CN110305775A - 一种处理固体废弃物的水解反应器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种水解反应器，通过对固体废弃物进行超高温处理产生特异性酶制剂，加速细胞的破碎溶出，加速厌氧消化。产酶区的待处置固体废弃物可由于高温作用产生酶，酶是固体废弃物内微生物的产物，不需要额外投加；产酶区的固体废弃物持续性产生酶制剂，不断供给厌氧消化使用；不同固体废弃物因其构成的差异产生的酶会有所不同，但某类固体废弃物产生的酶对该类物质更具有特异性和针对性，更有助于此类物质的厌氧消化。产酶、储酶、水解一体化，实现了酶制剂的持续产生和连续投加；利用该反应器的污泥消化工艺，可在3~15d内将污泥挥发性固体减量40%~60%；利用该反应器的餐厨垃圾消化工艺，可在3~15d内将餐厨垃圾挥发性固体减量40%~80%。反应器适应性强，污泥减量化效果好，且能够产生更多的甲烷，加速污泥或餐厨垃圾减量化过程，节省固体废弃物处置成本。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物的资源化与减量化领域，具体涉及一种水解反应器，主要目的是通过对污泥、餐厨垃圾等固体废弃物进行超高温处理产生特异性酶制剂，加速细胞的破碎溶出和大分子有机物的水解，进而加速厌氧消化进程。
背景技术
生物法是目前最为经济有效的污水处理手段，但是在处理污水的过程中会产生大量的污泥。2016年，我国污泥产生量已经超过3000万吨。而且随着我国对污水处理的重视，污泥的产生量将持续增加。据估计，我国2020年污泥的产生量将达到6000-9000万吨。作为污水处理的副产物，污泥中包含大量的病原微生物及寄生虫卵，如果不经妥善处理直接排放，这些有害微生物会通过动物植物传染给人类从而造成严重的公共卫生问题。同时，污泥中含有大量的有机污染物，直接排放这些有机污染物会对地下水及土壤造成二次污染。未经处理的污泥易腐烂，有恶臭，将严重影响周围居民的正常生活。餐厨垃圾是居民在生活消费过程中形成的生活废物，也具体易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒等特点。随着工业化、城镇化进程的加快，城市餐厨垃圾的产生量越来越大。餐厨垃圾处置不当会产生巨大的危害，比如影响城市市容和人居环境，传播疾病等。
厌氧消化是目前常用的污泥处理和餐厨垃圾处置技术。厌氧消化是在缺氧条件下，通过厌氧微生物的作用，将固体废弃物中的有机物逐渐降解转化为甲烷、二氧化碳和水等的过程。该技术的优点是可以将固体废弃物中部分有机物转化为甲烷，实现有机物回收利用。但由于厌氧消化过程中水解是反应的限制步骤，导致反应速率慢，反应周期长，投资成本较大，工艺管理也较为复杂。
本发明提供了一种反应器，利用微生物产生的酶制剂将细胞破碎，使有机质溶出，加速大分子有机物的分解，可以快速实现固体废弃物的减量化，节约处置成本。
发明内容
针对常规厌氧消化固体废弃物减量效率低，反应时间长的问题，结合上述背景技术，本发明提供了一种加速厌氧消化的反应器及其应用方法。
本发明技术方案如下：
所述的反应器包括三个部分，产酶区，储酶区和水解区。
所述的固体废弃物包括污泥或餐厨垃圾，所述餐厨垃圾指完成初步筛分和破碎后的餐厨垃圾。
反应器对污泥进行处置时，三个区域分别进行如下反应：
产酶区：放入少量待处置污泥，对其进行高温兼氧处理。每立方米污泥曝气量为0.05~0.2m³，在此过程中该区域内温度可自然升高至60~90℃，高温状态下，污泥产生特异性酶制剂，包括纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、溶菌酶和木质素过氧化氢酶等。这些酶可以破坏细胞的细胞壁和细胞膜，加速细胞内有机物的溶出。该区域反应采用序批式，每个批次反应时间为3~18h，反应结束后将1/3~1/2的污泥排入储酶区备用。
储酶区：污泥在产酶区反应后进入储酶区暂存，之后这些包含特异性酶制剂的污泥通过输送泵连续进入水解区。
水解区：该区域进行污泥的水解。待处置污泥进入水解区后，利用上部输入的污泥中的特异性酶制剂进行水解，在酶的作用下，污泥可溶性有机物可在6~48h内明显增加，SCOD/TCOD增加至25%~40%。
所述反应器在处置污泥时，利用污泥自身包含的微生物产酶和水解。
反应器对餐厨垃圾进行处置时，三个区域分别进行如下反应：
产酶区：放入少量待处置餐厨垃圾以及一定量的活性污泥，对其进行高温处理。其中活性污泥作为接种污泥仅投加一次，投加量为产酶区容积的30%~60%。每立方米固体废弃物曝气量为0.05~0.2m³，在此过程中该区域内温度可自然升高至60~90℃，高温状态下，微生物产生特异性酶制剂，包括纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、溶菌酶和木质素过氧化氢酶等。这些酶可以破坏大分子有机物的结构，加速有机物的水解。该区域反应采用序批式，每个批次反应时间为2~10h，反应结束后将1/3~1/2的餐厨垃圾排入储酶区备用。
储酶区：餐厨垃圾在产酶区反应后进入储酶区暂存，之后这些包含特异性酶制剂的餐厨垃圾通过输送泵连续进入水解区。
水解区：该区域进行餐厨垃圾的水解。先在水解区内加入活性污泥，活性污泥作为接种污泥仅投加一次，投加量为水解区容积的20%~50%。之后餐厨垃圾定量进入水解区内，在特异性酶制剂的作用下进行水解，餐厨垃圾可溶性有机物可在3~24h内明显增加，SCOD/TCOD增加至30%~70%。
所述的反应器在处理餐厨垃圾时，在产酶区投加的活性污泥中的微生物在高温作用下分解餐厨垃圾并产酶，是特异性酶制剂的来源，特异性酶制剂的作用是加速了“水解”这一步骤，使纤维素、油脂等大分子有机物分解断链，有利于后续反应的进行。水解区加入活性污泥的目的是通过酶与微生物的共同作用，实现固体废弃物的彻底分解，完成“水解→酸化→产氢产乙酸→产甲烷”等过程。为了加速分解和产酶的过程，所述的活性污泥优选厌氧污泥或者厌氧消化污泥。
需要指出的是，产酶区处置固体废弃物量为待处置固体废弃物总量的1%~10%，其含水率为70%~90%；水解区固体废弃物含水率为90%~97%。
该反应器可在厌氧消化工艺中使用，所述工艺具体包括：反应器1，厌氧发酵罐2，泥水分离系统3，厌氧处理罐4。工艺流程为：待处置固体废弃物先在反应器1中进行水解，之后进入厌氧发酵罐2中发酵，发酵时间为3~10d（针对污泥）或2～7d（针对餐厨垃圾）；发酵结束排入固液分离系统3，固体沉淀后进行脱水处理，发酵液则进入厌氧处理罐4进行进一步处理。
产酶区的待处置固体废弃物可由于高温作用产生酶，酶是固体废弃物中微生物的产物，不需要额外投加，节省购买市售酶制剂的费用；产酶区的污泥持续性产生酶制剂，不断供给厌氧消化使用；不同固体废弃物因其成分的差异产生的酶会有所不同，但某类固体废弃物产生的酶对该类污泥是更具有特异性和针对性的，即更有助于此种固体废弃物的厌氧消化，加速固体废弃物的减量化过程。
本发明的有益效果在于：利用市售酶制剂进行水解时，存在适应性差且成本高的问题，本发明利用待处置固体废弃物产生特异性酶制剂，这些酶对固体废弃物的水解更具有针对性，能够加速细胞的破碎溶出，促进污泥有机质的水解。传统厌氧消化工艺通常需要对污泥等进行预处理，利用本发明中所述反应器进行厌氧消化时，无需另外设置预处理工段即可达到良好的水解效果，精简了厌氧消化工艺，降低了投资和运营成本。利用本发明中所述反应器可大大提高甲烷产量，这些甲烷可作为能源再次利用。
本发明所述反应器将产酶、储酶与水解过程综合进一个反应器内，减小了反应器占地面积，节约资源，而且实现了酶制剂的持续产生和连续投加；传统厌氧污泥消化工艺20~30d仅可使污泥减量30%，利用该反应器的污泥消化工艺，可在3~15d内将污泥挥发性固体减量40%~60%；传统厌氧餐厨垃圾消化工艺15~20d仅可使餐厨垃圾减量30%，利用该反应器的餐厨垃圾消化工艺，可在3~15d内将餐厨垃圾挥发性固体减量40%~80%。反应器适应性强，污泥减量化效果好，且能够产生更多的甲烷，加速污泥或餐厨垃圾减量化过程，节省固体废弃物处置成本。此外，基于特异性酶制剂的作用，反应器可有效除臭，避免了厌氧消化过程中异味明显的问题；该反应器结构简单，污泥水解效果好，可匹配入常规消化工艺中使用，具有普遍适用性。
附图说明
图1为一种加速厌氧消化的反应器及其工艺流程图
图2为对比例中厌氧消化的反应器及其工艺流程图
附图标记
1-反应器；2-厌氧发酵罐；3-固液分离系统；4-发酵液厌氧处理罐；5-1#输送泵；6-曝气泵；7-1#搅拌器；8-产酶区；9-储酶区；10-2#输送泵；11-水解区；12-3#输送泵；13-2#搅拌器；14-4#输送泵；15-3#搅拌器；16-1#排气孔；17-进水泵；18-2#排气孔；
19-2#反应器；20-2#厌氧发酵罐；21-2#固液分离系统；22-2#发酵液厌氧处理罐；23-5#输送泵；24-2#水解区；25-4#搅拌器；26-6#输送泵；27-5#搅拌器；28-3#排气孔；29-2#进水泵；30-4#排气孔。
具体实施方式
以下结合附图并通过实例对本发明作进一步说明：
图1为一种加速厌氧消化的反应器及其工艺流程图。
建立反应装置如图1所示，该工艺运行流程描述如下：
反应器运行流程描述：待处置固体废弃物一部分经1#输送泵5进入产酶区8，利用曝气泵6对产酶区8进行适当曝气，并开启1#搅拌器7对固体废弃物适当扰动。固体废弃物在产酶区8充分反应后形成含酶固体废弃物，之后将含酶固体废弃物排入储酶区9，并通过2#输送泵10持续注入水解区11。大部分待处置固体废弃物通过3#输送泵12进入水解区11，在2#搅拌器13的作用下，这些固体废弃物与储酶区9输入的含酶固体废弃物充分混合，固体废弃物中有机质被逐渐水解。
厌氧消化工艺流程描述：待处置固体废弃物在反应器1中被水解后，通过4#输送泵14流入厌氧发酵罐2中，间歇开启3#搅拌器15使固液混合物在厌氧发酵罐2内充分发酵，将有机质降解为甲烷、二氧化碳和水等，以达到固体废弃物减量化的目的，产生的气体从1#排气孔16排出。发酵后的固液混合物从厌氧发酵罐2排入固液分离系统3，沉淀后上清液通过进水泵17输入发酵液厌氧处理罐4继续处理，剩余固体脱水之后再进行处置。
实施例1
采用本发明的反应器对某市政污水处理厂剩余污泥进行处理，待处理污泥总量为100kg(含水率90%)，污泥总固体含量（TSS）为10kg，挥发性固体（VSS）含量6kg。建立总容积12L的反应器，其中产酶区有效体积1L，储酶区有效体积0.5L，水解区有效体积8L；匹配反应器再分别建立体积60L的厌氧发酵罐、5L的泥水分离池。将适量含水率为80%的待处置污泥打入产酶区，开启搅拌并曝气量0.05L，采用序批运行模式，反应3h后排出一半到储酶区，之后连续输入到水解区。将含水率90%的待处置污泥通过污泥输送泵打入水解区，在搅拌器的作用下，这部分污泥与储酶区输入的含酶污泥混合并发生反应，污泥内的有机质迅速被水解，不可溶性有机物转化为可溶性有机物，采用连续流运行模式，停留时间为6h，水解完成后排放时污泥的SCOD/TCOD增加41%。对水解后的污泥厌氧发酵3d，之后进行泥水分离，最后进行发酵液的深度处理和污泥脱水处置。全部污泥消化完成后，对产气量减量率进行计算，结果见表1。
实施例2
采用本发明的反应器对某工业污水处理厂剩余污泥进行处理，待处理污泥总量为80kg(含水率90%)，污泥总固体含量（TSS）为8kg，挥发性固体（VSS）含量4kg。反应器和反应工艺同实施例1。将适量含水率为70%的待处置污泥打入产酶区，开启搅拌并曝气量0.1L，采用序批运行模式，反应12h后排出一半到储酶区，之后连续输入到水解区。将含水率90%的待处置污泥通过污泥输送泵打入水解区，在搅拌器的作用下，这部分污泥与储酶区输入的含酶污泥混合并发生反应，污泥内的有机质迅速被水解，不可溶性有机物转化为可溶性有机物，采用连续流运行模式，停留时间为36h，水解完成后排放时污泥的SCOD/TCOD增加34%。对水解后的污泥厌氧发酵8d，之后进行泥水分离，最后进行发酵液的深度处理和污泥脱水处置。全部污泥消化完成后，对产气量减量率进行计算，结果见表2。
实施例3
采用本发明的反应器对某高校食堂的餐厨垃圾进行处理，待处理餐厨垃圾总量为100kg(含水率90%)，餐厨垃圾总固体含量（TSS）为10kg，挥发性固体（VSS）含量9kg。建立总容积12L的新型反应器，其中产酶区有效体积1L，储酶区有效体积0.5L，水解区有效体积8L；匹配新型反应器再分别建立体积60L的厌氧发酵罐、5L的固液分离池。先在反应器产酶区和水解区投加厌氧污泥，投加量分别为0.3L和1.6L，之后将适量含水率为80%的待处置餐厨垃圾打入产酶区，开启搅拌并曝气0.05L，采用序批运行模式，反应2h后排出一半到储酶区，之后连续输入到水解区。将含水率90%的待处置餐厨垃圾通过餐厨垃圾输送泵打入水解区，在搅拌器的作用下，这部分餐厨垃圾与储酶区输入的含酶餐厨垃圾混合并发生反应，餐厨垃圾内的有机质迅速被水解，不可溶性有机物转化为可溶性有机物，采用连续流运行模式，停留时间为3h，水解完成后排放时餐厨垃圾的SCOD/TCOD增加72%。对水解够的餐厨垃圾厌氧发酵2d，之后进行固液分离，最后进行发酵液的深度处理和剩余垃圾的脱水处置。全部餐厨垃圾消化完成后，对产气量减量率进行计算，结果见表3。
对比例1
对比例的工艺流程如图2（未设置产酶区与储酶区），具体过程为：待处置固体废弃物通过5#输送泵23进入2#反应器19中，在2#水解区24发生水解反应，之后通过6#输送泵26流入厌氧发酵罐20中，间歇开启5#搅拌器27使固液混合物在厌氧发酵罐20内充分发酵，将有机质降解为甲烷、二氧化碳和水等，以达到固体减量化的目的，产生的气体从3#排气孔28排出。发酵后的固液混合物从厌氧发酵罐20排入固液分离系统21，沉淀后上清液通过2#进水泵29输入发酵液厌氧处理罐22继续处理，剩余固体脱水之后再进行处置。
采用图2中工艺对某市政污水处理厂剩余污泥进行处理，待处理污泥总量为100kg(含水率90%)，污泥总固体含量（TSS）为10kg，挥发性固体（VSS）含量6kg。建立总容积12L的反应器，其中有效体积（水解区）8L。将含水率90%的待处置污泥通过污泥输送泵打入水解区，并适当搅拌，反应器采用连续流运行模式，停留时间为96h，水解完成后排放时污泥的SCOD/TCOD增加14%。对水解后的污泥厌氧发酵15d，之后进行泥水分离，最后进行发酵液的深度处理和污泥脱水处置。全部污泥消化完成后，对产气量减量率进行计算，具体结果见表4。
对比例2
采用未设置产酶区储酶区的普通反应器对某高校食堂的餐厨垃圾进行处理，待处理餐厨垃圾总量为100kg(含水率90%)，餐厨垃圾总固体含量（TSS）为10kg，挥发性固体（VSS）含量9kg。建立总容积12L的新型反应器，匹配该反应器再分别建立体积60L的厌氧发酵罐、5L的固液分离池。向水解区加入厌氧污泥，投加量为2.4L，之后将含水率90%的待处置餐厨垃圾通过餐厨垃圾输送泵打入水解区，餐厨垃圾内的有机质被水解，不可溶性有机物转化为可溶性有机物，采用连续流运行模式，停留时间为48h，水解完成后排放时餐厨垃圾的SCOD/TCOD增加32%。对水解够的餐厨垃圾厌氧发酵8d，之后进行固液分离，最后进行发酵液的深度处理和剩余垃圾的脱水处置。全部餐厨垃圾消化完成后，对产气量减量率进行计算，结果见表5。
实施例1和实施例2均使用本发明中的反应器，分别对市政污水处理厂和工业污水处理厂的剩余污泥进行处理，二者均在较短时间内实现了污泥减量化且产甲烷量较大。在对比例1中，处置与实施例1同样的市政污泥，污泥消化时间为实施例1的5.8倍，但甲烷产量却不足实施例1的二分之一，污泥减量率也远低于实施例1，证实了本发明中反应器加速了污泥消化速率，提高了污泥减量率。因此，利用本发明中的反应器可大大减少污泥处置成本，同时减少污泥量，具有较高的工程实用价值。
实施例3使用本发明中的反应器对餐厨垃圾进行处理，在较短时间内实现了餐厨垃圾的减量化且产甲烷量较大。在对比例2中，处置与实施例3同样的餐厨垃圾，厌氧消化时间为实施例1的4.5倍，但甲烷产量仅为实施例1的一半，餐厨垃圾减量率也远低于实施例1，证实了本发明中反应器加速了餐厨垃圾厌氧消化速率，提高了餐厨垃圾减量率。因此，利用本发明中的反应器可大大减少餐厨垃圾处置成本，同时减少餐厨垃圾量，具有较高的工程实用价值。
此外，本发明中的反应器，适用于各类污泥处置系统和餐厨垃圾处置系统，具有普遍适用性。
Claims (11)
1.一种处理固体废弃物的水解反应器(1)，其特征在于：所述反应器(1)包括产酶区(8)，储酶区(9)和水解区(11)；所述的固体废弃物在所述的产酶区(8)中产生特异性酶制剂，在水解区(11)中利用所述的特异性酶制剂进行水解。
2.一种处理固体废弃物的水解反应器(1)，其特征在于：所述的固体废弃物为污泥，或为餐厨垃圾与活性污泥的混合，所述的活性污泥优选厌氧污泥或厌氧消化污泥。
3.一种厌氧消化工艺，其特征在于：待处置的固体废弃物先在如权利要求1所述的反应器(1)中进行水解，之后进入厌氧发酵罐(2)中发酵；发酵结束后排入泥水分离系统(3)，污泥沉淀后进行脱水处理，发酵液则进入厌氧处理罐(4)进行进一步处理。
4.一种如权利要求3所述的工艺，其特征在于：固体废弃物在产酶区(8)反应产生特异性酶制剂，之后进入储酶区(9)暂存，然后将包含特异性酶制剂的固体废弃物通过输送泵连续送入水解区(11)。
5.一种如权利要求3所述的工艺，其特征在于：产酶区(8)处置固体废弃物的量为待处置固体废弃物总量的1%~10%，固体废弃物的含水率为70%~90%；水解区(11) 固体废弃物的含水率为90%~97%。
6.一种如权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述的固体废弃物为污泥；所述发酵的时间为3~10d。
7.一种如权利要求6所述的工艺，其特征在于：产酶区(8)的反应条件为：每立方米污泥的曝气量为0.05~0.2m³，反应温度自然升高至60~90℃，反应采用序批式，每个批次反应时间为3~18h，反应结束后将1/3~1/2的污泥排入储酶区(9)备用。
8.一种如权利要求7所述的工艺，其特征在于：待处置污泥进入水解区(11)后，利用上部输入的污泥中的特异性酶制剂进行水解，污泥可溶性有机物在6~48h内明显增加，SCOD/TCOD增加至25%~40%。
9.一种如权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述的固体废弃物为餐厨垃圾与活性污泥的混合，所述的活性污泥优选厌氧污泥或厌氧消化污泥；所述发酵的时间为2~7d。
10.一种如权利要求9所述的工艺，其特征在于：产酶区(8)的反应条件为：放入少量待处置餐厨垃圾以及一定量的活性污泥，其中活性污泥作为接种污泥仅投加一次，投加量为产酶区容积的30%~60%；每立方米固体废弃物的曝气量为0.05~0.2m³，反应温度自然升高至60~90℃，反应采用序批式，每个批次反应时间为2~10h，反应结束后将1/3~1/2的餐厨垃圾排入储酶区(9)备用。
11.一种如权利要求10所述的工艺，其特征在于：在水解区(11)内加入活性污泥，活性污泥作为接种污泥仅投加一次，投加量为水解区容积的20%~50%；待处置的餐厨垃圾进入水解区(11)后，在特异性酶制剂与活性污泥中微生物的作用下进行水解，餐厨垃圾可溶性有机物在3~24h内明显增加，SCOD/TCOD增加至30%~70%。
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