CN111517605B - 一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于锥型‑蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置及方法，装置包括：进料器、锥型‑蛇形管耦合反应器和恒温器；进料器的底部和锥型‑蛇形管耦合反应器的顶部相连通，进料器的底部和恒温器的顶部相齐平；锥型‑蛇形管耦合反应器设置在恒温器内部；该耦合反应器的整体呈正圆锥型或倒圆锥型；该耦合反应器的主体为蛇形管；本发明的装置利用锥型结构控制污泥在反应器中的停留时间和空间分布，可筛选优势厌氧菌属；利用蛇形管及内壁导电催化涂层来不断更新污泥中的固‑液微界面，促进微界面厌氧生物化学反应，强化了污泥厌氧消化性能，提高了污泥的甲烷产量和降解率，从而在易腐有机废弃物的稳定化与资源化处理中有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于污泥等易腐有机废弃物处理技术领域，具体涉及一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置及方法。
背景技术
随着活性污泥法在城镇生活污水处理厂的普及应用，大量的废弃污泥产生。污泥中含有大量的易腐有机质，如不妥善处理将会引起严重的二次污染。厌氧消化技术能够在稳定处理易腐有机质的同时回收能源(如甲烷)，成为实现污泥资源化利用的主流技术。
然而，低的污泥厌氧消化效率一直限制着该技术的推广应用。为此，环境科学家们开展了大量的研究来强化污泥厌氧消化，例如，为增加污泥有机质的溶出和污泥中生物有机大分子的水解，在进行污泥厌氧消化之前进行预处理；为给厌氧微生物提供良好的生存环境，对厌氧消化系统中的pH值、氧化还原电位和温度等影响厌氧微生物活性的参数进行严格控制；为优化厌氧消化过程，提升厌氧消化工艺性能，提出了两相厌氧消化、多级厌氧消化、高含固厌氧消化、协同厌氧消化等等。尽管这些研究在不同程度上提升了污泥厌氧消化，但多基于传统的污泥厌氧消化反应器，没有明显改善污泥厌氧消化技术水平。主要是因为：1)传统污泥厌氧反应器采用完全混合式，高活性的厌氧微生物难以附着在反应器内部进行富集而随着沼渣和厌氧消化液排出，造成了优势厌氧微生物的流失；2)传统厌氧反应器的完全混合式难以改变污泥微观结构，限制了污泥有机大分子的传质和厌氧微生物生命活动的胞外电子传递；3)在传统污泥厌氧消化反应器中，污泥基质与厌氧微生物间易形成团粒，两者的微观接触面难以实时有效更新，限制了厌氧微生物的固-液微界面厌氧反应效率。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，目的是解决传统厌氧反应器效率低的问题，即基于仿生牛胃及人体肠胃的厌氧消化模式，利用锥型结构(正圆锥型或倒圆锥型)控制污泥等易腐有机废弃物在反应器中的停留时间和空间分布，筛选高活性的水解酸化菌和产甲烷菌，强化厌氧微生物体系中胞外电子传递；利用蛇形管及内壁导电催化涂层来不断更新易腐有机废弃物(如污水厂污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾以及生活有机垃圾)中的固-液微界面，促进有机质与厌氧微生物间的微界面厌氧生化反应。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述装置进行污泥厌氧消化的方法。
为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：
一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其包括：进料器、锥型-蛇形管耦合反应器和恒温器；
进料器的底部和锥型-蛇形管耦合反应器的顶部相连通；锥型-蛇形管耦合反应器设置在恒温器内部，锥型-蛇形管耦合反应器的底部延伸至恒温器外设有出料口；锥型-蛇形管耦合反应器的整体呈正圆锥型或倒圆锥型；锥型-蛇形管耦合反应器的主体为蛇形管。
优选地，在锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管的肩处开孔收集沼气。
优选地，锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管的管材为导热性、抗腐蚀性的材料。
优选地，锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管为不锈钢。
优选地，锥型-蛇形管耦合反应器的内壁涂有电催化活性的涂层。
优选地，锥型-蛇形管耦合反应器的涂层为二氧化钛涂层。
优选地，进料器内置预处理结构。
优选地，预处理结构为螺旋刀片。
优选地，恒温器的温度为25-100℃。
为达到第二个目的，本发明的解决方案是：
一种利用上述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置进行污泥厌氧消化的方法，其包括如下步骤：
(1)、污泥经进料器处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器内；
(2)、调节恒温器的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养1-40天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)的操作；
(3)、重复步骤(2)的操作数次，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(4)、保持恒温器的温度，重复步骤(1)的操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为12-72h，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
优选地，步骤(1)中，进料器处理包括强酸、强碱、机械搅拌、水热或水解酶的预处理方法。
优选地，步骤(2)和步骤(4)中，恒温器的温度为25-100℃；
优选地，步骤(2)和步骤(4)中，恒温器的温度为37℃或55℃。
优选地，步骤(4)中，污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为12-24h。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
本发明的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置基于仿生牛胃及人体肠胃的厌氧消化模式，利用锥型结构(正圆锥型或倒圆锥型)控制污泥等易腐有机废弃物在反应器中的停留时间和空间分布，为高活性的水解酸化菌和产甲烷菌提供良好的附着和电子传递条件，筛选了优势厌氧菌属；利用蛇形管及内壁导电催化涂层来不断更新污泥中的固-液微界面，促进了污泥有机质与厌氧微生物的微界面厌氧生化反应，从而在污水厂污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾以及生活有机垃圾等易腐有机废弃物的稳定化与资源化处理中有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置的示意图。
图2为本发明的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置的正剖面示意图。
图3为本发明的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置的俯视图。
附图标记：正圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器A-1、倒圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器B-1、蛇形管A-2和B-2、进料器A-3和B-3、恒温器A-4和B-4、蛇形管的肩处A-5和B-5、反应装置出料口A-6和B-6。
具体实施方式
本发明提供了一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置及方法。
<一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置>
如图1至图3所示，本发明的一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置包括：进料器A-3、B-3、锥型-蛇形管耦合反应器和恒温器A-4、B-4；其中，进料器A-3、B-3的底部和锥型-蛇形管耦合反应器的顶部相连通，进料器A-3、B-3内置预处理结构，可以为螺旋刀片。锥型-蛇形管耦合反应器设置在恒温器A-4、B-4内部，恒温器A-4、B-4采用水浴或空气浴保温，其温度为25-100℃，锥型-蛇形管耦合反应器的底部延伸至恒温器A-4、B-4外设有出料口。锥型-蛇形管耦合反应器的整体呈正圆锥型，如正圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器A-1，或呈倒圆锥型，如倒圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器B-1，并在锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管的肩处A-5、B-5开孔收集沼气。其中，锥型-蛇形管耦合反应器的主体为蛇形管A-2、B-2，蛇形管A-2、B-2的管材为导热性、抗腐蚀性较强的材料，可以为不锈钢等；锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管A-2、B-2内部呈凹凸面或均匀面，并涂有电催化活性的涂层，可以为二氧化钛涂层等。锥型-蛇形管耦合反应器的尺寸根据工作容积和工作时间确定，具体尺寸如正圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器A-1的高度、倒圆锥型锥型-蛇形管耦合反应器B-1的高度、蛇形管A-2、B-2内、外直径、长度等。
<污泥厌氧消化的方法>
本发明利用一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置进行污泥厌氧消化的方法包括如下步骤：
(1)、取适量的污泥，经进料器A-3、B-3处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器内；
(2)、调节恒温器A-4、B-4的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养20-40天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)的操作；
(3)、调节恒温器A-4、B-4的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养10-30天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)的操作；
(4)、调节恒温器A-4、B-4的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养5-20天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)的操作；
(5)、调节恒温器A-4、B-4的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养1-10天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器A-4、B-4的温度，重复步骤(1)的操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为12-72h，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
其中，在步骤(1)中，污泥呈流态，对含固率不设限制，污泥量应根据锥型-蛇形管耦合反应器的工作容积进行确定。
在步骤(1)中，进料器处理包括强酸、强碱、机械搅拌、水热、水解酶的预处理方法。
在步骤(2)至步骤(5)中，恒温器的温度可以为25-100℃，优选为37℃或55℃。
在步骤(6)中，污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间优选为12-24h。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
A污泥取自A污水处理厂剩余污泥，TS为2.8％，VS为63.7％。具体实施步骤如下：
(1)、将500g A污泥在进料器经机械搅拌后进入锥型-蛇形管耦合反应器；
(2)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养40天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(3)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养30天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(4)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养20天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(5)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养10天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器的温度为37℃，重复步骤(1)中操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为3天，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
结果表明，锥型-蛇形管耦合反应器稳定运行后，单位污泥有机质的甲烷产量为330mL CH4/g VS，污泥有机质降解率为60％。
实施例2：
B污泥取自B污水处理厂剩余污泥，TS为1.6％，VS为68.2％。具体实施步骤如下：
(1)、将500g B污泥在进料器经热预处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器；
(2)、将恒温器的温度调节到55℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养30天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(3)、将恒温器的温度调节到55℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养20天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(4)、将恒温器的温度调节到55℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养10天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(5)、将恒温器的温度调节到55℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养5天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器的温度为55℃，重复步骤(1)中操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为2天，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
结果表明，锥型-蛇形管耦合反应器稳定运行后，单位污泥有机质的甲烷产量为396mL CH4/g VS，污泥有机质降解率为71％。
实施例3：
C污泥取自C污水处理厂脱水污泥，TS为8.3％，VS为65.1％。具体实施步骤如下：
(1)、将800g C污泥在进料器经热预处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器；
(2)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养35天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(3)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养25天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(4)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养15天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(5)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养5天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器的温度为37℃，重复步骤(1)中操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为3天，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
结果表明，锥型-蛇形管耦合反应器稳定运行后，单位污泥有机质的甲烷产量为360mL CH4/g VS，污泥有机质降解率为65％。
实施例4：
D污泥取自D污水处理厂脱水污泥，TS为5.7％，VS为67.3％。具体实施步骤如下：
(1)、将600g D污泥在进料器经等电点预处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器；
(2)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养30天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(3)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养20天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(4)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养10天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(5)、将恒温器的温度调节到37℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养5天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器的温度为37℃，重复步骤(1)中操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为2天，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
结果表明，锥型-蛇形管耦合反应器稳定运行后，单位污泥有机质的甲烷产量为350mL CH4/g VS，污泥有机质降解率为65％。
实施例5：
E污泥取自E污水处理厂剩余污泥，TS为1.5％，VS为68.2％。具体实施步骤如下：
(1)、将800g E污泥在进料器经机械搅拌后进入锥型-蛇形管耦合反应器；
(2)、将恒温器的温度调节到42℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养40天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(3)、将恒温器的温度调节到42℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养30天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(4)、将恒温器的温度调节到42℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养20天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤(1)中操作；
(5)、将恒温器的温度调节到42℃，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养10天，收集沼气，将厌氧消化液和沼渣排出，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
(6)、保持恒温器的温度为42℃，重复步骤(1)中操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为3天，收集沼气，并计算单位有机质的甲烷产量和降解率。
结果表明，锥型-蛇形管耦合反应器稳定运行后，单位污泥有机质的甲烷产量为370mL CH4/g VS，污泥有机质降解率为67％。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：其包括：进料器、锥型-蛇形管耦合反应器和恒温器；
所述进料器的底部和所述锥型-蛇形管耦合反应器的顶部相连通；
所述锥型-蛇形管耦合反应器设置在所述恒温器内部，所述锥型-蛇形管耦合反应器的底部延伸至恒温器外设有出料口；
所述锥型-蛇形管耦合反应器的整体呈正圆锥型或倒圆锥型；
所述锥型-蛇形管耦合反应器的主体为蛇形管；
在所述锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管的肩处开孔收集沼气；
所述锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管的管材为导热性、抗腐蚀性的材料；
所述锥型-蛇形管耦合反应器的内壁涂有电催化活性的涂层。
2.根据权利要求1所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：所述锥型-蛇形管耦合反应器中蛇形管为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：所述锥型-蛇形管耦合反应器的涂层为二氧化钛涂层。
4.根据权利要求1所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：所述进料器内置预处理结构。
5.根据权利要求4所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：所述预处理结构为螺旋刀片。
6.根据权利要求1所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置，其特征在于：所述恒温器的温度为25-100℃。
7.一种利用权利要求1所述的基于锥型-蛇形管耦合强化污泥厌氧消化的装置进行污泥厌氧消化的方法，其特征在于：其包括如下步骤：
（1）、污泥经进料器处理后进入锥型-蛇形管耦合反应器内；
（2）、调节恒温器的温度，使锥型-蛇形管耦合反应器中的厌氧微生物恒温培养1-40天，收集沼气，并将厌氧消化液和沼渣排出，同时重复步骤（1）的操作；
（3）、重复步骤（2）的操作数次，完成锥型-蛇形管耦合反应器的启动；
（4）、保持恒温器的温度，重复步骤（1）的操作，使污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为12-72h，收集沼气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述进料器处理包括强酸、强碱、机械搅拌、水热或水解酶的预处理方法。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤（2）和步骤（4）中，所述恒温器的温度为25-100℃。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤（2）和步骤（4）中，所述恒温器的温度为37℃或55℃。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，所述污泥在锥型-蛇形管耦合反应器中的停留时间为12-24h。
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