霉素的加入量与步骤（1）中所述的剩余活性污泥固含物的重量比为1:300～1:20；二氯二甲基海因的加入量与步骤（1）中所述的剩余活性污泥固含物的重量比为1:500～1:100；氯化铝的加入量与步骤（1）中所述的剩余活性污泥固含物的重量比为1:500～1:50。
本发明工艺方法中，步骤（2）所述热解反应器通入1.0MPa饱和蒸汽和步骤（1）处理后的污泥，污泥温度达120～150℃时停止，反应时间20～40min。本发明工艺方法中，步骤（3）所述厌氧发酵罐是一个带有搅拌及加热功能的反应罐，反应温度控制在54.5～55.5℃，并装有产气计量及收集系统。本发明工艺方法中，步骤（3）中所述厌氧颗粒污泥的加入量为步骤（1）处理后的剩余活性污泥体积的1/8～1/4。所述厌氧颗粒污泥可以是各类正常发酵的厌氧污泥或各类商品化的沼气发酵菌剂。本发明工艺方法中，步骤（1）所述均化槽具有搅拌功能，物料在均化槽内作用时间为10～20min。本发明工艺方法中，步骤（4）所述污泥脱水机可以是离心脱水机、板框压滤机、叠式污泥脱水机、带式压滤机中的一种或几种。本发明工艺方法中，步骤（5）所述破壁脱水后的污泥经成型机挤成条状，所述条状污泥的直径为2～8mm。本发明工艺方法中，步骤（6）所述成型后的污泥经输送带进入干燥装置，所述干燥装置为多层网带式低温干化箱，所述干化箱内置多层可独立、且水平转动的网带，为载气与污泥提供能够充分接触的空间，污泥在网带上水平运动，与垂直流动的空气形成错流，空气能够从污泥中穿越过去，形成良好的对流接触干燥条件，能够提高脱水效率，促进污泥快速脱水。当成型后的污泥自上而下经过层层网带时便经过了干化处理。所述多层网带式低温干化箱将空气经加热后作为干化箱的干化载气，所述加热空气的方式采用太阳能加热器加热，或者直接利用步骤（3）中得到的沼气作为加热介质加热空气，加热后的干化载气温度≥60℃，湿度＜10%，载气量300～1000m3/h，污泥在箱内停留时间约为1～6h。本发明工艺方法中，步骤（1）所述的处理剂中还可以加入助剂B，所述助剂B为N-烷基甜菜碱、N-长链酰基亚烷基甜菜碱、N-长链硫代羧酸型甜菜碱中的一种或几种。所述助剂B的加入量与步骤（1）中所述的剩余活性污泥固含物的重量比为1:1000～1:200。本发明工艺方法中，步骤（6）得到的干化污泥可以进一步资源化处理或焚烧，干化过程产生的尾气由引风机引入尾气装置处理后排空，所述尾气处理装置可以为超重力尾气处理装置。
与现有技术相比，本发明处理方法具有如下特点：
1、本发明工艺方法中，处理剂中的青霉素可以抑制肽聚糖复合物的交叉连接，使细胞壁的合成受阻，通过处理剂中各组分的协同作用，可以加剧活性污泥中微生物细胞膜的破裂使细胞内含物更迅速的释放，从而实现细胞破碎的目的。尤其是氯化铝的加入，可以保持青霉素的活性和稳定性，而且通过氯化铝的加入，使得处理剂体系的临界胶束浓度降低，可以加快破壁速率，通过加入助剂B，与处理剂共同使用，可以进一步提高破壁效率，减少处理剂用量。
2、本发明工艺方法中，经处理剂处理后的污泥进行热水解处理，不仅能进一步加强污泥破壁效果，同时减少处理剂的用量。处理剂的使用也使热水解温度降低，处理时间减少，节省处理能耗。经处理剂和热水解的协同作用，可以使污泥细胞壁破裂，污泥VSS大幅下降，SCOD大大增加，污泥中可被利用的有机物大量溶出，提高后续厌氧消化性能，增加产气量。
3、本发明方法中，对破壁后的污泥进行厌氧消化制气。在有机物厌氧生物降解的过程中，水解过程通常比较缓慢，是整个厌氧制气过程的限速步骤。剩余污泥中的大部分有机物存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一个稳定的半刚性结构，属于难降解的惰性物质。对污泥微生物细胞进行破壁可以使细胞内含物溶出，进入水相，在胞外酶的作用下快速水解为小分子化合物，加快厌氧消化速率，提高产气量。厌氧消化过程不仅能够实现污泥减量化无害化还可以回收沼气，作为干化过程能源。
4、本发明方法中，对厌氧消化后的污泥进行脱水后通过挤条机挤成条状。通过挤条成形，有利于分散和均布污泥，减小污泥内水分脱除阻力。
5、本发明中的干化箱通过厌氧段收集的沼气作为能源加热空气，经加热后的空气引作干化箱的低温干化载气，充分利用了自身生产的沼气，无需利用外部能量。该干化箱内置多层可独立、且水平转动的网带结构，为载气与污泥提供能够充分接触的空间。污泥在网带上水平运动，与垂直流动的空气形成错流，空气能够从污泥中穿越过去，形成良好的对流接触干燥条件，能够提高脱水效率，形成快速脱水机制。当成型后的污泥自上而下经过层层网带时便经过了干化处理。该干化箱无需引入其他热源，能耗低，低温处理不会引起粉尘爆炸等危险，污泥组分挥发少。干化后污泥含水率降至15%以下。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不因此限制本发明。
实施例1
以某污水处理场剩余污泥为例说明本发明具体实施例。向200kg该种含水率为96.5%的剩余污泥中加入0.35%TS污泥（TS为污泥总固体含量）的青霉素和0.2%TS污泥的二氯二甲基海因，并加入0.2%TS污泥的氯化铝，搅拌反应10min后加入热水解反应器，通入1.0MPa饱和蒸汽至污泥温度达120℃，反应30min进行破壁处理，破壁后污泥VSS削减率为33.81%，SCOD增加值原污泥的33.11倍。破壁后污泥通入厌氧发酵罐，加入1/6剩余污泥体积的厌氧颗粒污泥进行厌氧消化。控制温度55℃，经厌氧消化15d，累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了48.32%。消化后污泥进行离心脱水，污泥脱水后含水率降至58.1%，将污水排入污水处理场生化单元进行进一步处理，脱水后泥饼进入压滤机压制成4mm条状污泥经输送带进入多层网带式低温干化箱，空气作为干化载气经厌氧发酵罐过程产生的沼气作为能源加热至60℃，干化箱内湿度为8%，载气量800m3/h，污泥在箱内停留时间为3h，干燥后污泥含水率降至12.3%。
实施例2
与实施例1原料及工艺相同，不同之处为向该种剩余污泥中加入2%TS污泥的青霉素和0.6%TS污泥的二氯二甲基海因，并加入1%TS污泥的氯化铝，其他条件同实施例1，热水解温度140℃，反应20min，破壁后污泥VSS削减率为45.96%，SCOD增加值原污泥的42.97倍。破壁后污泥通入厌氧发酵罐，加入1/6剩余污泥体积的厌氧颗粒污泥进行厌氧消化。经厌氧消化12d，厌氧消化的累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了53.21%。消化后污泥进行离心脱水，污泥脱水后含水率降至56.8%，将污水排入污水处理场生化单元进行进一步处理，脱水后泥饼进入压滤机压制成3mm条状污泥经输送带进入多层网带式低温干化箱，空气作为干化载气经厌氧发酵罐过程产生的沼气作为能源加热至60℃，干化箱内湿度为7%，载气量700m3/h，污泥在箱内停留时间为2h，干燥后污泥含水率降至11.1%。
实施例3
与实施例1原料及工艺相同，不同之处为向该种剩余污泥中加入5%TS污泥的青霉素和1%TS污泥的二氯二甲基海因，并加入2%TS污泥的氯化铝，其他条件同实施例1，热水解温度150℃，反应40min，破壁后污泥VSS削减率为54.96%，SCOD增加值原污泥的49.97倍。破壁后污泥通入厌氧发酵罐，加入1/6剩余污泥体积的厌氧颗粒污泥进行厌氧消化。经厌氧消化12d，厌氧消化的累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了57.21%。消化后污泥进行离心脱水，污泥脱水后含水率降至52.8%，将污水排入污水处理场生化单元进行进一步处理，脱水后泥饼进入压滤机压制成2mm条状污泥经输送带进入多层网带式低温干化箱，空气作为干化载气经厌氧发酵罐过程产生的沼气作为能源加热至60℃，干化箱内湿度为8%，载气量900m3/h，污泥在箱内停留时间为2h，干燥后污泥含水率降至9.5%。
实施例4
与实施例1原料及工艺相同，不同之处为向该种剩余污泥中加入3%TS污泥的青霉素和0.8%TS污泥的二氯二甲基海因，并加入1.5%TS污泥的氯化铝和0.5%TS污泥的十二烷基甜菜碱，其他条件同实施例1，热水解温度150℃，反应40min，破壁后污泥VSS削减率为59.61%，SCOD增加值原污泥的53.73倍。破壁后污泥通入厌氧发酵罐，加入1/6剩余污泥体积的厌氧颗粒污泥进行厌氧消化。经厌氧消化12d，厌氧消化的累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了60.21%。消化后污泥进行离心脱水，污泥脱水后含水率降至50.1%，将污水排入污水处理场生化单元进行进一步处理，脱水后泥饼进入压滤机压制成2mm条状污泥经输送带进入多层网带式低温干化箱，空气作为干化载气经厌氧发酵罐过程产生的沼气作为能源加热至60℃，干化箱内湿度为8%，载气量900m3/h，污泥在箱内停留时间为2h，干燥后污泥含水率降至8.4%。
对比例1
所选污泥组成同实施例4的剩余污泥原料，所选处理工艺同实施例4，但是没有加入氯化铝和表面活性剂，即向该种剩余污泥中加入3%TS污泥的青霉素和0.8%TS污泥的二氯二甲基海因，其他条件同实施例4，破壁后污泥VSS削减率为9.7%，SCOD增加值原污泥的15.07倍。经厌氧消化18d，累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了16.11%，消化后污泥进行离心脱水，污泥脱水后含水率为64.83%，经过实施例1的工艺处理后，干燥后的剩余污泥含水率降至20.47%。
对比例2
所选污泥组成同实施例4的剩余污泥原料，所选处理工艺同实施例4，但是没有加入青霉素和表面活性剂，即仅向该种剩余污泥中加入0.8%TS污泥的二氯二甲基海因和1.5%TS污泥的氯化铝，破壁后污泥VSS削减率为6.03%，SCOD增加值原污泥的8.9倍。经厌氧消化20d，累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了9.32%，消化后污泥进行离心脱水，脱水后污泥含水率为73.9%，经过实施例1的工艺处理后，干燥后的剩余污泥含水率降至28.7%。
对比例3
所选污泥组成同实施例4的剩余污泥原料，所选处理工艺同实施例4，但是没有加入二氯二甲基海因和表面活性剂，即仅向该种剩余污泥中加入3%TS污泥的青霉素和1.5%TS污泥的氯化铝，破壁后污泥VSS削减率为6.03%，SCOD增加值原污泥的10.5倍。经厌氧消化20d，累计产甲烷量比原泥直接厌氧消化提高了12.91%，消化后污泥进行离心脱水，脱水后污泥含水率为70.6%，经过实施例1的工艺处理后，干燥后的剩余污泥含水率降至26.2%。
Claims (16)
1.一种厌氧干化处理剩余活性污泥的工艺方法，所述工艺方法包括如下步骤：
(1)使用均化槽，其用于接收剩余活性污泥和处理剂，处理后得到第1料流，其中所述处理剂包括青霉素、二氯二甲基海因和氯化铝；
(2)使用热水解反应器，其用于接收饱和蒸汽和来自均化槽预处理后的第1物料流，处理后得到第2料流；
(3)使用厌氧发酵罐，其用于接收厌氧颗粒污泥和来自热水解反应器的第2料流，处理后得到沼气和第3料流；
(4)使用污泥脱水机，其用于接收来自步骤(2)得到的第3料流，第3料流经脱水处理后得到第4料流和污水；
(5)使用成型机，其用于接收并处理来自步骤(3)得到的第4料流，经成型机处理后，得到成型污泥；
(6)使用干燥装置，其用于接收来自步骤(4)得到的成型污泥，处理后得到含水率小于15％的干化污泥。
2.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(1)中所述青霉素的加入量与步骤(1)中所述的剩余活性污泥固含物的重量比为1:300～1:20。
3.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(1)中所述二氯二甲基海因的加入量与步骤(1)中剩余活性污泥固含物的重量比为1:500～1:100。
4.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(1)中所述氯化铝的加入量与步骤(1)中剩余活性污泥固含物的重量比为1:500～1:50。
5.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(1)所述的处理剂中加入助剂B，所述助剂B为N-烷基甜菜碱、N-长链酰基亚烷基甜菜碱、N-长链硫代羧酸型甜菜碱中的一种或几种。
6.按照权利要求5所述的工艺方法，其中，所述助剂B的加入量与步骤(1)中剩余活性污泥固含物的重量比为1:1000～1:200。
7.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(2)中，向热水解反应器中通入1.0MPa饱和蒸汽至污泥温度为达120～150℃后停止蒸汽加入并反应20～40min。
8.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(3)所述厌氧发酵罐是一个带有搅拌及加热功能的反应罐，反应温度控制在55±0.5℃，并装有产气计量及收集系统。
9.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(3)中所述厌氧颗粒污泥的加入量为步骤(1) 处理后的剩余活性污泥体积的1/8～1/4。
10.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(3)中所述厌氧颗粒污泥是各类正常发酵的厌氧污泥或各类商品化的沼气发酵菌剂。
11.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(1)所述均化槽具有搅拌功能，物料在均化槽内作用时间为10～20min。
12.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(4)所述污泥脱水机是离心脱水机、板框压滤机、叠式污泥脱水机、带式压滤机中的一种或几种。
13.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(5)中，破壁脱水后的污泥经成型机挤成条状，条状污泥的直径为2～8mm。
14.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(5)所述成型后的污泥经输送带进入干燥装置，所述干燥装置为多层网带式低温干化箱，所述干化箱内置多层独立、且水平转动的网带，为载气与污泥提供能够充分接触的空间，污泥在网带上水平运动，与垂直流动的空气形成错流，空气能够从污泥中穿越过去，形成良好的对流接触干燥条件，能够提高脱水效率，促进污泥快速脱水。
15.按照权利要求14所述的工艺方法，其中，所述多层网带式低温干化箱将空气经加热后作为干化箱的干化载气，加热空气的方式采用太阳能加热器加热，或者直接利用步骤(2)中得到的沼气作为加热介质加热空气，加热后的干化载气温度≥60℃，湿度＜10％，载气量300-1000m3/h，污泥在箱内停留时间为1～6h。
16.按照权利要求1所述的工艺方法，其中，步骤(5)得到的干化污泥进一步资源化处理或焚烧，干化过程产生的尾气由引风机引入尾气装置处理后排空，所述尾气装置为超重力尾气处理装置。
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