污泥自热高温好氧消化方法

　　申请日2009.11.24

　　公开(公告)日2010.06.02

　　IPC分类号C05F7/00; C02F11/02

　　摘要

　　本发明公开了一种污泥自热高温好氧消化方法及其装置。该装置在所述污泥回流管连接反应器的位置，污泥回流管内放置有曝气管，曝气管为两端封闭结构，曝气管的侧面与鼓风机的进气管连通，曝气管开有用于曝气的曝气孔。当回流污泥流经设置有瀑气管的这一段回流污泥管道时被充分曝气，通过回流污泥在系统内部的不断循环，最终达到使反应器内部所有污泥被充分均匀曝气的目的。不仅使空气与污泥能更好地混合，加速好氧消化菌的繁殖与生长，提高污泥消化的效率，均质效果更好，运行费用更低，并提高了曝气效率，节省能源费用。本发明可在3～6天内，减少污泥中挥发性有机物45%以上，病原菌数量减少99%以上;污泥产品可达到A级生物固体的标准。

权利要求书

　　1.一种污泥自热高温好氧消化装置，该装置包括至少1个反应器，所述反应器包括罐体和盖在罐体上面的盖体;所述盖体的上方设有搅拌电机、进泥口和集气口;所述搅拌电机伸入罐体内，搅拌电机的下端设有叶片;所述罐体内设有水浴套，水浴套紧贴罐体内壁，水浴套内部设有电热管;所述罐体的下方设有排泥口，排泥口的分支与污泥回流管相连，污泥回流管与反应器相连通，其特征在于：所述污泥回流管其中一段的内部设有嵌层管，形成双层管道结构，污泥回流管与嵌层管之间形成一段圆形空腔，圆形空腔的两端为封闭结构，圆形空腔与鼓风机的进气管连通，嵌层管开有用于曝气的曝气孔。

　　2.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化装置，其特征在于：所述装置包括N个反应器，N大于等于2，各个反应器通过污泥回流管相互连通。

　　3.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化装置，其特征在于：所述污泥回流管的直径为70～100mm，嵌层管的直径为50～70mm，嵌层管的长度为300～700mm，曝气孔为多个，曝气孔均匀分布在嵌层管上，曝气孔的形状为圆形、椭圆形、矩形或者正多边形，曝气孔直径为1～3mm。

　　4.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化装置，其特征在于：所述嵌层管与污泥回流管为同轴线放置。

　　5.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化装置，其特征在于：所述盖体的上方设有两个温度传感器，其中一个温度传感器伸入罐体内部，另一个温度传感器伸入水浴套内部;所述盖体的上方设有2个或2个以上的反光镜;所述罐体内的上部设有消泡丝;所述鼓风机设有转子流量计，转子流量计位于鼓风机的进气管上。

　　6.根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化装置，其特征在于：所述罐体为平底圆柱形、圆锥形或卵形。

　　7.一种利用权利要求1所述的装置进行污泥自热高温好氧消化的方法，其特征在于：该方法包括以下操作步骤：

　　(1)将原料污泥通过进泥口注入罐体;在水浴套内部注满水;开启搅拌电机和鼓风机，通过转子流量计控制曝气量为0.1～0.4m3/min;通过调节污泥回流管的阀门，使回流污泥以0.05～0.8m3/min的流量进行循环曝气;开启电热管，调节温度至50～70℃，开始进行驯化反应;

　　(2)7～10天后通过排泥口排出反应器中污泥总体积50%～80%的污泥，再加入与排出污泥相同体积的原料污泥;

　　(3)重复步骤(2)，直至反应器中温度达到50～70℃，驯化反应结束;

　　(4)在50～70℃条件下消化反应3～6天，通过排泥口将反应器中污泥总体积50%～80%的污泥排出，排出的污泥即为消化污泥。

　　8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述原料污泥的悬浮固体浓度为质量百分比5%～8%和挥发性有机物浓度为25～50g/L;步骤(1)所述搅拌电机的转速为100～110r/min;步骤(1)所述鼓风机的空气压力为0.2～0.4MPa;步骤(3)所述驯化反应的时间为20～30天。

　　9.一种利用权利要求2所述的装置进行污泥自热高温好氧消化的方法，其特征在于：该方法包括以下操作步骤：

　　(1)将原料污泥通过进泥口分别注入N个罐体中;在水浴套内部注满水;开启搅拌电机和鼓风机，通过转子流量计控制曝气量为0.1～0.4m3/min;通过调节污泥回流管的阀门，使回流污泥以0.05～0.8m3/min的流量在罐体间进行循环曝气;开启电热管，调节温度至50～70℃，开始进行驯化反应;

　　(2)5～7天后通过排泥口排出第一个反应器中污泥总体积50%～80%的污泥，再将第二个反应器中与排出污泥相同体积的污泥补充到第一个反应器中，依此类推，在第N个反应器中加入与排出污泥相同体积的原料污泥;

　　(3)重复步骤(2)，直至第N个反应器中温度达到50～70℃，驯化反应结束;

　　(4)在50～70℃条件下消化反应3～6天后，通过排泥口将每个反应器中污泥总体积50%～80%的污泥排出，排出的污泥即为消化污泥。

　　10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述原料污泥的悬浮固体浓度为质量百分比5%～8%和挥发性有机物浓度为25～50g/L;步骤(1)所述搅拌电机的转速为100～110r/min;步骤(1)所述鼓风机的空气压力为0.2～0.4MPa;步骤(3)所述所述驯化反应的时间为14～20天。

　　说明书

　　一种污泥自热高温好氧消化方法及其装置

　　技术领域

　　本发明涉及环境保护和资源综合利用领域，特别涉及一种污泥自热高温好氧消化方法及其装置。

　　背景技术

　　我国城市污水厂每年排放湿污泥达千万吨，目前，上海、深圳已经完成了污泥处置规划编制工作，北京、天津等城市污泥处置规划正在编制过程之中。目前污泥处理方法有3种：焚烧、填埋和资源化利用。焚烧和填埋都有巨大的缺陷，焚烧工艺投资巨大，易造成大气污染;国内多采用填埋，但需要占用大量的土地，同时会造成环境的二次污染。由于污水处理厂脱水污泥含水量高，大大增加了填埋渗滤液产生量，若不及时疏通，势必加重垃圾坝承载负荷，存在垮坝的危险，另一方面脱水污泥颗粒细小，极易堵塞渗滤液收集和排水管道。大量污泥进入后，由于污泥的流变性，使得场内垃圾填埋体容易变形、滑坡，成为人为“沼泽地”，给场区内带来极大安全隐患。填埋场为了自身的运行安全，拒绝接收污泥，此外，国内像广州这种土地再生资源很少的城市，难以长期采用垃圾填埋方式。

　　对污泥的资源化利用关键在于污泥的减量化、稳定化、无害化，国内现有污水处理中有污泥无害化处置设施的还不到1/4，大部分的污泥，由于没有经过这步处理，造成后续污泥脱水和处理成本很高，带来一系列环境问题。城市生活污水处理厂的设计和操作也回避了这个问题，直接用机械脱水，这造成大量的污泥、使用大量的化学药品(如絮凝剂)、需要大功率的脱水设备和很高的处理成本。这样工艺产生的污泥，给污泥后续处置带来的一系列环境问题。国内目前对污泥处理处置的问题非常关注，法规和政策等正日益与国际接轨。污泥的减量化、稳定化、无害化必然是国内未来的发展方向。自动升温好氧消化或高温好氧消化(ATAD)作为一种新型的污泥处理技术基本实现了污泥的资源化利用，在国外越来越受到广泛重视。

　　ATAD工艺因其较高的灭菌能力而成为美国国家联邦环保局USEPA推荐生产A级生物固体技术，USEPA在1993年发布了生物固体使用和排放的技术标准(40CFR Part 503)，其中推荐应用A级生物固体，A级生物固体必须是不含病原体和其它一些金属元素含量合格的产品，并可以用于草地和花园或包装销售。如：佛罗里达州年产25.3万吨的生物固体，其中75%被资源化利用(66%被用于农业土壤使用，9%通过市场销售到达用户手里)，另外有9.5万吨颗粒状的生物固体从其他州进口，用于农用市场。欧盟可持续发展政策也鼓励生物固体用于农田(Environment DG，2001)。

　　USEPA的生物固体使用和排放的技术标准(40CFR Part 503)，也优先推荐使用污泥热消化技术以达到A级生物固体的要求，其中最为引人关注的一项尖端技术为污泥的自热好氧消化(ATAD)。ATAD污泥处理系统在USEPA Part 503技术标准颁布以来开始规模性地投入应用，工艺日益成熟，到2000年6月，有大约35个ATAD系统应用在北美(美国25个，加拿大10个)，有大约40个用在欧洲。在加拿大不列颠哥伦比亚省，ATAD污泥处理技术的科研和应用早在1976年就开始了，1981年在省的镇建立了第一个中试系统，在80年代末建立了三个生产型的ATAD系统，并在UBC大学开展了更多的开发工作。

　　现有的ATAD工艺的曝气设备一般是在反应器底部铺设曝气管道，但是这样的曝气方式存在氧气传递效率较低，并且曝气孔容易堵塞，影响整个工艺的稳定运行的缺点。有的ATAD工艺选择纯氧曝气以提高氧气传递效率，但是纯氧曝气成本极高，难以工业化推广。

　　本发明涉及改进的空气曝气污泥自热高温好氧消化，克服了传统曝气系统的缺点，在提高氧的传质效率的同时大大降低了曝气成本。在ATAD工艺中，耐热微生物分散在污泥中，氧化其中的有机物，这是个放热的过程，释放的热维持ATAD生物反应器中的热平衡，污泥消化过程产生的热可以维持系统在恒定的温度下工作而不需要外部供热，该系统是个自供热体系。经高温处理的好氧生物固体，不含病原菌，在林地土壤施肥应用上是安全和有益的。ATAD工艺同传统好氧消化工艺比较，ATAD不仅产生巴氏杀菌生物固体，并提供有益而又稳定的最终产品，具有系统投资少，运行过程能耗少，可以减少污泥有机物含量40%以上，消化时间短(ATAD 3～6天，传统消化工艺15～20天)，和更小的消化池体积。由于ATAD工艺具有许多的实施优点，ATAD系统在世界上的应用数量快速增加，我国同样需要研究和发展该工艺来填补和满足工业上的需求。

　　发明内容

　　为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明首先提供了一种带有改进的曝气系统的污泥自热高温好氧消化装置，提高了整个消化反应器内部气体的传质效率，并大大节省了运行的能源消耗，缩短了污泥消化的周期。

　　本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行污泥自热高温好氧消化的方法;该方法消化效果好、运行成本低、管理维护方便、能够产生A级生物固体。

　　本发明的目的通过如下技术方案实现：一种污泥自热高温好氧消化装置，该装置包括至少1个反应器，所述反应器包括罐体和盖在罐体上面的盖体;所述盖体的上方设有搅拌电机、进泥口和集气口;所述搅拌电机伸入罐体内，搅拌电机的下端设有叶片;所述罐体内设有水浴套，水浴套紧贴罐体内壁;所述水浴套内部设有电热管;所述罐体的下方设有排泥口，排泥口的分支与污泥回流管相连，污泥回流管与反应器相连通，其特征在于：所述污泥回流管其中一段的内部设有嵌层管，形成双层管道结构，污泥回流管与嵌层管之间形成一段圆形空腔，圆形空腔的两端为封闭结构，圆形空腔与鼓风机的进气管连通，嵌层管开有用于曝气的曝气孔。

　　所述装置包括N个反应器，N大于等于2，各个反应器通过污泥回流管相互连通。

　　所述污泥回流管的直径为70～100mm，嵌层管的直径为50～70mm，嵌层管的长度为300～700mm，曝气孔为多个，曝气孔均匀分布在嵌层管上，曝气孔的形状为圆形、椭圆形、矩形或者正多边形，曝气孔直径为1～3mm。

　　所述嵌层管与污泥回流管为同轴线放置。

　　所述盖体的上方设有两个温度传感器，其中一个温度传感器伸入罐体内部，另一个温度传感器伸入水浴套内部;所述盖体的上方设有2个或2个以上的反光镜;所述罐体内的上部设有消泡丝;所述鼓风机设有转子流量计，转子流量计位于鼓风机的进气管上。

　　所述罐体为平底圆柱形、圆锥形或卵形。

　　一种利用上述包括1个反应器的装置进行污泥自热高温好氧消化的方法，该方法包括以下操作步骤：

　　(2)7～10天后通过排泥口排出反应器中污泥总体积50%～80%的污泥，再加入与排出污泥相同体积的原料污泥;

　　(3)重复步骤(2)，直至反应器中温度达到50～70℃，驯化反应结束;

　　(4)在50～70℃条件下消化反应3～6天，通过排泥口将反应器中污泥总体积50%～80%的污泥排出，得到消化污泥;该消化污泥即可达到A级生物固体的标准。

　　步骤(1)所述原料污泥的悬浮固体浓度为质量百分比5%～8%和挥发性有机物浓度为25～50g/L;步骤(1)所述鼓风机的空气压力为0.2～0.4MPa;步骤(3)所述驯化反应的时间为20～30天。

　　一种利用上述包括N个反应器的装置进行污泥自热高温好氧消化的方法，该方法包括以下操作步骤：

　　(3)重复步骤(2)，直至第N个反应器中温度达到50～70℃，驯化反应结束;

　　(4)在50～70℃条件下消化反应3～6天后，通过排泥口将每个反应器中污泥总体积50%～80%的污泥排出，得到消化污泥;该消化污泥即可达到A级生物固体的标准。

　　步骤(1)所述原料污泥的悬浮固体浓度为5%～8%(质量百分比)和挥发性有机物浓度为25～50g/L;步骤(1)所述鼓风机的空气压力为0.2～0.4MPa;步骤(3)所述所述驯化反应的时间为14～20天。

　　本发明还可以通过沉淀和离心方法提高污泥的预浓缩效率和效果，确保进泥的悬浮固体浓度(TSS)的质量百分比为5%～8%以及挥发性有机物(VSS)的浓度为25～50g/L，从而使反应器内部的微生物能够有充足的有机物来进行分解，释放的热量用以维持反应器的正常消化温度。

　　污泥好氧消化是基于微生物的内源呼吸原理，当系统中的基质浓度很低时，微生物消耗自身的原生质以获取生存所必须的能量，最终氧化分解的细胞组织约占整个生物体的75%～80%，剩下的20%～25%由惰性物质和不可生物降解的有机物组成，这部分产物在生物学上很稳定，适于各种最终处置途径。而在污泥自热高温好氧消化工艺中，起主要消化作用的是一类好氧嗜热菌，其在50～70℃活性最好，而此时绝大部分的其他微生物都不能适应此环境条件，出现死亡或者活性下降，最终好氧嗜热菌成为系统内的优势种群。驯化反应的目的正是通过不断升高温度到50～70℃，使好氧嗜热菌成为系统内的优势种群，从而保证最终污泥消化的效果。本发明中取反应器污泥总体积50%～80%的污泥出来再补充相同体积原料污泥进去，如此循环操作的目的主要是为了加快驯化培养的过程，因为第一次留在反应器内的那部分污泥中所含的微生物已经绝大部分是嗜热好氧菌了，再加入新的原料污泥后能很快在与其他微生物种群的竞争中占据优势地位，而且新的原料污泥中含有大量未被分解的有机物，也为其快速繁殖提供了条件。

　　当回流污泥流经设置有嵌层管的这一段回流污泥管道时被充分曝气，通过回流污泥在系统内部的不断循环，最终达到使反应器内部所有污泥被充分均匀曝气的目的。

　　反应进行时，通过消泡丝和由疏水性材料制成的反应罐内壁使反应产生的大量泡沫破裂(约97%)，避免了泡沫对反应速度和效率造成的影响。

　　本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

　　(1)本发明装置通过改进的空气曝气，当回流污泥流经设置有曝气管的这一段回流污泥管道时被充分曝气，通过回流污泥在系统内部的不断循环，最终达到使反应器内部所有污泥被充分均匀曝气的目的;同传统曝气方法相比，不仅使空气与污泥能更好地混合，加速好氧消化菌的繁殖与生长，提高污泥消化的效率，均质效果更好，运行费用更低，并提高了曝气效率，节省能源费用。

　　(2)本发明可以在3～6天内，减少污泥中挥发性有机物45%以上，病原菌数量减少99%以上;最终污泥产品可达到美国EPA规定的可资源回收利用的A级生物固体的标准，可直接用于农田施肥、园林施肥、填埋土等;污泥实现减量化、稳定化、无害化。

　　(3)系统占地及体积小，建设投资及运行费用较低，工艺成熟，系统运行稳定;