污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法

　　申请日2009.09.15

　　公开(公告)日2010.03.03

　　IPC分类号C02F11/00; C02F11/12; C02F11/02

　　摘要

　　本发明公开了一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离及固体浓缩装置，污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合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，污泥好氧消化反应装置出泥系统为底部出泥，并附加气提升管。本发明中污泥消化能够达到的效果为：在4天的污泥停留时间内，获得40%以上有机物去除率;去除每千克有机物耗电为1.4kW·h;污泥中病原体杀灭能够达到“未能检测”的标准;污泥自动分离浓缩能够达到的效果为：污泥中SS的捕获率超过99%;浓缩污泥的含固率达到12%以上。

　　权利要求书

　　1、一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离装置及固体浓缩装置，所述污泥进泥装置出泥口连接所述污泥好氧消化反应装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置出泥口连接所述固液两相流自动分离装置进泥口，其特征在于：所述污泥好氧消化反应装置包括一个潜置于地下的钢筒，一个置于钢筒顶端地上的顶部脱气池，

　　所述污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合区以及高温灭菌区三个水力分离的独立功能区;

　　钢筒上部以及顶部脱气池构成内循环区，内循环区包括一个直径小于主体钢筒的中心套筒并被安装在主体钢筒的上部，中心套筒与主体钢筒壁形成一个环形空间，中心套筒与环形空间在它们的上部和下部分别通过顶部脱气池和污泥好氧消化反应装置空间连接，组成一个完整的循环回路，中心套筒是污泥的下降区，环形空间是污泥的上升区;

　　所述污泥好氧消化反应装置进泥口设置在环形套筒中，进泥管为环状穿孔管，所述环状穿孔管连接有空气管，在中心套筒下安装第一级高压空气水下均流布气装置;

　　全混式混合区位于内循环区以下，全混式混合区底部设置有第二级高压空气水下均流布气装置，全混式混合区接受来自内循环区的出泥，这是一个单向的污泥流，全混式混合区最终运行温度为50~60℃;

　　高温灭菌区位于全混式混合区以下至钢筒的底部，在高温灭菌区底部设置出泥管，在高温灭菌区的出泥口位于反应区中心，出泥口为喇叭状。

　　2、根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥进泥装置包括一套格栅除渣机、一套污泥储存池和配套的污泥螺杆泵，所述污泥螺杆泵连接在污泥进泥装置的出泥口。

　　3、根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述钢筒外壁有砼护壁。

　　4、根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥自热好氧消化装置底部出泥管中有气提装置。

　　5、根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述高压空气水下均流布气装置为圆柱形，沿圆周安装锯齿形出流堰，进气口沿曝气面均匀布置，进气口分别与独立进气管连接。

　　6、根据权利要求1所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其特征在于：所述污泥好氧消化反应装置环形空间与顶部脱气池的中间有一组导流管，导流管的进口端在环形空间的外壁上，出口端靠近顶部池池壁。

　　7、根据权利要求1-6任意一项所述的一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统的污泥处理方法，其特征在于包括以下步骤：

　　a、将通过预浓缩后污泥含固率为3%～4.5%的原污泥输送至内循环区的上升管内;

　　b、将高压空气输送至内循环区，在空气提升的作用下，污泥开始进行内循环单向流动，在循环流动过程中，微生物摄取空气中的氧对原污泥进行氧化分解，为“第一次污泥消化”，在内循环过程中完成了第一次生物消化后污泥，为 “内循环出泥”;

　　c、内循环出泥以潜流的方式与单向的循环污泥流分离，并以活塞流的形式进入下部的全混混合区，成为全混混合区的进泥;

　　d、将高压空气输送至全混混合区下部，气体对污泥进行搅拌，污泥摄取空气中的氧对污泥中残余有机物进行进一步氧化分解，完成第二次污泥消化后的污泥为全混混合区出泥;

　　e、全混合混合区出泥在导流板及导流管的引导下，进入污泥好氧消化反应装置底部的高温灭菌区，这个区域利用高温和足够的停留时间来对污泥中病原体进行杀灭;

　　f、高温灭菌后污泥成为污泥好氧消化反应装置最终处理后污泥，经喇叭口收集进入出泥管内;

　　g、通过气提管对出泥管注入大气泡提升出泥的流速，使出流污泥以0.8m/s以上的速度排出;

　　h、污泥好氧消化装置的出泥成为气泡发生池的进泥，气泡发生池的进泥区设计为“跌水区”，进泥在“下跌”过程中势能转换为搅拌的动能，为污泥混合的搅拌提供能量;

　　i、污泥进入气泡发生池后，用于在消化装置出泥管中提升污泥流速的气泡迅速释放，这部分气泡是相对较大且不均匀的，能够在跌水造成的搅拌强度下促进溶解空气以微小气泡的形式释放;

　　j、在气泡发生池内设置超越旁流槽，当来料污泥瞬时流量过大时，气泡发生池将会溢流进入旁流槽，直接进入浓缩污泥储存池;

　　k、完成了气泡产生的污泥流进入与气泡产生池共壁连接的非均匀气泡成核固液两相流自动分离装置及固体自动浓缩装置，在个装置内污泥的水力流态表现为平流式，污泥颗粒在进水区内的缓慢搅拌作用的促进下，通过互相的碰撞集结在一起形成絮体，污泥流中过饱和溶气释放产生的微小气泡聚集并粘附与污泥絮体的周围，形成一个以污泥絮体为核的气固混合物，在此称之为 “污泥胶团”;

　　l、所述“污泥胶团”的密度小于固液两相流中水的密度，将会自动上浮，并浓缩聚集在固液两相流自动分离装置及固体自动浓缩装置的顶部。

　　说明书

　　一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种利用井式污泥好氧消化反应装置对城市污泥进行好氧消化并对产物进行自动分离浓缩的系统及其方法，尤其涉及一种井式内循环污泥好氧消化反应装置。

　　背景技术

　　城市污泥是对城市污水进行生物处理过程中产生的副产品。微生物利用污水中有机物作为底物进行新陈代谢，并自我增殖产生的多余菌体以及通过物化作用(如沉淀，絮凝)使污水中悬浮性物质分离产生的固体组成了城市污泥。定性地说，城市污泥是由机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。就我国的城市污泥性质而言，污泥中有机物含量平均达到65%，并含有大量的N、P等营养物质(其中N含量1.5%~7.0%，P含量0.8%~3%)。

　　城市污泥在进行最后处置之前，需对其进行消化处理。消化处理的要求包括以下三个方面：

　　1、稳定化处理：对污泥中有机物达到40%以上的去除率;

　　2、减量化处理：减少污泥组分中水的比例，缩小污泥的体积;

　　3、无害化处理：杀灭污泥中的病原体达到“未能检测”程度。

　　污泥好氧消化处理原理是在缺少环境有机底物情况下，微生物产生内源呼吸作用，利用氧气对自身进行氧化分解，同时释放热量。

　　ATAD(自动升温高温好氧消化工艺)是污泥好氧消化的典型工艺，具有使污泥稳定化、无害化的处理效果。含固率为4~6%的原污泥通过进泥管道被引入污泥好氧消化反应装置反应区内。含氧的气体，通常是空气，被输送至位于污泥好氧消化反应装置底部的曝气系统。曝气系统对输入的管道气体进行切割，形成条形小气泡从而增大氧气向污泥传导的效率，污泥好氧消化反应装置内搅拌器对原污泥进行搅拌增强其传质作用并减少污泥好氧消化反应装置内流态“死角”的产生。在污泥好氧消化反应装置反应区内，微生物利用溶解性的氧气为电子供体，利用自身有机质为碳源进行自身氧化分解的生化反应，完成对原污泥的消化并同时产生热量。氧化分解的产物是CO2、H2O、NH4+，原污泥中未能生物降解部分构成了消化后污泥。工艺利用产生的热量(热量不足时，需通过污泥好氧消化反应装置内换热装置补充)完成对污泥的升温，并基于巴氏消毒法原理对污泥中病原体进行杀灭。

　　在传统的ATAD系统中，一般具有2~3个生物消化污泥好氧消化反应装置，它们彼此串联为一个多级好氧消化系统。进料污泥为经过预浓缩的原污泥(一般含固率为3%~6%)，进、出料方式为间歇式。污泥好氧消化反应装置中典型的曝气设备为叶轮式和文丘里曝气搅拌器。污泥好氧消化反应装置外壁一般包裹保温隔热材料用以对污泥好氧消化反应装置保温。

　　ATAD设置多级好氧消化的工艺思想是将污泥消化功能分离。以应用较为广泛的 2级ATAD工艺为例，在第一污泥好氧消化反应装置中主要完成污泥中有机物的降解并释放热量对污泥完成主要升温;第二污泥好氧消化反应装置利用污泥中残余有机物继续降解所释放的热量，来进一步提升污泥温度，并提供足够的污泥停留时间，依据巴氏消毒原理对污泥进行病原体杀灭得到A级生物固体。

　　含固率为4%~6%的原污泥通过进泥管道间歇地被引入第一个污泥好氧消化反应装置内，对污泥好氧消化反应装置进行曝气。进料污泥的温度一般为10~20℃，进料中的微生物包括低温消化菌与中温消化菌。在起初的生物氧化阶段，污泥中的有机物被中温消化菌氧化分解，同时释放热量对污泥加热至约45℃，此时高温消化菌成为优势菌体。高温消化菌随即对污泥中有机物进行快速降解，并利用降解过程中产生的热量将污泥温度提升至45~50℃。至此，在第一污泥好氧消化反应装置内的生物降解过程(称之为第一反应过程)完成，这个过程有机物去除率占系统总去除率的70%以上;第一污泥好氧消化反应装置的主要功能是完成对污泥中有机物的大量去除，并利用有机物降解过程的发热对污泥升温至高温消化条件。

　　第一污泥好氧消化反应装置内污泥同样间歇地进入第二污泥好氧消化反应装置。以污泥停留时间10天为例：曝气每天停止1个小时，在停止曝气时间内，先将第二污泥好氧消化反应装置内1/10容积的污泥排除系统，随后，第一污泥好氧消化反应装置内1/10容积的污泥输送至第二污泥好氧消化反应装置，并同时向第一污泥好氧消化反应装置输送等量的待消化原污泥。

　　在第二污泥好氧消化反应装置内以高温消化菌为优势菌群，高温消化菌对有机物进行快速降解并释放热量。污泥中的残余有机物被进一步降解，伴随此过程所释放的热量通过搅拌传热对系统加热，使整个污泥好氧消化反应装置内的温度达到60 ℃。第二污泥好氧消化反应装置为污泥中病原体的杀灭提供足够的停留时间，并且在出泥口设置热交换装置回收部分热量对进料污泥进行加热。

　　第二污泥好氧消化反应装置的功能是：为高温灭菌提供足够的温度以及相应的污泥停留时间，并对污泥中有机物进行进一步降解。

　　在此出现的术语进行解释如下：

　　“消化”是指：对污泥中有机物进行分解，将结构复杂的有机物转换成CO2和 H2O;

　　“原污泥”是指：未经消化反应的城市污泥，它是一种固/混合物，固体成分包括各种形式的有机物，无机质，细菌残体，胶体，液体部分是水;

　　“含固率”是指：污泥混合物中固体成分的质量分数;

　　“低温、中温、高温消化菌”：

　　是根据微生物生存所适应的环境温度条件划分的微生物种类，其低温、中温、高温消化菌所对应的运行温度分别为：10℃~20℃、20℃~45℃、45℃~60℃。由于高温消化菌对有机物的降解速率快，并且产生大量的释放热，所以污泥消化工艺应尽可能的在高温消化状态下进行。

　　完成消化后污泥从出泥管道排出。在进行后续机械脱水之前，需要进行固/液分离。分离一般在独立的固/液分离器中进行，ATAD使用沉淀池在投加定量混凝剂情况下，依靠污泥的重力作用完成污泥的沉淀分离。

　　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消化工艺中不足：

　　●ATAD工艺曝气方式下，氧气利用率(OTE)为10%~15%，意味着工艺中需要供给微生物摄氧量6~10倍的氧气，多余的剩余气体排放。大量供给的剩余气体不仅浪费了能耗而且带走了热量，影响系统的热平衡。工艺通常为了维持热平衡而降低曝气速率，使污泥消化在“微好氧”条件下进行(通常系统利用外加热能保证热平衡)。较低的曝气速率致使生化反应速率降低，污泥所需消化时间增大(ATAD达到有机物去除40%需要的生物氧化时间为8~12d)，8~12d的SRT 意味着生物污泥好氧消化反应装置的体积为日处理污泥体积的8~12倍;

　　●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;

　　●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;

　　●以沉淀池形式的固/液分离方式，得到的浓缩污泥含固率只有大约6%。

　　对改良型工艺需要改进的方面是：

　　1、提高氧气的利用率，减少空气的需求量;

　　2、改良高温消化菌的回流系统，将系统总体控制在高温消化状态，提高生物降解速率;

　　3、消除NH4+的影响，提高蛋白质，脂肪类的去除效率，而提高污泥产物的脱水性能;

　　4、增强固/液分离的效果，增大浓缩污泥含固率。

　　发明内容

　　针对上述问题，本发明提供一种在获得符合美国EPA中A级生物固体污泥的条件下实现提高污泥生物氧化的速率，节省动力的消耗，以及减少污泥体积的污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统及其方法。

　　本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

　　一种污泥自热高温好氧消化固液自动分离系统，其包括污泥进泥装置、污泥好氧消化反应装置和固液两相流分离及固体浓缩装置，所述污泥进泥装置出泥口连接所述污泥好氧消化反应装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置出泥口连接所述固液两相流分离及固体浓缩装置进泥口，所述污泥好氧消化反应装置包括一个潜置于地下的钢筒，一个置于钢筒顶端地上的顶部脱气池，

　　所述污泥好氧消化反应装置包括有内循环区、全混式混合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;

　　污泥好氧消化反应装置进泥口设置在环形套筒中，进泥管为环状穿孔管，所述环状穿孔管连接有空气输送管，在中心套筒下安装第一级高压空气水下均流布气装置;

　　全混式混合区位于内循环区以下，全混式混合区底部设置有与第二级高压空气水下均流布气装置为全混式混合区供气，全混式混合区接受来自内循环区的出泥，这是一个单向的污泥流，全混式混合区最终运行温度为50~60℃;

　　高温灭菌区位于全混式混合区以下直至反应器钢筒的底部，在高温灭菌区底部设置出泥管，出泥管端部设置喇叭口集泥装置，在高温灭菌区的出泥口位于反应区中心。

　　所述污泥进泥装置包括一套格栅除渣机、一套原污泥储存池和配套的污泥螺杆泵，所述污泥螺杆泵连接污泥好氧消化反应装置的进泥管。

　　所述钢筒外壁有砼护壁。

　　所述高温灭菌区底部出泥管中装配有气提管与喇叭口集泥器。

　　所述高压空气水下均流布气装置为圆柱形，沿圆周安装锯齿形均流堰，布气器沿曝气面均分4个曝气口，并分别与4根独立的空气进气管道相连。

　　所述污泥好氧消化反应装置环形空间与顶部脱气池的中间有一组导流管，导流管的进口端在环形空间的外壁上，出口端靠近顶部脱气池池壁。

　　所述固液两相流自动分离装置及固体自动浓缩装置包括一个带旁流超越槽的 “气泡发生池”，一个与“气泡发生池”共壁的浓缩污泥储存池、一个与“气泡发生池”相连的非均匀气泡成核固液两相流自动分离装置。

　　一种污泥自热好氧消化固液自动分离方法，其包括以下步骤：

　　a、将通过预浓缩后污泥含固率为3%～4.5%的原污泥输送至内循环区的上升管内;

　　b、将高压空气输送至内循环区，在空气提升的作用下，污泥开始进行内循环单向流动，在循环流动过程中，微生物摄取空气中的氧对原污泥进行氧化分解，称之为“第一次污泥消化”，在内循环过程中完成了第一次生物消化后污泥，称之为“内循环出泥”;

　　c、内循环出泥以潜流的方式与单向的循环污泥流分离，并以活塞流的形式进入下部所谓全混混合区，成为全混混合区的进泥;

　　d、将高压空气输送至全混混合区下部，气体对污泥进行搅拌，污泥摄取空气中的氧对污泥中残余有机物进行进一步氧化分解(污泥消化)，称之为“第二次污泥消化”;完成第二次污泥消化后污泥，称之为“全混混合区”出泥;

　　e、全混合混合区出泥自流进入污泥好氧消化反应装置下部第三个反应区，称之为“高温灭菌区”，这个区域不进行曝气，利用区域内的高温和提供足够的停留时间来对污泥中病原体进行杀灭;

　　f、高温灭菌后污泥成为污泥好氧消化反应装置最终处理后污泥，经喇叭口收集进入出泥管内;

　　g、通过气提管对出泥管注入大气泡提升出泥的流速，使出流污泥以0.8m/s以上的速度排出;

　　j、在气泡发生池内设置超越旁流槽，当来料污泥瞬时流量过大时，气泡发生池将会溢流进入旁流槽，直接进入浓缩污泥储存池;

　　k、完成了气泡产生的污泥流进入与气泡产生池共壁连接的非均匀气泡成核固液两相流分离装置，在个装置内污泥的水力流态表现为平流式，污泥颗粒在进水区内的缓慢搅拌作用的促进下，通过互相的碰撞集结在一起形成絮体，污泥流中过饱和溶气释放产生的微小气泡聚集并粘附与污泥絮体的周围，形成一个以污泥絮体为核的气固混合物，在此称之为“污泥胶团”;

　　l、所述“污泥胶团”的密度小于固液两相流中水的密度，将会自动上浮，并浓缩聚集在固液两相流分离装置的顶部。

　　本发明能够达到的效果：

　　1、整个污泥好氧消化反应装置内无活动件;

　　2、污泥好氧消化反应装置能够自动升温30～50℃，最高可以达到55℃;

　　污泥中有机物生物降解过程是一个放热过程，其放热能力为去除每千克有机物放热23000KJ。在所述污泥好氧消化反应装置中，原污泥进入消化反应装置后，污泥中有机物在生物消化过程中释放热量，此时由于原污泥温度与环境温度(主要是地下反应区周围土壤温度，一般为25℃)的温度差别小，而呈现出较小的温差梯度，有机物消化释放的热量向周围环境传导的热量少，而用于对进料污泥升温的热量多，所以污泥呈现出较快的升温速度。随着污泥温度的升高，其与周围环境的温差梯度增大，此时释放的热量较多地向周围环境传递，而用于污泥升温的热量减少，污泥的升温速度减慢，直至有机物消化释放的热量与向周围环境传递的热量平衡，污泥的升温停止，系统达到热工平衡。

　　通过我们的热工计算，当污泥中有机物含量为60%～80%时，我们的反应装置能够实现30～55℃的自动升温。

　　3、能够实现浓缩污泥(TS=3～4.5%)的稳定内循环;污泥好氧消化反应装置能实现循环区、全混混和区、高温灭菌区实现水力流态分离，处理功能目标明确的“单元操作”;

　　4、进料污泥能在5min内，均匀分布于ICZ区内表现为ICZ内各点性质一样;

　　5、ICZ、CMZ、PZ分别控制为活塞流、混流、活塞流流态;

　　6、系统获得超过50%～80%的氧气传导率，剩余气体的排放量为9.7m3/kgVSS去除;

　　7、在4天停留时间内，有机物去除率超过40%，沙门氏菌，大肠杆菌等病原体达到“不能检测”污泥产物达到EPA中A级生物固体要求;

　　8、电耗参数为1.4kW·h/kgVSS去除;

　　本发明中，污泥好氧消化反应装置对于有机物去除的电耗为1.4kW·h/kgVSS 去除，而在ATAD工艺中此数值为2.3，所述发明工艺省电40%。这是由于，在所述井式污泥好氧消化装置中利用高压曝气增大污泥中氧气的溶解度，提高氧气利用率，减小空气输入动力消耗。并且，利用输入进行污泥搅拌节省机械搅拌所需能量。

　　根据可压缩流体动力输出需求公式，气量输出减小1半动力输出减少1半，而压力输出增大1倍，动力输出不是增大1倍，而是大约0.5倍。

　　本发明中在高压状态下输入空气，减少空气输出量。由于高压输气增大了空气输入设备(空压机)的输出功率，但是同时气量的减少使空气输入设备的输出功率成倍地减少。综合比较，空气输出部分呈现节能。

　　9、VOC排放量少，利用生物滤池进行尾气处理可以达到99%的VOC去除率;

　　10、污泥中的有机氮以铵盐的形式被固定，磷元素以20～40倍的浓度被富集在消化污泥中，增加了污泥产物的肥性使消化污泥成为了良好的生化肥料;

　　11、经过消化处理后污泥，使用离心脱水机能脱水至含固率35～40%;

　　本发明中，利用污泥好氧消化反应装置对污泥好氧消化过程中，能够实现对微生物细胞的裂解使细胞中的结合水得以释放，而细胞中的结合水是污泥脱水中最难脱除的部分。另外，影响污泥脱水性能的NH4+以碳酸盐的形式被固定，消除了阳离子对污泥脱水的影响。

　　并且通过非均匀气泡成核技术分离浓缩后污泥，实现含固率为12%的浓缩污泥，完成了预浓缩。经过后续的离心脱水可以使污泥的含固率达到35～40%。

　　在此出现的代号解释如下：

　　ICZ：内循环区(Internal Cycle Zone)

　　CMZ：全混式混合区(Complete-mixing Zone)

　　PZ：高温灭菌区(Pasteurized Zone)