申请日2004.02.04
公开(公告)日2007.03.07
IPC分类号C02F11/04; C02F3/28
摘要
本发明涉及一种复合型的城市生活垃圾与污水厂污泥的厌氧消化处理并回收沼气和土壤调理剂的技术。城市生活垃圾充填于固相水解消化反应器中进行间歇式的消化;城市污水厂浓缩污泥加入液相甲烷化反应器中进行连续消化，两个反应器通过液体循环予以连接复合，并分别控制于水解和甲烷化菌群的适宜条件下运行，满足厌氧水解消化的pH值5.5～5.8和脂肪酸浓度<10000mg/L的消化条件，及厌氧甲烷化消化pH值大于6.5，脂肪酸浓度<5000mg/L的条件，复合厌氧消化产生的沼气、消化完成固体和消化完成液分别作能量和土地利用以及回流污水厂处理。本发明能提高废弃物的消化率、降低运行能耗、简化运行设备、有效地减少重金属含量，保证作为土壤调理剂在表土中应用的安全性。
权利要求书
1.复合厌氧消化处理城市生活垃圾与污水厂污泥的方法，包括将预分选或 分类收集的城市生活垃圾填充到固相水解消化反应器中，并适度压实至垃圾的 填充密度为400～600kg/m3，进行厌氧水解消化，消化完成固体排出反应器后， 经分选出塑料、有色金属后作土壤调理剂利用，同时将城市污水厂的浓缩污泥 经热交换器I预热到50-54℃成为加热污泥后，加入液相甲烷化反应器，进行厌 氧消化，消化产生的沼气送到水冷气体内燃发电机发电，电能输出利用，发电 机气缸夹套中回收的热水余热送到热交换器I中，用于加热浓缩污泥，消化完 成液送城市污水厂，其特征在于：垃圾的固体水解消化产生的溶解性有机质通 过回流增压泵增压输送到热交换器II加热，然后进入污泥的液相甲烷化反应器 转化为沼气;而污泥在液相甲烷化反应器中厌氧消化产生的部分液体经循环增 压泵增压后也输送到热交换器II，并经热交换器II冷却后，以上流方式穿过固 相水解消化反应器中的垃圾层流出，进入回流增压泵，使固相水解消化反应器 中垃圾水解消化的液体作为总体回流液，输送回到液相甲烷化反应器，形成液 体循环，垃圾固体水解消化的循环水力负荷控制在>30mm;然后通过调节回流 增压泵出口与固相水解消化反应器液体进口之间设有的调节阀I的开启程度， 控制局部循环液体和总回流液的比例，满足进入垃圾厌氧水解消化的pH值 5.5～5.8和脂肪酸浓度<10000mg/L的水解消化条件，同样，通过调节循环增压 泵出口与液相甲烷化反应器进口之间设有的调节阀II的开启程度，控制局部回 流液与总回流液的比例，满足液相甲烷化反应器内液体的pH值大于6.5，脂肪 酸浓度<5000mg/L，以避免因循环而使二个反应器中的环境条件发生剧烈变化而 影响水解或甲烷化菌群的代谢活动优化条件。
说明书
复合厌氧消化处理城市生活垃圾与污水厂污泥的方法
技术领域
本发明涉及一种对城市生活垃圾与城市污水厂污泥进行厌氧消化处理的工 艺，用这种方法进行的无害化处理过程中可回收沼气和土壤调理剂。
背景技术
城市生活垃圾和城市污水厂污泥均是以富含易腐有机质为主要污染特征的 废弃物。所以利用微生物代谢使其所含的有机质稳定化是处理的主要途径之一。 按处理过程所利用的微生物种群的代谢特征不同可分为两种基本的方法：好氧 生物处理和厌氧生物处理。其中厌氧生物处理一般称之为厌氧消化。厌氧消化 是由一组厌氧代谢微生物的协同活动来完成的，主要包括：水解、乙酸化和甲 烷化三个环节。有机质厌氧生物代谢的最终产物是以甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2) 为主要组成物的气相产物(沼气)和有机残余物组成的消化完成固体。与好氧 生物处理相比，厌氧消化的主要优势在于可以产生具有能量回收价值的沼气， 沼气的回收不仅可以补偿处理过程的能耗，还可有额外部分作净输出。而消化 产生的有机残余物组成的消化完成固体与好氧生物处理产物一样可作农用土壤 调理剂利用。城市生活垃圾和城市污水厂污泥厌氧消化技术的关键是提供微生 物代谢活动的适宜环境条件，但二种废弃物的有机质组成是有差异的，因此控 制条件也不同：城市生活垃圾消化初期要控制有机酸积累，才能克服因可消化 的有机物含可溶性糖类较多而产生大量的有机(脂肪)酸，使消化器内出现低 pH值的酸化环境，造成对适合中性条件下代谢的甲烷化菌群产生抑制，使消化 无法完成。目前解决上述问题的方法是通过将部分消化产物(消化液和消化渣) 回流至消化器进口与城市生活垃圾原料混合后一起进入消化器，使消化器进料 中含有大量的甲烷化微生物，同时提供充分的碱度，缓冲酸度，使消化不受抑 制。但此法必然会使消化器容积的有效利用率降低，影响投资的经济性(通常 回流物料的体积分率达30%左右)。而污水厂污泥因含生物易降解有机物比例低， 其最主要的技术问题是水解成为消化速率的限制步骤，使其消化完全性和速率 受到不利影响。此外，污水厂污泥中含有一定量的重金属使其产物作为土壤调 理剂在表土中应用的安全性受到威胁。为此J.Mata-Alvarez等在2000年发表 于Bioresource Technology杂志第74卷，第1期3-16页的“Anaerobic digestion of organic wastes：An overview of research achievements and perspectives”一文中，提出了污水厂污泥与城市生活垃圾混合消化技术，但 由于混合后，消化在同一消化反应器中进行，污泥事实上只是起到了一定的微 生物接种作用，同时还带来了混合消化物的含水率受制于二种废弃物的处理比 例，使运行控制受到限制的问题，以及消化产物脱水量较大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市生活垃圾与城市污水厂污泥的厌氧消化处理 工艺，用这种工艺处理后不但可回收沼气和土壤调理剂，并且能提高废弃物(有 机质)的消化率、降低运行能耗、简化运行设备、有效地减少消化后固相产物 的重金属含量，保证其作为土壤调理剂在表土中应用的安全性。
为了实现上述目的，本发明是通过将城市生活垃圾固相水解消化产生的溶 解性有机质，输送到城市污水厂污泥液相甲烷化反应器中，同时，污泥液相甲 烷化反应器厌氧消化的液体被泵循环至垃圾的固相水解消化反应器中，如此将 垃圾的固相水解消化和污泥的液相甲烷化消化复合进行，达到高消化率、低能 耗等目的。具体工艺包括：
将预分选(选出大颗粒物和黑色金属)或分类收集的城市生活垃圾填充到 固相水解消化反应器中，并适度压实至垃圾的填充密度为400～600kg/m3，进行 厌氧水解消化，消化完成固体排出反应器后，经分选出塑料、有色金属等杂物后 可作土壤调理剂利用。同时将城市污水厂的浓缩污泥(含固率>3%)经热交换 器I预热到50-54℃成为加热污泥后，加入液相甲烷化反应器中进行厌氧消化， 消化产生的沼气送到水冷气体内燃发电机发电，电能输出利用，发电机气缸夹套 中回收的热水余热送到热交换器I中，用于加热浓缩污泥。消化完成液排出后可 回流到城市污水厂集水井处理排放。
其特点在于：垃圾的固体水解消化产生的含溶解性有机质的液体通过回流 增压泵增压输送到热交换器II加热(换热)，然后加入液相甲烷化反应器转化 为沼气;而污泥在液相甲烷化反应器中厌氧消化的部分液体经循环增压泵增压 后也输送到热交换器II，并经热交换器II冷却(换热)后，以上流方式穿过固 相水解消化反应器中的垃圾层流出，进入回流增压泵进口，使固相水解消化反 应器中垃圾水解消化的液体作为总体回流液，输送回到液相甲烷化反应器形成 液体循环，垃圾固体水解消化的循环水力负荷控制在>30mm。然后通过回流增 压泵出口与固相水解消化反应器进口之间设有的调节阀I的分流作用，使部分 流出固相水解反应器的液体成为局部循环液，穿过固相水解反应器内的垃圾层 做小循环，调节调节阀I的开启程度，可控制局部循环液和总回流液的比例， 改变进入固相水解消化反应器的液体组成，使其满足垃圾厌氧水解消化的pH值 5.5～5.8和脂肪酸浓度<10000mg/L的条件。同样，通过调节循环增压泵出口与 液相甲烷化反应器进口之间设有的调节阀II的开启程度，使部分流出液相甲烷 化反应器的液体成为局部回流液在液相甲烷化液相反应器内做小循环，控制局 部回流液和总回流液的比例，可改变进入液相甲烷化反应器的液体组成，使其 满足甲烷化消化pH值大于6.5，脂肪酸浓度<5000mg/L的条件，避免因液体循 环而使二个反应器中的环境条件发生剧烈变化而影响固相水解或液相甲烷化菌 群的代谢活动。
本发明的效果在于：
1.由于本发明的工艺是通过液相循环使垃圾的固体水解消化和污泥的液相 甲烷化反应复合串联成一体，既可使有机质的水解产物有效地甲烷化，回收沼 气，亦可使水解反应器中的pH值、脂肪酸浓度等影响水解速率的条件得到优化， 提高了总体的有机质消化速率，并使垃圾始终在水解菌优势环境中进行水解消 化，无需考虑对其控制，以同时适合甲烷化菌群代谢的问题，因此本发明的消 化率高，运行能耗低。
2.污泥中的固体颗粒物通过循环增压泵流入并沉积在垃圾厌氧消化用的固 相水解消化反应器内，利用垃圾的固相水解消化反应器内的有利的水解环境和 积聚的水解微生物进行消化，改善了污泥的水解过程条件和延长了水解时间， 使污泥厌氧消化效果特别好。
3.由于垃圾厌氧消化的固相水解消化反应器内环境为偏酸性，因此本发明 可以使污泥中对环境影响最大的可溶态和酸溶态重金属，通过酸溶解而转移至 液相，并在液相甲烷化消化反应器中与其中存在的硫离子结合以稳定的硫化物 态积存，保证了大部分固相厌氧消化产物的土地利用安全性。
4.与现有的将消化产物(消化液和消化渣)回流至消化反应器与垃圾原料 混合后一起消化，以保证消化原料中甲烷化微生物含量及酸碱度，使消化不受 抑制的方法比较，本发明的垃圾厌氧消化用反应器的体积得以减小30%，可节省 相应的基建投资。