申请日2010.03.08
公开(公告)日2012.02.22
IPC分类号C02F11/04; C02F11/18; C02F11/12; C02F11/08
摘要
本发明涉及一种用于产生不易腐烂的污泥和能量的方法，其中所述方法包括以下步骤：(i)借助于初级污泥消化产生经消化的污泥;(ii)产生第一含水流出物和经消化的污泥，其通过对在步骤(i)中产生的所述经消化的污泥进行第一液体-固体分离而至少部分脱水;(iii)产生经消化的污泥，其通过对在步骤(ii)中产生的所述至少部分脱水的经消化的污泥进行热水解而至少部分脱水和水解;(iv)对在步骤(iii)中产生的所述至少部分脱水和水解的经消化的污泥进行消化;其中所述方法进一步包括回收在所述消化和所述初级消化期间形成的沼气的步骤以及从所述沼气产生能量的步骤，所述从所述沼气产生能量的步骤包括产生用于实施所述热水解所需要的能量的第一子步骤和产生过量能量的子步骤，所述沼气全部用以产生电力。
权利要求书
1.一种用于产生基本上不易腐烂的污泥和能量的方法，所述方法包含以下 步骤：
(i)通过初级污泥消化获得经消化的污泥;
(ii)通过对在所述步骤(i)获得的所述经消化的污泥进行第一液体-固体 分离而至少部分脱水，获得第一含水流出物和经消化的污泥
(iii)通过对在所述步骤(ii)获得的所述至少部分脱水的经消化的污泥进 行热水解而至少部分脱水和水解，获得经消化的污泥
(iv)对在所述步骤(iii)获得的所述至少部分脱水和水解的污泥进行消化;
其特征在于，所述过程进一步包含：
用于回收在所述消化和所述初级消化期间形成的沼气的步骤;以及
用于从所述沼气产生能量的步骤，其包含用于产生实施所述热水解所需要 的能量的子步骤和用于产生过剩能量的子步骤，
所述沼气全部用以产生电力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包含通过对在所述 步骤(iv)获得的所述污泥进行第二液体-固体分离，获得第二含水流出物和经 处理的污泥的步骤。
3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在1到20 巴的压力和120℃到180℃的温度下，执行所述热水解20到120分钟。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在等于饱和蒸气压力的压力 下，在165℃的温度下实行所述热水解30分钟。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述初级 消化和/或所述消化属于嗜温厌氧型。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述初级 消化和/或所述消化属于嗜热厌氧型。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述初 级消化之前执行用于对所述污泥进行纤维分离的步骤。
8.一种用以实施根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法的污泥处理 设施，其特征在于，所述设施包含具有入口和出口的热水解构件(16、36)和 用于对所述污泥进行消化的构件(10、11、30)，所述设施的特征在于，所述消 化构件(10、11、30)与用于引入污泥的构件(12、31)连通，所述水解构件 (16、36)的所述入口和所述出口与所述消化构件(10、11、30)连通;
且所述设施的特征在于，其包含放置于所述消化构件(10、11、30)的出 口处的第一液体-固体分离构件(13、33)以及用于回收来自所述消化构件(10、 11、30)的沼气的构件(20、28);
所述消化构件连接到沼气回收构件，所述沼气回收构件包括连接到用于产 生蒸汽和电力的构件的收集器(20、38)，所述用于产生蒸汽和电力的构件包含 连接到产生电力的交流发电机的热电联产马达(21、39)，所述热电联产马达(21、 39)的排气线(22、40)连通产生蒸汽的空气-水热交换器(23、41)的入口以 及用以将蒸汽传送到所述热水解构件(16、36)的管道(27、45)。
9.根据权利要求8所述的设施，其特征在于，所述消化构件包含消化池(30)， 所述消化池(30)具有至少一个入口和一个出口，所述出口与所述水解构件(36) 的所述入口连通且所述入口与所述水解构件(36)的所述出口连通。
10.根据权利要求8所述的设施，其特征在于，所述消化包含初级消化池(10) 和次级消化池(11)，所述初级消化池(10)和所述次级消化池(11)各自具有 入口和出口，所述初级消化池(10)的所述入口与所述用于引入污泥的构件(12) 连通，所述初级消化池(10)的所述出口与所述水解构件(16)的所述入口连 通，所述次级消化池(11)的所述入口与所述水解构件(16)的所述出口连通。
11.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的设施，其特征在于，所述第 一液体-固体分离构件(13)经配置以使得有可能达到等于或大于12%的干燥度。
12.根据权利要求10或11所述的设施，其特征在于，所述设施包含放置于 所述次级消化池(11)的所述出口处的第二液体-固体分离构件(17)。
13.根据权利要求11或12所述的设施，其特征在于，所述设施包含放置 于所述消化池(30)或所述初级消化池(10)的上游的纤维分离构件(28、46)。
说明书
用于产生不易腐烂的污泥和能量的方法及对应的设施
技术领域
本发明的领域涉及处理有机废料，尤其是在水处理期间产生的那些有机废 料。
更具体地说，本发明涉及用于对城市和工业用水处理过程中产生的污泥进 行处理的过程，其尤其着眼于产生能量(例如，电力)。
背景技术
城市或工业废水含有一定比例的可溶的颗粒状有机污染物。
污染物的颗粒部分可通过简单的倾析来部分移除。对水进行的倾析是通过 形成称为“初沉污泥”的污泥来完成的，这种污泥由颗粒与水的混合物组成， 可构成有机废料。
污染物的可溶有机部分(至少其主要部分)可通过应用生物处理过程来处 理。
对水进行的生物处理在于使待处理的水与微生物接触，所述微生物为了确 保其自身的生长而消耗溶解在所述水中的有机污染物。
对水进行的生物处理是通过形成称为“生物污泥”或“二沉污泥”的污泥 来完成的，这种污泥可构成有机废料。
初沉污泥与二沉污泥的混合物构成“混合污泥”。为了处理这些混合污泥以 便将其分解并使其不易腐烂且无害，已提议了各种技术。
对有机废料进行的消化或甲烷化处理是用于通过使有机废料经受厌氧发酵 来以生物方式分解有机废料的自然过程。
消化是特别有效的，因为其产生以下各项的组合产物：
-可转化为能量的气体(沼气);
-可例如用作增肥剂的消化产物(消化产物是有机化合物的消化残余物); 以及
-相对有限量的生物降解度低或不可生物降解的可溶化合物。
然而，由此获得的消化产物含有不容易生物降解的部分，即难以用生物方 式降解。
为了克服此缺点，已开发出用于在实施消化之前对污泥实施热水解的技术。
此技术是特别有利的，因为热水解能够使污泥的不容易发酵(即，难以发 酵)的部分至少在较大程度上发生降解。
然而，虽然热水解能明显改善污泥的不容易发酵部分的消除，但代价是， 与典型消化的情况相比，热水解需要产生较多生物降解度低或不可生物降解的 可溶化合物(具有高化学需氧量(COD))。这要对位于消化池的入口处的污泥 量进行限制才能确保有效的消化。
另外，获得有效热水解所需要的条件需要高能量消耗。
所述能量消耗使得来自消化的一半沼气用以馈入典型锅炉以便产生水解所 需要的蒸汽。剩余沼气馈入连接到交流发电机的热电联产马达以便产生电力， 还可例如用以直接给建筑物加热。
因此，此技术当然能够产生具有相对较小浓度的不容易发酵部分的消化产 物，但引起了以下问题：
-其能产生生物降解度低或不可生物降解的可溶化合物;
-其需要过大尺寸的消化池，才能确保有效的消化;
-其需要消耗大部分沼气来直接产生水解所需要的蒸汽，且因此只能产生 较小量的剩余能量(例如，以电力、热等形式)，所述剩余能量可用于除了本身 实施污泥处理过程之外的其他用途。
发明内容
本发明的目的尤其是克服现有技术的这些缺点。
更具体地说，在至少一个实施例中，本发明的目标是提供这样一种技术， 即，需要低能量消耗的技术。
明确地说，在至少一个实施例中，本发明旨在获得这样一种技术，即，其 实施能限制实现水解条件所需要的沼气消耗且增加可用以产生过剩能量的沼气 共享的技术，所述过剩能量可用于除了实施污泥处理过程之外的其他用途。
在至少一个实施例中，本发明的另一目标是提供用于对水处理过程中产生 的污泥进行处理的技术，其能够至少在较大程度上从污泥中消除不容易发酵部 分。
明确地说，在本发明的至少一个实施例中，本发明的目标是实施这样一种 技术，即，能够与现有技术相比产生含有减少了的不容易发酵的残余部分的废 料的技术。
在本发明的至少一个实施例中，本发明还旨在限制产生生物降解度低或不 可生物降解的可溶化合物。
在本发明的至少一个实施例中，本发明的又一目标在于提供这样一种技术， 即，用于处理大量污泥的技术。
在本发明的至少一个实施例中，本发明还旨在提供这样一种技术，即，可 靠的、实施起来简单的且相对经济的技术。
这些目标以及下文中将显现的其它目标借助于一种用于产生基本上不易腐 烂的污泥和能量的方法来实现，所述方法包含以下步骤：
(i)通过初级污泥消化获得经消化的污泥;
(ii)获得第一含水流出物和经消化的污泥，其通过对在所述步骤(i)获得 的所述经消化的污泥进行第一液体-固体分离而至少部分脱水;
(iii)获得经消化的污泥，其通过对在所述步骤(ii)获得的所述至少部分 脱水的经消化的污泥进行热水解而至少部分脱水和水解;
(iv)对在所述步骤(iii)获得的所述至少部分脱水和水解的污泥进行消化;
所述过程进一步包含：
-用于回收在所述消化和所述初级消化期间形成的沼气的步骤;以及
-用于从所述沼气产生能量的步骤，其包含用于产生实施所述热水解所需 要的能量的子步骤和用于产生过剩能量的子步骤，
所述沼气全部用以产生电力。
应注意，如本发明中所理解，术语“热水解”应理解为指代明确地为非生物 的水解模式。
因此，本发明依赖于组合对污泥进行的第一消化、(非生物)热水解与第二 消化的连续实施的原始做法。
第一消化(或初级消化)用以至少大部分降解所述污泥的容易发酵部分且 产生不容易发酵的消化产物。
所述分离步骤的实施能够排放含有在消化期间产生的生物降解度低或不可 生物降解的有机物质的流出物。因此，减少了在水解步骤的入口端处的生物降 解度低或不可生物降解的有机物质的量。这最终减少了在水解期间产生的生物 降解度低或不可生物降解的有机物质的量。另外，其减小了放置于下游的设备 的尺寸且减少了实行热水解所需要的能量消耗。
实施热水解以仅处理污泥的不容易发酵部分。此举产生如下结果，根据本 发明实施热水解所需要的能量低于现有技术中的热水解所需要的能量。实际上， 在现有技术中，实行热水解以处理所有污泥，即其可发酵部分和不容易发酵部 分两者。这需要较大能量输入。
热水解能够将不容易发酵的消化产物降解为容易发酵的水解消化产物。
这些可发酵污泥接着在第二消化期间得以消化，所述第二消化能产生至少 大部分没有可发酵部分的消化产物，然而所述消化产物含有非常不容易发酵的 部分，所述非常不容易发酵的部分也称为难处理或硬质部分。
此外，由于仅对污泥的不容易发酵部分进行热水解，所以与在现有技术相 比，实施热水解能产生较小量的生物降解度低或不可生物降解的可溶化合物。
根据本发明的过程能够产生大量沼气。另外，实行水解所需要的能量相对 较小，因为其仅对污泥的不容易发酵部分进行。因此，使用本发明的技术能够 首先产生尤其实现用于水解的压力和温度条件所需要的能量且其次产生可用于 除了本身实施污泥处理过程之外的其他用途的相当大部分的过剩能量(例如用 以对设施供电或者转卖给电力供应公司的电力、用以给建筑物加热的热(受热 流体(液体或气体))等)。
根据一个有利特征，根据本发明的过程包含用于再转化所述沼气的步骤， 所述再转化步骤包含用于向热电联产系统馈入沼气以便产生实施所述水解步骤 所需要的能量且产生过剩能量的步骤。
因此，将沼气馈入到热电联产系统能首先产生尤其达到用于水解的压力和 温度条件所需要的能量且其次产生可用于除了本身实施污泥处理过程之外的其 他用途的相当大部分的过剩能量(例如用以对设施供电或者转卖给电力供应公 司的电力、用以给建筑物加热的热(受热流体(液体或气体))等)。
根据另一有利特征，所述再转化步骤包含用于将沼气馈入到链接到电力产 生构件的马达的步骤和用于回收所述马达所释放的热以便达到用于所述水解步 骤的温度和压力条件的步骤。
在消化期间形成的全部沼气馈入连接到例如交流发电机等电力产生构件的 热电联产马达。回收马达所释放的热(例如，从排出气体和/或机油和/或冷却流 体回收)能够产生实行热水解所需要的所有热流体。因此，根据本发明，全部 沼气用以产生电力，这与现有技术有所不同，在现有技术中，至少50%的沼气 用以通过实施热电联产马达来产生电力，剩余气体馈入典型锅炉以大部分产生 用以获得实行水解所需要的压力和温度条件的热流体。
优选的是，根据本发明的过程包含用于获得第二含水流出物和经处理的污 泥的步骤，所述步骤是通过对在所述步骤(iv)获得的所述污泥进行第二液体- 固体分离来实施的。
此分离步骤的实施能够排放含有在消化期间产生的生物降解度低或不可生 物降解的有机物质的流出物以及没有容易发酵的有机物质的经脱水的经消化的 污泥。
有利的是，在1到20巴的压力下在50℃到200℃且优选为120℃到180℃的温 度下执行所述热水解20到120分钟。
这些间隔中所选择的热水解条件能够有效减少污泥的不容易发酵部分。
根据一个有价值的变型，优选地在等于饱和蒸气压力的压力下在165℃的温 度下实行所述热水解30分钟。
这些特定热水解条件能够最佳减少污泥的不容易发酵部分。
根据一个有利特征，所述初级消化和/或所述消化属于嗜温厌氧型。
在此情况下，在32℃到38℃的温度下实行所述消化操作5到15天。
根据另一有利特征，所述初级消化和/或所述消化属于嗜热厌氧型。
在此情况下，在52℃到58℃的温度下实行所述消化操作5到15天。
在初级消化操作的入口端处的悬浮物质的浓度为每升污泥25到65克MIS (悬浮物质)。
在消化操作的入口端处的悬浮物质的浓度为每升污泥100到150克MIS。
根据一个有利特征，在所述液体-固体分离步骤之前执行用于在初级消化之 后对所述污泥进行纤维分离的步骤。
在一个变型中，可在初级消化步骤之前执行纤维分离步骤。
纤维分离尤其能：
-进行所属领域的技术人员认为现有技术不可能进行的污泥处理;
-减小放置于上游或下游的消化池的尺寸;
-增大污泥的其它有机部分的停留时间。
本发明还涵盖一种用以实施根据本发明的方法的污泥处理设施，所述设施 包含具有入口和出口的热水解构件和用于对所述污泥进行消化的构件。
根据本发明，所述消化构件与用于引入污泥的构件连通，且所述水解构件 的所述入口和所述出口与所述消化构件连通，所述设施还包含放置于所述消化 构件的出口处的第一液体-固体分离构件以及用于回收来自所述消化构件的沼 气的构件。
再次，根据本发明，所述消化构件连接到沼气回收构件，所述沼气回收构 件包括链接到用于产生蒸汽和电力的构件的收集器，所述用于产生蒸汽和电力 的构件包含链接到产生电力的交流发电机的热电联产马达，所述热电联产马达 的排气线通往产生蒸汽的空气-水热交换器的入口以及用以将蒸汽传送到所述 热水解构件的管道。
此设施能够实施根据本发明的过程，其原理依赖于对污泥进行的第一消化、 热水解与第二消化的组合实施。
分离构件的实施能够排放含有在消化期间产生的生物降解度低或不可生物 降解的有机物质的流出物。因此，减少了在水解步骤的入口端处的生物降解度 低或不可生物降解的可溶有机物质的量，因此最终趋向于减少在此水解期间产 生的生物降解度低或不可生物降解的有机物质的量。
根据本发明的设施包括热电联产系统，所述沼气回收构件与所述热电联产 系统连通。
将沼气馈入到热电联产系统能够产生尤其达到用于水解的压力和温度条件 所需要的能量且产生可用于除了本身实施污泥处理过程之外的其他用途的相当 大部分的过剩能量(例如，以电力和/或热(热流体(空气和/或水)的形式)。
优选的是，所述热电联产系统包括热电联产马达，所述沼气回收构件通往 所述马达，所述热电联产马达链接到电力产生构件且具有用以将所述马达所释 放的热转移到水中以便产生蒸汽的构件。
在消化操作期间形成的全部沼气馈入链接到例如交流发电机等电力产生构 件的热电联产马达。回收马达所释放的热(例如，从排出气体和/或机油和/或冷 却流体回收)能够产生执行热水解所需要的所有热流体(例如，蒸汽)。因此， 根据本发明，全部沼气用以产生电力，这与现有技术有所不同，在现有技术中， 至少50%的沼气用以通过实施热电联产马达来产生电力，剩余气体馈入典型锅 炉以大部分产生用以获得执行水解所需要的压力和温度条件的热流体。
根据一个有利特征，所述消化构件包含消化池，所述消化池具有至少一个 入口和一个出口，所述出口与所述水解构件的所述入口连通，且所述入口与所 述水解构件的所述出口连通。
根据另一有利特征，所述消化构件包含初级消化池和次级消化池，所述初 级消化池和所述次级消化池各自具有入口和出口，所述初级消化池的所述入口 与所述用于引入污泥的构件连通，所述初级消化池的所述出口与所述水解构件 的所述入口连通，所述次级消化池的所述入口与所述水解构件的所述出口连通。
优选的是，所述第一液体-固体分离构件经配置以能达到等于或大于12%的 干燥度。
有利的是，根据本发明的设施包含放置于所述次级消化池的所述出口处的 第二液体-固体分离构件。
这些第二分离构件的实施能够排放含有在消化期间产生的生物降解度低或 不可生物降解的可溶有机物质的流出物以及没有可发酵的有机物质的经脱水的 经消化的污泥。
根据一个优选特征，根据本发明的设施包括放置于所述消化池与所述分离 构件之间或所述初级消化池与所述第一分离构件之间的纤维分离构件。
在一个变型中，所述纤维分离构件放置于所述消化池或初级消化池的上游。
此纤维分离构件的实施尤其能：
-处理所属领域的技术人员认为不可能通过实施现有技术来处理的污泥;
-减小放置于上游或下游的消化池的尺寸;
-增大污泥的其它有机部分的停留时间。
有利的是，所述热电联产马达具有通往空气-水热交换器的排气线，其中蒸 汽排放出口连接到所述热水解构件。
此实施能够简单且有效地产生实行热分解所需要的蒸汽。