申请日2011.03.17
公开(公告)日2014.03.26
IPC分类号C05F17/02
摘要
本发明涉及一种气升筒式反应器及其应用于城市污泥堆肥的处理系统，该气升筒式反应器包含：反应器本体、循环回流系统、气液两相逆向导流交换装置、空气输入装置、污泥进泥装置，及污泥出流装置。其中，该循环回流系统包含设置在长筒反应器内的中心圆筒，该中心圆筒与长筒反应器的筒体形成环形气体上升区域，该中心圆筒内的区域为液流下降区域。该气液两相逆向导流交换装置包含环形空隙式导流器、空气导流板及气泡挡流板。本发明提供的污泥处理系统只需要1个反应器即可实现两次堆肥处理，且完成气液分离，不会出现污泥的返混，处理效率高，且处理后的污泥产物中有机物含量降低，可作为土壤调理剂利用于土地或园艺。
权利要求书 [支持框选翻译]
1.一种气升筒式反应器，其特征在于，该气升筒式反应器(100)包含：
反应器本体，该反应器本体包含长筒反应器(11)及顶部水箱(12);
设置在长筒反应器(11)内的循环回流系统，
紧邻所述循环回流系统下方设置的气液两相逆向导流交换装置(30);
设置在长筒反应器(11)内的空气输入装置(40)，
设置在长筒反应器(11)一侧的污泥进泥装置(50);及
设置在长筒反应器(11)底部的污泥出流装置;
所述的循环回流系统包含：设置在长筒反应器(11)内的中心圆筒(21)，该中心圆筒(21)与长筒反应器(11)的筒体形成环形气体上升区域(211)，该中心圆筒(21)内的区域为液流下降区域(212);
所述的气液两相逆向导流交换装置(30)包含：
设置在中心圆筒(21)下端的环形空隙式导流器(31)，该环形空隙式导流器(31)上开有缝隙，即液体导向口(311)，用于引导空气携带液体上升;
设置在环形空隙式导流器(31)下方的空气导流板(32)，该空气导流板(32)包含上折流板和下折流板，该上折流板与下折流板形成缝隙，即气体导向口(321)，用于引导空气从该导流板的气体导向口(321)中通过，及
设置在空气导流板(32)下方的气泡挡流板(33)，用于使得方便液体流下并阻挡气泡。
2.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的长筒反应器(11)的高径比超过15。
3.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的顶部水箱(12)上还设置有废气排气管(121)。
4.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，在所述的中心圆筒(21)的顶端还设置有引导自环形气体上升区域(211)上升的气液混合物进入液体下降区域(212)的液流导向板(22)。
5.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的环形空隙式导流器(31)为环形空隙的板状结构。
6.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的空气输入装置(40)为贯通中心圆筒(21)的管状结构，其出口端(41)位于中心圆筒(21)的下方。
7.如权利要求6所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的空气输入装置(40)的出口端(41)设置为喇叭口。
8.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的污泥进泥装置(50)为具有出泥方向与气流方向一致的出口端(51)的弯管结构，该出口端(51)位于环形气体上升区域(211)的下部。
9.如权利要求1所述的气升筒式反应器，其特征在于，所述的污泥出流装置包含设置在长筒反应器(11)底部的高温灭菌区(61)及出泥口(62)。
10.一种包含如权利要求1所述的气升筒式反应器的城市污泥堆肥处理系统，其特征在于，该处理系统包含：
格栅装置(200)，用于筛分进料污泥中大块固体;
内置气液两相逆向导流交换装置的气升筒式反应器(100)，采用格栅装置(200)处理后的污泥通过进料泵(201)进入到上述气升筒式反应器(100);
与气升筒式反应器(100)的底部出料管连接的脱水装置(300)，该脱水装置(300)包含通过污泥泵(303)连接的储存污泥的污泥中间池(301)及污泥脱水机(302)。
说明书 [支持框选翻译]
气升筒式反应器,及其应用于城市污泥堆肥的处理系统
技术领域
本发明涉及一种应用于城市污泥液态堆肥的处理设备，具体地，涉及一种内置“气液两相逆向导流交换装置”的气升筒式反应器，及利用该气升筒式反应器进行城市污泥液态堆肥的处理系统。
背景技术
城市污泥堆肥是一种利用污泥中微生物进行发酵的过程。污泥中有机物将被生物降解为稳定产物。目前公知的好氧堆肥是利用脱水污泥泥饼为原料的固态堆肥，一般广泛应用的有鼓风静态堆肥，条垛式堆肥和反应器堆肥。固态堆肥工艺普遍效率低，成本高，易产生臭气、蚊蝇等二次污染。
目前还没有公示的污泥液态堆肥工艺，我们参考与之相近的公知高效好氧污泥消化工艺ATAD(自动升温高温好氧消化)，研发出较ATAD更为高效、节能的污泥处理工艺。
自动升温高温好氧消化ATAD是一种利用微生物内源呼吸原理，对微生物原生质进行生物降解利用，直接表现对剩余污泥中有机物进行生物氧化去除的工艺。在ATAD工艺中，进料污泥通常需要进行预浓缩，并且反应器需要进行保温隔热处理。在反应器内完成对预浓缩原污泥的消化，稳定和灭菌。ATAD在20世纪60年代得到研究和发展，现在欧洲和北美应用比较广泛。ATAD系统通常有2~3个反应器组成系统，并在45~60℃的高温消化范围内进行消化，其热量的来源完全来自内源呼吸过程中热量的释放，而不需要外加热量。在污泥好氧消化过程中每生物氧化1千克有机物能够释放大约20000kJ的热能，而ATAD正是利用这部分生物释热进行系统自动升温，这也是其得名的由来。
ATAD中对于污泥中病原体的杀灭，基于巴氏消毒法，也就是在一定温度及该温度对应的消毒时间内能够对病原体产生灭绝作用。根据美国环保联合会EPA CFR40 Reg503中巴氏灭菌数据：在55℃下，灭菌所需时间大约为72小时，而在65℃下大约只需要2.5小时。根据EPA以及德国ATAD的设计及运行标准ATAD能够达到高至67℃的实际运行温度，这就使在消化过程中同时完成污泥灭菌成为了可能。
在一个传统ATAD系统中，一般有两至三个曝气池串联成一个系统，原污泥以序批方式进入系统中。其典型的曝气和搅拌方式是利用叶轮和文丘里管进行曝气/搅拌。因为进泥的温度在10~20℃，处于低温消化温度上端和中温消化温度下端。在初次启动期间，低温消化菌消耗污泥中的有机质并产生足够的热量对反应器进行升温至高温消化温度范围(45℃~60℃)的下端。随后，高温消化菌成为优势菌体，对生物污泥进一步氧化并提升污泥温度至大约50~55℃。这一步反应过程大约能占据两池体式ATAD整体生物氧化的60%。第一个反应器不能完全杀灭污泥中的病毒。
传统ATAD工艺串联2个反应器，污泥停留时间为5天。运行方式为：每天都停止曝气一小时，将二号反应器中2/5的污泥体积排出系统，并将一号反应器中的大约2/5的污泥体积输送至二号反应器中，而一号反应器随即进入原污泥充满。随后曝气23小时，并重复上述循环。 一号反应器保留其3/5的体积、热量以及高温菌环境而能对进泥进行高温消化。二号反应器接受来自一号反应器中含有高温菌的污泥，更重要的是，接受转移污泥流中含有的潜热。这个热量的转移使二号反应器能够在即使进入二号反应器中的污泥中有机物的量减少情况下，升温至高温消化温度范围的上端及狭温菌生长温度范围的下端(55~65℃)，
早期曾为了缩短ATAD的流程，而将原有的两池(或三池)串联工艺修改为单池工艺，其结果表明单池的ATAD比之多池串联需要10~15天的污泥停留时间，这是因为单池的ATAD无法解决将处理完成污泥与进料污泥分隔的问题，在投配污泥时，进料污泥会对反应器内消化完成污泥产生再接种作用。
在ATAD中，污泥停留主要是为了满足有机物生物降解的时间需要。也意味着在ATAD的设计中，污泥停留时间由生物反应的速率决定。
ATAD消化工艺的不足有：
1)ATAD为了防止进料污泥对出料污泥的“再接种”，采用分级(二级或三级)反应器串联运行形式，反应器数量多，设备、连接及运行方式都显复杂;
2)ATAD利用机械搅拌方式对污泥进行搅拌，使污泥处于悬浮状态。ATAD中机械搅拌的方法只是促进了污泥与氧气的传质，而并没有对高温消化菌进行有效回流，这就直接造成了在第一污泥好氧消化反应装置内，必须先经过中温消化来对有机物进行缓慢地降解，并对系统缓慢地升温;
3)ATAD污泥产物中N以NH4+形式存在，而且污泥产物中含有大量蛋白质、脂肪类，单价阳离子和高分子聚合物的存在对混凝的吸附架桥作用带来不利影响，影响了污泥产物的脱水性能。
在环保领域中公知的气升式反应器普遍都是机械结构简单，并且含有一个气/液两相流的结构，气液两相流在一个特殊设计的同心回流空间中进行循环流动。流体运动的动力来自于上升空间和下降空间的密度差。气升式反应器通常由一些具有不同水力流态的特征区域组成。较为典型的是在上升空间内进行气体注入，并产生流体密度下降，由此带来气液两相流的向上流动。在反应器的顶部，通常有一个气液分离区域，这个区域的水力特征通常是水平推流，并且气体将从液相中分离出来。脱气后的液流密度增大，并进入下降区域内沿此区域向下流动并最终重新进入上升区域，形成一个循环。在上升及下降两区域的下端有一个额外的反应器空间将上升区的进口与下降区的出口连接起来。
生物反应所需要的空气注入点位于下降空间内，运行要求反应器内流体的循环速率由生物反应所需要的空气提供(下降速率>0.5m/s)，并控制在一定的范围。增大空气供给速率可以满足更大的生物需氧要求，增大反应器处理负荷，同时带来流体循环速率的增大，而循环速率的增大直接可以导致流体中氧气的潜力饱和溶解度降低，微生物呼吸速率下降，最终表现为反应器效率不能最大化。
因此，需要有一种处理系统能够控制在满足生化需要的曝气量下，整体循环流速仍然可控，不会因为气量的增大使循环流速增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置“气液两相逆向导流交换装置”的气升筒式反应器，以液态的堆肥原料，利用内循环回流系统进行一级堆肥处理，利用“气液两相逆向导流交换装置”进行二级堆肥处理，在一个气升筒式反应器内进行两级堆肥处理及气液两相分离，实现将原有ATAD两级反应器的合并，不会出现污泥的返混，处理周期短，处理效率高，且在满足生化需要的曝气量下，循环流速可控，不会因为气量增大使循环流速增大。
为了达到上述目的，本发明提供了一种气升筒式反应器，该气升筒式反应器包含：
反应器本体，该反应器本体包含长筒反应器及顶部水箱;
设置在反应器本体内的循环回流系统，通过内循环对污泥进行充分处理，
设置在循环回流系统下方且紧邻设置的气液两相逆向导流交换装置，以对从循环回流系统处理后的液体进行二次堆肥处理;
设置长筒反应器内的空气输入装置，该空气输入装置与独立的空气进气管道相连;
设置在长筒反应器一侧的污泥进泥装置;及
设置在长筒反应器底部的污泥出流装置，该污泥出泥装置连接后续脱水设备进泥口;
所述的循环回流系统包含：设置在长筒反应器内的中心圆筒，该中心圆筒与长筒反应器的筒体形成环形气体上升区域，该中心圆筒内的区域为液流下降区域;
所述的气液两相逆向导流交换装置包含：
设置在中心圆筒下端的环形空隙式导流器，该环形空隙式导流器上开有缝隙，即液体导向口，用于引导空气携带液体上升;
设置在环形空隙式导流器下方的空气导流板，该空气导流板包含上折流板和下折流板，该上折流板与下折流板形成缝隙，即气体导向口，用于引导空气从该导流板的气体导向口中通过，及
设置在空气导流板下方的气泡挡流板，用于使得方便液体流下并阻挡气泡。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的长筒反应器的高径比超过15。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的顶部水箱上还设置有废气排气管，用于排除气液分离后的气体。
上述的气升筒式反应器，其中，在所述的中心圆筒的顶端还设置有引导自环形气体上升区域上升的气液混合物进入液体下降区域的液流导向板。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的环形空隙式导流器为环形空隙的板状结构。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的空气输入装置为贯通中心圆筒的管状结构，其出口端位于中心圆筒的下方。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的空气输入装置的出口端设置为喇叭口。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的污泥进泥装置为具有出泥方向与气流方向一致的出口端的弯管结构，该出口端位于环形气体上升区域的下部。
上述的气升筒式反应器，其中，所述的污泥出流装置包含设置在长筒反应器底部的高温灭菌区及出泥口。
本发明的气升筒式反应器内置的“气液两相逆向导流交换装置”，其包括环形的空气导流板和环形空隙式导流器及气泡挡流板。空气能在空气导向板中形成气垫，阻止液流的“返混”，气液两相流中气相和液相在所述装置中发生分离，并且液相流体只能从所述装置上部区域单向潜流进入下部区域，相反的，气相流体只能从下部区域单向升流至上部区域，以此过程完成以所述“气液两相逆向导流交换装置”为分隔的两部分区域的水力状态分离，实现将原有ATAD两级反应器的合并。
在空气总量供给不变的情况下，增加空气及流体在反应器内的压头损失，能有效降低空气对于流体的提升作用，从而降低流体的循环速率。而压头的损失量可以根据不同分流导向结构尺寸的变化予以控制。在所述“气液两相逆向导流交换装置”上设有气液分流导向结构(即空气导流板结合环形空隙式导流器的分流导向结构)，使气液两相流分别从气体导向口和液体导向口出流，通过分流导向的结构变化以控制气液两相流的压降，最终控制流体的循环流速。
本发明的气升筒式反应器包括有内循环区、二级堆肥区以及高温灭菌区三个水力分离的独立功能区，分别对污泥的消化处理和病毒杀灭实施单元操作。
长筒反应器上部与顶部水箱组成内循环区，内循环区包括一个直径小于长筒反应器的中心圆筒，该中心圆筒被安装在长筒反应器的上部，中心圆筒与长筒反应器壁形成一个环形空间，该环形空间的上部和下部分别通过顶部水箱和长筒反应器空间连接，组成一个完整的循环回路，中心圆筒内是污泥的下降区，环形空间是污泥的上升区。
二级堆肥区位于内循环区以下，二级堆肥区底部设置有空气输入装置出口，为整个反应器供气，二级堆肥区接受来自内循环区的出泥，这是一个单向的污泥流。
高温灭菌区位于全混式混合区以下直至长筒反应器的底部，在高温灭菌区底部设置出泥口。
本发明还提供了一种包含所述的气升筒式反应器的城市污泥堆肥处理系统，该处理系统包含：
格栅装置，用于筛分进料污泥中大块固体;
内置气液两相逆向导流交换装置的气升筒式反应器，采用格栅装置处理后的污泥通过进料泵进入到上述气升筒式反应器;及
与气升筒式反应器的底部出料管连接的脱水装置，该脱水装置包含通过污泥泵连接的储存污泥的污泥中间池及污泥脱水机。
在本发明的处理系统中，浓缩后的原液态污泥通过格栅装置，初步过滤除去固体渣滓，然后，通过进料泵，进入到气升筒式反应器中进行内循环处理、二级堆肥处理、气液分离进入到高温灭菌区杀菌，最后通过底部的出泥口输入到储存污泥的污泥中间池，再经污泥脱水机脱水处理，完成城市污泥堆肥处理。
本发明以浓缩后的液态污泥为原料，在筒式气升反应器内进行好氧发酵堆肥。污泥在堆肥过程中由于微生物的内源呼吸作用，利用溶解性氧将原生质降解将会生成CO2，并溶解于溶液中形成CO32-离子。NH4+可以与溶液中游离的CO32-离子结合形成重碳酸盐，而使NH4+得到固定，消除NH4+对于污泥脱水性能的影响。
本发明的有益效果是:
1. 在4~6天的堆肥时间里得到腐熟的成肥，并同时满足有机物含量去除40%以上，氧气摄取率低于1.5mgO2/h/g;
2. 堆肥污泥中含有NO3-N，而NH4-N很少，达到腐熟污泥标准;
3. 所述“气液两相逆向导流交换装置”内，可以完成一次对空气压头的损失、一次对空气/液流两相压头损失、以及完成气液两相的相分离;最终达到对流体降压1.5m~5.5m，将流体在上升区域内的流速控制在0.18~0.30m/s，且所述“气液两相逆向导流交换装置”下部的液体不会“返混”进入上部;
4. 在出料端的“推流区”内污泥不会返混至上部循环区，污泥能在此区域内得到灭菌;
5. 装置无活动件，维修少。