申请日2014.10.29
公开(公告)日2015.02.18
IPC分类号C02F11/00
摘要
本发明涉及一种基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺。首先将含固率10~25%污水处理厂的污泥置于水热反应釜中，在200~300℃(1.6~8.6MPa)亚临界高温高压状态下保持5~30min，使污泥中胞内物质充分溶出、固态有机物充分溶解、水解和部分分解;并使污泥中结合水和表面水的释放有利于提高污泥的脱水性能。水热改性后的污泥进行脱水，使脱水后污泥含固率不高于60%，继而进行好氧堆肥化稳定处理。污泥脱水所得的富含溶解性有机质的滤液进入高速厌氧消化系统充分回收沼气。该技术高效实现了污泥的为生化、资源化和稳定化，由于亚/超临界反应速率快、后续高效厌氧消化水力停留时间短、水热改性脱水后产生的固态残渣少，本发明水热环节、厌氧环节和好氧环节均可采用小容量反应器实现较大规模的城市污泥处理量。
权利要求书
1.一种基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，其特征在于具体步骤如下：
(1) 将含固率10~25%污水处理厂的污泥置于水热反应釜中，在亚临界高温高压状态下保持5~30min，或者将污水处理厂的污泥以高压泵连续进入水热反应釜中，控制进料速度以保证污泥在水热反应釜中停留5~30min;所述亚临界水热反应条件为：温度200~300℃，压力为1.6~8.6MPa;所得污泥含固率降低20%~40%;
(2) 水热反应结束后，水热改性后的污泥进行脱水;脱水后污泥含固率不高于60%;
(3) 污泥脱水所得的滤液进入高速厌氧消化系统充分回收沼气;
(4) 步骤(2)中脱水后的污泥残渣收集输送进行好氧堆肥化处理。
2.根据权利要求1所述的基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，其特征在于，步骤(3)高效厌氧消化系统为UASB、AFB、EGSB、IC、厌氧MBR中任一种或与上述构造具有相似功能的工艺构造。
3.根据权利要求1所述的基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，其特征在于，步骤(1)中所述污泥为初沉污泥、剩余污泥或两者混合物，浓缩污泥或脱水污泥均可。
说明书
一种基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺
技术领域
本发明属于固废资源化领域，涉及一种基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺。
背景技术
城市污水处理厂因净化生活污水而产生的脱水污泥量巨大，目前全年的可收集量在3000万吨左右，传统的污泥处理方法，如土地填埋、露天堆放和外运等方式已经无法适应日趋严格的污泥处理处置标准，近年来，全球能源结构正经历以矿物能源为主向多种能源并存的方向的转变，粮食安全和环境恶化等问题也日益突出，采用厌氧发酵技术回收污泥中的非粮生物质能源——沼气逐渐得到重视。
传统的厌氧消化工艺首先用来处理生活污水，继而用于处理污水厂剩余污泥。在上个世纪五十年代之前，厌氧消化工艺的运行温度、停留时间(SRT)和有机负荷(OLR)未经控制，厌氧消化装置内不具备搅拌设施，厌氧微生物在反应器里的停留时间(SRT)与污水/废水的停留时间(HRT)是相同的，因此厌氧微生物在反应器里浓度较低，因而具有HRT较长(30-90天)，处理效率较低，处理效果不好，臭味严重等特点，称为低速厌氧消化系统或常速厌氧消化系统，现在也通称为“第一代厌氧消化工艺”。 进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，通过维持厌氧微生物在系统中的停留时间，增加厌氧微生物量，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高;HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器、厌氧流化床(AFB)、厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)、厌氧生物转盘(ARBC)和挡板式厌氧反应器等。进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器和厌氧内循环(IC)反应器。这些高速反应器又被统称为“第三代厌氧生物反应器”。
第二代和第三代高效厌氧消化工艺之所以能够有效提高厌氧消化效率，主要由于污水和废水中的有机污染物是以溶解态存在的，而厌氧微生物是固态悬浮的，因此能够通过分别控制水力停留时间和固体停留时间的方式提高微生物浓度，降低污染物停留时间，从而提高处理效率。然而，城市污泥富含微生物残体，固态有机污染物的比例较高，这导致污泥采用厌氧消化技术进行资源化和无害化过程中存在如下问题：第一，污泥中的有机物大部分以固态方式存在，与厌氧微生物混合在一起，无法分别控制厌氧微生物和污染物的停留时间，因此传统的高速厌氧消化工艺未在污泥厌氧消化领域进行应用;第二，相比污水中的溶解性有机物，污泥中的固态有机物在厌氧消化过程中需增加一步“溶解”过程，另外，污泥中有机物多为微生物残体，较为复杂，溶解、水解速率较低，这两方面特征均降低了污泥厌氧消化的效率。
水热技术是在密封的压力容器中，以水为溶剂，在高温高压的条件下进行化学反应的各种技术的统称，在化工、冶金等领域被广泛应用。在水热反应体系中，水的性质发生强烈改变，蒸汽压变高、密度变低、表面张力变低、粘度变低、电离常数增大，离子积变高。利用水的这些性质变化，无须添加药剂即可对污泥进行改性。污泥经水热改性后：第一，污泥中原先无法通过机械脱水去除的结合水和表面水大量释放，固态有机物溶解、水解，高分子有机物向小分子方向转化，因此污泥脱水性能显著提高;第二，固体有机物大量溶解、水解以及部分有机物分解成小分子有机物，有利于污泥后续厌氧消化效率提高。
污泥水热技术为污泥的高效资源化处理奠定了基础。水热改性对污泥脱水性能和有机物溶解方面的作用有利于将污泥中富含溶解性有机污染物的液体分离出来，进行高速厌氧消化处理。已有的污泥高效资源化方法或工艺多为厌氧、好氧、热解、建材利用、提取可商业化物质，或通过物化改性进一步提高工艺效率，均有别于本发明的技术路线。本发明将公开一种污泥高效资源化处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，所述工艺将污泥中的有机质在亚临界水热条件下充分水解液化，并实现固相与液相有机质高效资源化利用的处理工艺。
本发明的技术方案是：通过亚临界水热技术，使污泥中的有机物最大限度往溶解态、易降解和小分子方向转化，并充分将溶解性有机物富集在液相中，残留的固态有机物存留在固相中，通过固液两相的分离，富含溶解性有机质的液体进行高速厌氧消化回收沼气，含有残留固态有机质的固态部分进行高温好氧发酵处理制肥，以区别于传统污泥进行长时间(HRT=20天)厌氧消化后，再进行脱水后沼渣的好氧稳定的资源化方式。
本发明提出的基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，具体步骤如下：
(1) 将含固率10~25%污水处理厂的污泥置于水热反应釜中，在高温高压状态下保持5~30min，或者将污水处理厂的污泥以高压泵连续进入水热反应釜中，进料速度以保证污泥在水热反应釜中停留5~30min，达到所需的亚临界高温高压水热反应条件为200~300℃， 1.6~8.6MPa，污泥含固率降低20%~40%;在该步骤中，具有肽键结合体结构的微生物细胞壁因热振动而不稳定，并发生水解反应而生成单糖、氨基酸或它们的低聚物，使得胞内物质充分溶出、固态有机物充分溶解、水解和部分分解;污泥中结合水和表面水的释放有利于提高污泥的脱水性能。经水热改性后污泥的物化特征为：亚临界反应条件为200~300℃(1.6~8.6MPa)，污泥含固率降低20%~40%;
(2) 水热反应结束后，水蒸气可回收热量用于污泥预热，水热改性后的污泥可采用板框压滤等传统脱水技术进行脱水，使脱水后污泥含固率不高于60%;
(3) 步骤(2)中污泥脱水所得的滤液进入高速厌氧消化系统充分回收沼气，高效厌氧消化系统指：传统的用于高浓度污水/废水处理领域、能够通过微生物截留或附着等手段使微生物停留时间和水力停留时间分开，因而在较短的水力停留时间下快速降解有机污染物而回收沼气能源的厌氧消化工艺构造，如UASB、AFB、EGSB、IC以及厌氧MBR等。
(4) 步骤(2)中脱水后的污泥残渣收集输送进行好氧堆肥化处理。
本发明中，步骤(1)中所述污泥为初沉污泥、剩余污泥或两者混合物，浓缩污泥或脱水污泥均可。
该工艺具有以下优点：
1. 该工艺从以下两方面提高液相有机质浓度，有利于污泥中有机污染物的富集及高效能源化利用：第一、采用水热技术作为该方法的第一步，进料污泥浓度可提高至10~25%;第二、水热反应进一步提高液相有机物浓度。
2. 水热改性后，污泥中微生物EPS被水解破坏，污泥脱水性能显著提高，脱水后含水率不高于60%，相比传统脱水污泥(含水率75~80%)，已呈松散状，可不添加辅料进行好氧堆肥化处理。与传统厌氧消化后沼渣相比，水热后脱水的泥渣含有未稳定有机质，容易发酵升温实现稳定化，而传统的沼渣则往往存在发酵过程难以启动的问题。
3. 水热改性环节反应温度高，污泥首先实现了卫生化，后续滤液的厌氧处理和残渣的堆肥化处理充分实现了资源化和无害化。
4. 由于亚临界反应速率快、后续高效厌氧消化水力停留时间短、水热改性脱水后产生的固态残渣少，因此，该方法水热环节、厌氧环节和好氧环节均可采用小容量反应器实现较大规模的城市污泥处理量。