CN114075025A - 一种热水解结合厌氧消化处理污泥的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种热水解结合厌氧消化处理污泥的系统和方法。一种采用污泥热水解预处理技术、联合厌氧消化技术的水泥窑协同处理处置污泥及餐厨垃圾等多种有机废弃物的系统及方法，采用热水解系统对污泥进行预处理，改善污泥脱水性能和消化性能，高温灭活；采用联合厌氧消化对各种混合有机废弃物进行联合处理，产生沼气和沼渣；沼气用作燃料、发电或提纯天然气，沼渣和沼液进入后续常见的利用和处理处置环节。本系统及方法实现了污泥、餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种混合有机废弃物的无害化、稳定化、减量化和资源化处置。

Description

一种热水解结合厌氧消化处理污泥的系统和方法
技术领域
本发明涉及污泥和有机废弃物处理技术领域，尤其涉及一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥和有机废弃物的的系统和方法。
背景技术
随着我国城镇化进程加快和社会经济的快速发展，污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种有机废弃物的产量逐年增加，对生态环境的压力越来越大。
如污泥是污水处理过程中的副产物，主要来源于污水处理厂的初次沉淀池和二次沉淀池。污泥中不仅含有大量有机物和氮、磷等植物营养元素，而且还有一定量的病原微生物、重金属和难降解的有毒有害物质。污泥的不当处理处置，极易对环境造成严重的二次污染。污泥中的有机物极易腐败，产生恶臭，影响周围环境；渗滤液通过雨水和地下渗透作用进入天然水体或地下水造成污染，氮、磷等植物营养元素容易造成水体富营养化，重金属和难降解的有毒有害物质容易造成土壤污染，或与病原微生物一起随水源进入食物链将直接危害人体和牲畜健康。
如餐厨及厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组分之一，其成分复杂，有机物含量高，油脂高，盐分含量高，易腐烂变质、发酵、发臭，易滋生寄生虫、卵及病原微生物和霉菌毒素等有害物质，若收集运转过程中发生泄漏则会污染空气、土壤及水源，严重干扰人们的正常生活，具有危害性的一面，同时具有生产沼气等生物质能源等特点。
目前在我国，市政污泥和餐厨及厨余垃圾大部分采取随产随运，送去填埋或郊区倾倒或者焚烧，从而变成二次污染源，对大气、水体、土壤都造成污染和危害。如不进行适当处置，将导致在处理污水的同时制造出新的更为严重的污染，使环境进一步恶化并难以修复，且市政污泥和餐厨及厨余中含有大量有机质，是放错了位置的能源，应当正确处置加以利用，目前尚无一种可真正同时实现稳定化、无害化、减量化和资源化处置市政污泥和餐厨及厨余垃圾等各种有机废弃物的系统和方法。
现有技术也是围绕减量化、稳定化、无害化和资源化这四个方面做了探索和实践，但全部实现上述功能的技术极少，特别是资源化利用程度普遍偏低。如现有技术一：污泥添加药剂后脱水实现初步减量化，然后就直接拉去制砖、去电厂或水泥厂焚烧；如现有技术二：脱水后的市政污泥外加热源继续干化实现进一步脱水，干化后的污泥再去制砖、去电厂或水泥厂焚烧，实现最终的减量化和无害化；但现有技术一的污泥没有经过预处理，直接进行脱水减量化处理，脱水效果一般；而且有的为了脱水效果，还添加了大量药剂，使减量化效果大打折扣；最终污泥去焚烧，其中含有的较多水份会影响焚烧环节工艺的稳定性。现有技术二中污泥在脱水后继续进行干化处理，最大程度的减少污泥中的水分含量，这种方式避免了对焚烧环节的影响，但干化过程需要外接热源，增加了能源消耗；另外，污泥中的有机质是一种宝贵的资源，本技术对污泥仅仅“一烧了事”，资源化利用方式不高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥和有机废弃物的的系统和方法，解决现有技术中存在的问题，一是对污泥进行预处理，能够充分减少其中的水分含量，相当于减少了项目的运输成本；预处理的高温环境能大大灭杀污泥中的病原菌和病毒，实现了污泥的无害化处理；能大大改善后续厌氧消化环节的效果，提高沼气产率；一举三得，实现了污泥处理的减量化、无害化和提升资源化的综合效果。二是将预处理后的污泥、餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种有机废弃物混合起来进行联合厌氧消化，各种有机废弃物的特性互为补充产生“1+1＞2”的协同效应，使得沼气产率提升，实现了有机废弃物的资源化最大利用。三是将有机废弃物处理处置与水泥窑结合起来，充分利用水泥窑的余热资源作为热水解和厌氧消化的外接输入能源，减少一次能源消耗，降低处理处置成本。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的系统，所述系统包括有机废弃物预处理装置、污泥热水解预处理装置、水泥窑余热利用装置、厌氧消化装置、沼渣脱水装置、沼气处置装置、沼渣处置装置和沼液处置装置；所述有机废弃物预处理装置用于对有机废弃物进行预处理，所述有机废弃物预处理装置的物料出口连接所述厌氧消化装置的物料入口，所述污泥热水解预处理装置用于对污泥进行热水解预处理，所述污泥热水解预处理装置的污泥出口连接所述厌氧消化装置的物料入口；所述厌氧消化装置的沼气出口同沼气处置装置连接；所述厌氧消化装置的沼渣出口同沼渣脱水装置的沼渣入口连接，所述沼渣脱水装置的沼渣出口同沼渣处置装置连接；所述沼渣脱水装置的沼液出口同沼液处置装置连接；所述污泥热水解预处理装置以及厌氧消化装置的热源入口连接水泥窑余热利用装置的热源出口，所述水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源。
进一步的，水泥窑余热利用装置包括水泥窑、余热锅炉、预热器、分解炉、篦冷机的一种或多种。
进一步的，污泥热水解预处理装置为低温热水解装置、中温热水解装置或高温热水解装置。
进一步的，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
第二方面，本发明提供一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的方法，包括以下步骤：
步骤S1.余热回收，水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源，所述余热资源作为热水解处理装置和厌氧消化装置的热源，供热水解处理装置和厌氧消化装置使用；
步骤S2.热水解预处理，污泥热水解预处理装置中的热水解处理装置对污泥进行热水解预处理，所述污泥的含水率为60％以上；热水解处理装置的热源来自水泥窑余热利用装置；
步骤S3.有机废弃物预处理，利用有机废弃物预处理装置对有机废弃物进行预处理；
步骤S4.厌氧消化，将经过热水解处理的污泥和预处理后的有机废弃物引入厌氧消化装置进行厌氧消化处理得到沼气、沼液和沼渣；厌氧消化装置的热源来自于水泥窑余热利用装置；
步骤S5.沼渣脱水，采用沼渣脱水装置对沼液和沼渣进行脱水分离，获得沼液和脱水沼渣；
步骤S6.将沼气、沼液和脱水沼渣分别送入沼气处置装置、沼液处置装置和沼渣处置装置。
进一步的，所述有机废弃物为餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便、秸秆的一种或几种。
进一步的，有机废弃物的预处理包括除盐除脂、分选分离、油水分离、有机质挤压研磨的一种或几种。
进一步的，沼气可用作水泥窑的燃料、用作发电供给水泥窑使用，或经提纯得到燃气。
进一步的，余热资源选自窑头烟气、窑尾烟气、余热锅炉蒸汽、预热器烟气、分解炉烟气、窑尾烟室烟气、三次风烟气、窑头罩烟气、篦冷机烟气或回转窑筒体热量的一种或几种。
进一步的，其特征在于，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
进一步的，经过热水解预处理的污泥和经过预处理的有机废弃物在送入厌氧消化装置之前先经过水力混合装置混合。
其中：污泥预处理装置为污泥热水解预处理装置，微生物细胞是污泥的主要成分，而微生物细胞膜的刚性结构阻止了细胞物质的水解，使得污泥中的水分很难脱出，而且污泥水解阶段成为厌氧消化的限速阶段。采用不同的方法对污泥进行预处理，目的就是为了将微生物的细胞膜破坏，使胞内的水分和物质释放出来，以提高污泥的脱水性能和可生物降解性，为后续脱水和厌氧消化提供有利条件。本发明采用污泥热水解预处理技术，高温高压灭杀有害细菌、微生物和病毒，改善污泥的脱水性能和消化性能。
本发明的厌氧消化装置为联合厌氧消化装置，厌氧消化是指废弃物中的有机物在厌氧条件下，经过兼性菌和厌氧菌的一系列生化反应，最终被转化为甲烷、二氧化碳的过程。厌氧消化可以使废弃物中的有机物降解，实现有机废弃物的稳定化和减量化，减少后续脱水、干化、焚烧等工艺的运行费用；同时灭杀病原菌微生物，实现无害化；并产生沼气，作为能源回收利用。本发明采用联合厌氧技术，将污泥同厨余及餐厨垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种有机废弃物中的一种或多种废弃物混合物进行联合厌氧消化，各种有机废弃物的特性互为补充产生“1+1＞2”的协同效应，使得沼气产率增加10％以上，提升有机废弃物资源化利用程度。
本发明的水泥窑余热利用装置的余热资源来自于水泥窑工业生产的工艺环节中有各种各样的热量资源，热源包括但不限于窑头烟气、窑尾烟气、余热锅炉蒸汽、预热器烟气、分解炉烟气、窑尾烟室烟气、三次风烟气、窑头罩烟气、篦冷机烟气、回转窑筒体热量等。污泥热水解预处理和联合厌氧消化保温维持一定的反应温度都需要输入热源，水泥窑的热量资源都可选用，本发明优选水泥窑的窑头烟气、窑尾烟气、余热锅炉蒸汽、回转窑筒体热量等各类余热资源。
本发明将含水率60％及以上的污泥在污泥热水解预处理装置进行预处理，优选先将污泥稀释到85％含水率以上，预处理能够改善污泥的脱水性能和消化性能，高温环境还能灭杀有害细菌、微生物和病毒；预处理过程中消耗的热源由水泥窑余热利用装置提供，降低预处理过程中的一次能源消耗，降低处理处置运行成本。
本发明优选连续式热水解，可节约能耗25％以上。
本发明的厌氧消化装置的保温热源由水泥窑余热利用装置提供，可降低厌氧消化工程中沼气的消耗，提高沼气净产量，降低厌氧消化的运行成本，提升处置工程的市场竞争力。
本发明获得的沼气进入沼气处置装置，可以做水泥窑的燃料直接燃烧，也可以用来发电供给水泥窑直接使用或上网，还可以提纯成天然气供给天然气用户、城市燃气管网或做成压缩天然气使用。
本发明获得的沼渣进入沼渣脱水装置进行机械脱水，脱水后的沼渣进入沼渣处置装置，可以直接发酵堆肥，也可以进行干化等后续处理处置。
本发明的沼渣脱水装置排出的沼液进入沼液处置装置，可以去做液态肥料，也可以进行水处理，达到国家标准后排放。
本发明的有益效果：
1、对污泥进行预处理，能够充分减少后续污泥中的水分含量，相当于减少了项目的运输成本；能有效灭杀污泥中的病原菌和病毒，实现了污泥的无害化处理；能有效改善后续厌氧消化环节的效果，提高沼气产率；一举三得，实现了污泥处理的减量化、无害化和提升资源化的综合效果。
2、对脱水污泥和餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种混合垃圾进行联合厌氧消化处理，各种垃圾的特性互为补充产生“1+1＞2”的协同效应，使得沼气产率提升，实现了废弃物的资源化处理，并提升了资源化的处置效果。
3、两个主要工序充分利用水泥窑的余热资源，降低一次能源消耗，减少系统运行成本，实现有机废弃物最低廉处置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的系统和方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或装置，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、装置和/或它们的组。应该理解，当我们称装置被“连接”到另一装置时，它可以直接连接或耦接到其他装置，或者也可以存在中间装置。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
如图1所示，本发明的厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的系统包括污泥热水解预处理装置、厌氧消化装置、沼渣脱水装置、沼渣利用装置、沼气利用装置、沼液利用装置、水泥窑佘热利用装置：
有机废弃物预处理装置，用于对有机废弃物进行预处理；
污泥热水解预处理装置，用于将污泥进行热水解预处理；
厌氧消化装置，用于将预处理后的有机废弃物与污泥混合，进行厌氧消化反应，获得沼气和湿沼渣；
沼渣脱水装置，用于对所述湿沼渣进行脱水处理，获得干沼渣和沼液；
沼渣利用装置，用于将沼渣直接发酵堆肥，或进行干化等后续处理处置；
沼气利用装置，用于将沼气做为水泥窑的燃料，或用来发电供给水泥窑直接使用或上网，或提纯成天然气供给天然气用户、城市燃气管网，或做成压缩天然气使用；
沼液利用装置，用于将沼液做成液态肥料，或进行水处理，达到国家标准后排放；
水泥窑余热利用装置，用于提供余热资源。
进一步的，在一些优选实施例中，水泥窑余热利用装置包括水泥窑、余热锅炉、预热器、分解炉、篦冷机的一种或多种。
进一步的，在一些优选实施例中，污泥热水解预处理装置为低温热水解装置、中温热水解装置或高温热水解装置。
进一步的，在一些优选实施例中，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
第二方面，本发明提供一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的方法，包括以下步骤：
步骤S1.余热回收，水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源，所述余热资源作为热水解处理装置和厌氧消化装置的热源，供热水解处理装置和厌氧消化装置使用；
步骤S2.热水解预处理，污泥热水解预处理装置中的热水解处理装置对污泥进行热水解预处理，所述污泥的含水率为60％以上；热水解处理装置的热源来自水泥窑余热利用装置；
步骤S3.有机废弃物预处理，利用有机废弃物预处理装置对有机废弃物进行预处理；
步骤S4.厌氧消化，将经过热水解处理的污泥和预处理后的有机废弃物引入厌氧消化装置进行厌氧消化处理得到沼气、沼液和沼渣；厌氧消化装置的热源来自于水泥窑余热利用装置；
步骤S5.沼渣脱水，采用沼渣脱水装置对沼液和沼渣进行脱水分离，获得沼液和脱水沼渣；
步骤S6.将沼气、沼液和脱水沼渣分别送入沼气处置装置、沼液处置装置和沼渣处置装置。
进一步的，在一些优选实施例中，所述有机废弃物为餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便、秸秆的一种或几种。
进一步的，在一些优选实施例中，沼气可用作水泥窑的燃料、用作发电供给水泥窑使用，或经提纯得到燃气。
进一步的，在一些优选实施例中，余热资源选自窑头烟气、窑尾烟气、余热锅炉蒸汽、预热器烟气、分解炉烟气、窑尾烟室烟气、三次风烟气、窑头罩烟气、篦冷机烟气或回转窑筒体热量的一种或几种。
进一步的，在一些优选实施例中，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
进一步的，在一些优选实施例中，经过热水解预处理的污泥和经过预处理的有机废弃物在送入厌氧消化装置之前先经过水力混合装置混合。
进一步的，在一些优选实施例中，污泥热水解预处理装置的运行温度为150～260℃，优选170℃，运行时间为30～60分钟。
进一步的，在一些优选实施例中，余热资源的利用包括直接使用余热资源，例如直接使用烟气，或间接使用余热资源，例如采用余热资源例如烟气同工艺水换热提高工艺水温度，再利用升温的工艺水作为热源。
厌氧消化装置的运行参数如下：运行温度35～75℃；水力停留时间15～25天；C/N比为20∶1～30∶1；pH值优选为7.2；沼气产率1.0～1.2Nm3/(kg VSD)。
经沼渣脱水装置机械脱水后沼渣含水率60～70％。
需要指出的，本发明的厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的方法的各步骤并非固定不变，例如步骤S1.余热回收和步骤S2.有机废弃物预处理和步骤S3.有机废弃物预处理的顺序可以互换，并不影响本发明的实施。
实施例：
一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的方法，包括以下步骤：
步骤S1.余热回收，水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源，所述余热资源作为热水解处理装置和厌氧消化装置的热源，供热水解处理装置和厌氧消化装置使用；余热资源选自窑头烟气；
步骤S2.热水解预处理，污泥热水解预处理装置中的热水解处理装置对污泥进行热水解预处理，所述污泥的含水率为85％；热水解处理装置的热源来自水泥窑余热利用装置；污泥热水解预处理装置的运行温度为170℃，运行时间为30分钟。
步骤S3.有机废弃物预处理，利用有机废弃物预处理装置对有机废弃物进行预处理；
步骤S4.厌氧消化，将经过热水解处理的污泥和预处理后的有机废弃物引入厌氧消化装置进行厌氧消化处理得到沼气、沼液和沼渣；厌氧消化装置的热源来自于水泥窑余热利用装置；厌氧消化装置的运行参数如下：运行温度35℃；水力停留时间15天；C/N比为20∶1；pH值为7.2；沼气产率1.0Nm3/(kg VSD)。
步骤S5.沼渣脱水，采用沼渣脱水装置对沼液和沼渣进行脱水分离，获得沼液和脱水沼渣；经沼渣脱水装置机械脱水后沼渣含水率70％。
步骤S6.将沼气、沼液和脱水沼渣分别送入沼气处置装置、沼液处置装置和沼渣处置装置。沼气处置装置为提纯装置，将沼气提纯后获得燃气；沼液处置装置为污水处理装置；沼渣处置装置为堆肥发酵装置。
综上所述，本发明实施例所述的一种采用污泥热水解预处理技术、联合厌氧消化技术的水泥窑协同处理处置污泥及餐厨垃圾等多种有机废弃物的系统及方法，采用热水解系统对污泥进行预处理，改善污泥脱水性能和消化性能，高温灭活；采用联合厌氧消化对各种混合有机废弃物进行联合处理，产生沼气和沼渣；沼气用作燃料、发电或提纯天然气，沼渣和沼液进入后续常见的利用和处理处置环节。本系统及方法实现了污泥、餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便(包括禽畜)、秸秆等各种混合有机废弃物的无害化、稳定化、减量化和资源化处置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的系统，其特征在于，所述系统包括有机废弃物预处理装置、污泥热水解预处理装置、水泥窑余热利用装置、厌氧消化装置、沼渣脱水装置、沼气处置装置、沼渣处置装置和沼液处置装置；所述有机废弃物预处理装置用于对有机废弃物进行预处理，所述有机废弃物预处理装置的物料出口连接所述厌氧消化装置的物料入口，所述污泥热水解预处理装置用于对污泥进行热水解预处理，所述污泥热水解预处理装置的污泥出口连接所述厌氧消化装置的物料入口；所述厌氧消化装置的沼气出口同沼气处置装置连接；所述厌氧消化装置的沼渣出口同沼渣脱水装置的沼渣入口连接，所述沼渣脱水装置的沼渣出口同沼渣处置装置连接；所述沼渣脱水装置的沼液出口同沼液处置装置连接；所述污泥热水解预处理装置以及厌氧消化装置的热源入口连接水泥窑余热利用装置的热源出口，所述水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，水泥窑余热利用装置包括水泥窑、余热锅炉、预热器、分解炉、篦冷机的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，污泥热水解预处理装置为低温热水解装置、中温热水解装置或高温热水解装置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
5.一种热水解结合厌氧消化协同水泥窑余热处理污泥及有机废弃物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.余热回收，水泥窑余热利用装置提供水泥窑的余热资源，所述余热资源作为污泥热水解预处理装置和厌氧消化装置的热源，供污泥热水解预处理装置和厌氧消化装置使用；
步骤S2.热水解预处理，污泥热水解预处理装置对污泥进行热水解预处理，所述污泥的含水率为60％以上；污泥热水解预处理装置的热源来自水泥窑余热利用装置；
步骤S3.有机废弃物预处理，利用有机废弃物预处理装置对有机废弃物进行预处理；
步骤S4.厌氧消化，将经过热水解处理的污泥和预处理后的有机废弃物引入厌氧消化装置进行厌氧消化处理得到沼气、沼液和沼渣；厌氧消化装置的热源来自于水泥窑余热利用装置；
步骤S5.沼渣脱水，采用沼渣脱水装置对沼液和沼渣进行脱水分离，获得沼液和脱水沼渣；
步骤S6.将沼气、沼液和脱水沼渣分别送入沼气处置装置、沼液处置装置和沼渣处置装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有机废弃物为餐厨及厨余垃圾、生物质、粪便、秸秆的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，沼气可用作水泥窑的燃料、用作发电供给水泥窑使用，或经提纯得到燃气。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，余热资源选自窑头烟气、窑尾烟气、余热锅炉蒸汽、预热器烟气、分解炉烟气、窑尾烟室烟气、三次风烟气、窑头罩烟气、篦冷机烟气或回转窑筒体热量的一种或几种。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，污泥热水解预处理装置为序批式热水解装置或连续式热水解装置。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经过热水解预处理的污泥和经过预处理的有机废弃物在送入厌氧消化装置之前先经过水力混合装置混合。
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