申请日2017.12.23
公开(公告)日2018.04.06
IPC分类号C02F11/04; C02F11/06; C02F11/10; C02F11/12; B01J31/38; B01J31/36; B01J31/28
摘要
本发明公开了一种污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统，该工艺系统由进泥池、污泥管、进泥泵、污泥浓缩机、浆化罐、搅拌叶片、搅拌轴、温度传感器、搅拌电机、压力传感器、热水解反应罐、装填有镍基催化剂的热水解催化管、蒸汽发生器、泄压罐、蒸汽储罐、高级氧化反应罐、臭氧管、装填有钛基催化剂的臭氧催化管、臭氧发生器、消化罐、板框压滤机、出泥池、甲烷气体连接管和甲烷气体储罐组成。本发明的有益效果是，将该污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统应用于污泥的处理具有能耗低、杀灭病菌能力强、污泥脱水性能好、干污泥产生量少、沼气中甲烷气体含量高、硫化氢含量低等优点。
权利要求书
1.一种污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统，其特征在于，该工艺系统由进泥池1、污泥管2、进泥泵3、污泥浓缩机4、浆化罐5、浆化罐污泥入口法兰6、搅拌叶片7、搅拌轴8、温度传感器9、搅拌电机10、压力传感器11、浆化罐蒸汽入口法兰12、浆化罐蒸汽流量阀13、浆化罐污泥出口法兰14、热水解反应罐15、热水解反应罐蒸汽出口法兰16、热水解反应罐污泥出口法兰17、热水解反应罐污泥入口法兰18、装填有镍基催化剂的热水解催化管19、热水解反应罐蒸汽入口法兰20、蒸汽管21、热水解反应罐蒸汽流量阀22、蒸汽发生器23、热水解反应罐紧固螺钉24、泄压罐蒸汽流量阀25、泄压罐蒸汽入口法兰26、泄压罐污泥出口法兰27、泄压罐污泥入口法兰28、泄压罐29、泄压罐蒸汽出口法兰30、蒸汽储罐31、高级氧化反应罐污泥入口法兰32、高级氧化反应罐33、高级氧化反应罐污泥出口法兰34、臭氧管35、臭氧流量阀36、臭氧管入口法兰37、装填有钛基催化剂的臭氧催化管38、臭氧发生器39、高级氧化反应罐紧固螺钉40、消化罐污泥入口法兰41、消化罐42、消化罐污泥出口法兰43、板框压滤机44、出泥池45、甲烷气体出口法兰46、甲烷气体连接管47、甲烷气体储罐48和出气口阀门49组成;通过污泥管2和进泥泵3将进泥池1与污泥浓缩机4相连，在浆化罐污泥入口法兰6处通过污泥管将污泥浓缩机4与浆化罐5相连;在浆化罐5的上部安装温度传感器9和压力传感器11，在浆化罐5的上部中心位置安装搅拌电机10，搅拌叶片7安装在搅拌轴8上，搅拌轴8与搅拌电机10相连;在浆化罐蒸汽入口法兰12处通过蒸汽管和浆化罐蒸汽流量阀13将蒸汽储罐31与浆化罐5相连;在浆化罐污泥出口法兰14和热水解反应罐污泥入口法兰18处通过污泥管将浆化罐5和热水解反应罐15相连;在热水解反应罐蒸汽入口法兰20处通过蒸汽管21和热水解反应罐蒸汽流量阀22将热水解反应罐15与蒸汽发生器23相连;在热水解反应罐蒸汽出口法兰16处通过蒸汽管将热水解反应罐15与蒸汽储罐31相连;装填有镍基催化剂的热水解催化管19通过热水解反应罐紧固螺钉24安装在热水解反应罐15中，热水解反应罐紧固螺钉24的位置在热水解反应罐15底部中心处;在热水解反应罐污泥出口法兰17和泄压罐污泥入口法兰28处通过污泥管将热水解反应罐15和泄压罐29相连;在泄压罐蒸汽入口法兰26处通过蒸汽管和泄压罐蒸汽流量阀25将泄压罐29与蒸汽发生器23相连;在泄压罐蒸汽出口法兰30处通过蒸汽管将泄压罐29与蒸汽储罐31相连;在泄压罐污泥出口法兰27和高级氧化反应罐污泥入口法兰32处通过污泥管将泄压罐29和高级氧化反应罐33相连;装填有钛基催化剂的臭氧催化管38通过高级氧化反应罐紧固螺钉40安装在高级氧化反应罐33中，高级氧化反应罐紧固螺钉40的位置在高级氧化反应罐33底部中心处;在臭氧管入口法兰37处通过臭氧管35和臭氧流量阀36将装填有钛基催化剂的臭氧催化管38与臭氧发生器39相连;在高级氧化反应罐污泥出口法兰34和消化罐污泥入口法兰41处通过污泥管将高级氧化反应罐33和消化罐42相连;在消化罐42的消化罐污泥出口法兰43处通过污泥管将消化罐42和板框压滤机44相连;板框压滤机44通过污泥管和出泥池45相连;在甲烷气体出口法兰46处通过甲烷气体连接管47将消化罐42与甲烷气体储罐48相连;在甲烷气体储罐48的上部设置有出气口阀门49;在热水解反应罐15、泄压罐29、高级氧化反应罐33和消化罐42的上部中心位置分别安装搅拌电机，然后连接上搅拌轴和搅拌叶片;在热水解反应罐15、泄压罐29和消化罐42的上部分别安装温度传感器和压力传感器;在蒸汽储罐31和甲烷气体储罐48的上部分别安装压力传感器;其中，镍基催化剂由如下方法制备：
(1)将89.3克粒径为3-5mm的泡沫镍颗粒在500mL质量百分比浓度为40%的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A;
(2)将3.93克PbCl2、1.89克CuCl2和3.68克ZnCl2加入到1500mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液H1、混合液H2、混合液H3、混合液H4、混合液H5;
(3)将1.29克甲酸铵和3.29克硼氢化钾加入到混合液H1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J1;
(4)将物质A加入到混合液J1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B1，物质B1经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B2;
(5)将1.24克甲酸铵和3.25克硼氢化钾加入到混合液H2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J2;
(6)将物质B2加入到混合液J2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B3，物质B3经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B4;
(7)将1.19克甲酸铵和3.21克硼氢化钾加入到混合液H3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J3;
(8)将物质B4加入到混合液J3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B5，物质B5经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B6;
(9)将1.14克甲酸铵和3.17克硼氢化钾加入到混合液H4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J4;
(10)将物质B6加入到混合液J4中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B7，物质B7经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B8;
(11)将1.09克甲酸铵和3.13克硼氢化钾加入到混合液H5中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J5;
(12)将物质B8加入到混合液J5中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B9，物质B9经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C;
(13)将12.7克2-氯-5-三氟甲基吡嗪和22.6克乙酰柠檬酸三丁酯加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3、混合液K4、混合液K5;
(14)将8.7克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和4.6克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L1;
(15)将4.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M1;
(16)将物质C加入到混合液M1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C1，将物质C1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C2;
(17)将8.3克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和4.2克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L2;
(18)将4.1克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M2;
(19)将物质C2加入到混合液M2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C3，将物质C3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C4;
(20)将7.9克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.8克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L3;
(21)将3.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M3;
(22)将物质C4加入到混合液M3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C5，将物质C5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C6;
(23)将7.5克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.4克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L4;
(24)将3.1克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M4;
(25)将物质C6加入到混合液M4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C7，将物质C7在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C8;
(26)将7.1克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.0克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L5;
(27)将2.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M5;
(28)将物质C8加入到混合液M5中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C9，将物质C9在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D;
(29)将4.2克5-甲基哒嗪-3-胺和3.6克3-氟-4-硝基吡啶加入到1200mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量3份，得到混合液N1、混合液N2、混合液N3;
(30)将2.2克2,3,5-三溴噻吩加入到混合液N1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P1;
(31)将物质D加入到混合液P1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D2;
(32)将3.7克3,3'-二羟基联苯胺加入到混合液N2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P2;
(33)将物质D2加入到混合液P2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D4;
(34)将4.8克3-甲基苯噻吩-2-羧酸甲酯加入到混合液N3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P3;
(35)将物质D4加入到混合液P3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到的物质即为镍基催化剂;
钛基催化剂由如下方法制备：
(1)将79.6克粒径为3-5mm的泡沫钛颗粒在500mL质量百分比浓度为40%的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A;
(2)将3.6克3-羟基-2-吡嗪甲酸和4.4克5-羟基吡嗪-2-羧酸甲酯加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动40分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液H1、混合液H2、混合液H3、混合液H4、混合液H5;
(3)将1.6克5-溴-3-氯吡嗪-2-胺加入到混合液H1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J1;
(4)将物质A加入到混合液J1中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B2;
(5)将2.8克4-氯-6,7-二甲氧基喹啉加入到混合液H2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J2;
(6)将物质B2加入到混合液J2中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B3，将物质B3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B4;
(7)将1.1克3-甲基-4-氨基吡啶加入到混合液H3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J3;
(8)将物质B4加入到混合液J3中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B5，将物质B5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B6;
(9)将3.2克2-氯-3-噻吩甲酸加入到混合液H4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J4;
(10)将物质B6加入到混合液J4中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B7，将物质B7在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B8;
(11)将1.9克4-溴-3,6-哒嗪二酮加入到混合液H5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J5;
(12)将物质B8加入到混合液J5中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B9，将物质B9在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C;
(13)将2.38克CdCl2、2.22克MgCl2和4.41克PbCl2加入到1200mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量3份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3;
(14)将2.6克钒酸钠和3.1克铝酸钠加入到混合液K1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L1;
(15)将物质C加入到混合液L1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C1，物质C1经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C2;
(16)将2.3克钒酸钠和2.8克铝酸钠加入到混合液K2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L2;
(17)将物质C2加入到混合液L2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C3，物质C3经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C4;
(18)将2.0克钒酸钠和2.5克铝酸钠加入到混合液K3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L3;
(19)将物质C4加入到混合液L3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C5，物质C5经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质D;
(20)将11.3克2-氟-3-硝基-5-氯吡啶和14.5克N-(6-氯-3-哒嗪基)丁酰胺加入到1200mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量4份，得到混合液M1、混合液M2、混合液M3、混合液M4;
(21)将4.2克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.6克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N1;
(22)将3.3克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O1;
(23)将物质D加入到混合液O1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D2;
(24)将3.9克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.3克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N2;
(25)将3.0克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O2;
(26)将物质D2加入到混合液O2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D4;
(27)将3.6克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.0克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N3;
(28)将2.7克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O3;
(29)将物质D4加入到混合液O3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D6;
(30)将3.3克2-丁基-3-甲基吡嗪和1.7克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N4;
(31)将2.4克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O4;
(32)将物质D6加入到混合液O4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D7，将物质D7在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到的物质即为钛基催化剂。
说明书
污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，特别涉及污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统。
背景技术
污泥是污水处理过程中的副产物，具有含水率高、颗粒较细、比重较轻等特点，其中含有大量有机质、氮磷、病原微生物、寄生虫卵及病毒、重金属离子等物质。污泥中有机物易腐烂并产生恶臭，容易孽生蚊蝇;氮、磷等营养物质在雨水的冲刷下会流入地表或者地下水体，造成水体污染;未处理或处理不达标的污泥用作农肥或填埋时，病原菌及寄生虫等进入土壤，并直接或间接的与人或动物接触，危害人体和牲畜健康;重金属离子和难降解的有毒有害物质容易渗滤出来或挥发，造成水体、土壤和空气的二次污染。
污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、无害化、稳定化和资源化。城市污泥含水率普遍较高，一般在95%以上，导致污泥体积很大，不利于存储和运输等，因此减量化十分重要，通过浓缩、脱水等方式可以降低污泥含水率，有效减少污泥体积，便于运输和消化，降低污泥处理处置的费用;污泥中含有大量有害物质，通过处理，降解污泥中的有机物，去除重金属，抑制或者杀死病原菌等，最终处置后污泥性质稳定、卫生安全，不再进一步分解，从而避免产生二次污染;污泥中含有丰富的氮、磷等植物所需的肥分、土壤改良剂及微量元素等，同时污泥中的有机物质，是潜在的可再生能源物质，通过厌氧消化可以转化为清洁能源——沼气。因此，若能将污泥进行妥善处理并合理利用，将会达到变废为宝、综合利用、保护环境的目的。
污泥的大部分有机物以固体形式存在，主要集中在微生物细胞内，由于微生物细胞壁(膜)的天然屏障作用，水解酶对有机物的水解速率很低，因此水解是污泥厌氧生化降解的控制步骤。水解速率缓慢致使厌氧消化水力停留时间很长，反应器体积太大。近百年来，污泥厌氧消化技术不断成熟，工艺流程逐步完善，然而，污泥水解速率低的性质从根本上束缚了厌氧消化潜力的进一步挖掘。因此，要提高污泥厌氧消化效率，必须提高复杂有机物的水解速率。为解决这个问题，人们开始研究能够有效破碎污泥絮体和细胞结构的物理化学预处理技术，通过这些预处理技术提高复杂有机物的水解速率，改善污泥的性质，进而提高后续厌氧消化效率和沼气产量,实现污泥的减量化和资源化，因此越来越受到世界各国的重视。目前研究较多的污泥预处理技术有热水解预处理、机械破碎预处理、碱处理、超声波预处理、臭氧预处理、酶处理、微波预处理等。在二十世纪八十年代以前，热水解主要用于改善污泥的脱水性能;八十年代起，热水解用于提高污泥的厌氧消化性能;九十年代后，热水解用于获取反硝化所需的碳源和基于隐性生长的污泥减量。随着热水解技术的不断成熟和发展，现在热水解已经发展成一种高效的污泥预处理技术。
热水解是将待处理的污泥置于密闭容器罐中，在一定的温度和压力环境下使污泥中的部分细胞体受热膨胀而破裂，破坏微生物的细胞壁(膜)，将胞内蛋白质和胶质等有机物释放出来，促进有机物的溶解和水解：脂肪水解成甘油和脂肪酸;碳水化合物水解成小分子的多糖，甚至单糖;蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。污泥 经过热水解预处理之后，污泥中的微生物絮体解体，微生物细胞破碎，细胞中的内含物释放并进一步水解，使得污泥厌氧消化的有机物去除率提高，甲烷产量增加，污泥的脱水性能改善。
污泥热水解过程包括固体物质的溶解和有机物的水解。具体可以细分为以下4个过程：污泥絮体结构的解体、污泥细胞破碎和有机物的释放、有机物的水解和有机物发生梅拉德反应。(1)污泥絮体结构解体：污泥受热后，其絮体和表面的胞外聚合物结构中的氢键被破坏，导致絮体结构解体，有机物溶解并转移到液相中，同时絮体结构中的间隙水被释放出来，成为游离水。(2)污泥细胞破碎和有机物释放：随着温度和压力的升高，污泥中微生物的细胞结构被破坏，进而细胞破碎，胞内的蛋白质、碳水化合物和脂类等有机化合物被释放出来，并转化为溶解性物质。(3)有机物水解：从污泥絮体中和细胞内溶解出来的有机物，在热水解过程中发生水解，生成溶解性中间产物：脂肪水解成甘油和脂肪酸;碳水化合物水解成小分子的多糖，甚至单糖;蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。(4)梅拉德反应：是氨基化合物和羰基化合物之间的缩合反应，生成一种难以生化降解的中间产物(类黑色素)，当热水解温度超过190℃时，梅拉德反应开始出现，温度越高反应越剧烈。类黑色素的产生在一定程度上削弱了热水解的处理效果，导致污泥消化性能下降。
污泥的热水解预处理可以分为低温预处理(<100℃)和高温预处理(>100℃)，温度不同会导致细胞破坏部位的不同，微生物胞外聚合物能够在热处理过程中溶解，蛋白质和核酸等分子也会发生变性和破坏，在45～65℃时，细胞膜会破裂，rRNA遭破坏;50～70℃时DNA被破坏;在65～90℃时细胞壁破裂;70～95℃时蛋白质将发生变性。热水解温度从80℃升高至100℃时，多糖和总有机碳的释放量增高，而蛋白质的释放量却减少。加热时可将细胞释放出的物质分为两类：溶解性有机碳和羧酸碎片，生物可很快利用小分子量的羧酸碎片，而前者的降解性能则低很多。对135℃和190℃的热水解预处理效果进行比较发现，不论是总化学需氧量还是脂类等的溶出，190℃时的预处理效果显著好于135℃时的效果。
热水解预处理效果的主要影响因素包括反应温度、反应压力、处理时间及污泥含固率等，其中温度为决定性的影响因素，在一定范围内，温度升高，反应速率加快。反应压力非直接影响因素，而是高温密闭条件下的附加因素，主要由饱和蒸气压构成，确保了污泥在液相中进行反应。反应时间属于次要影响因素，与温度相关。温度降低时则需要较长的反应时间。一般来讲，当热水解反应温度为170℃左右时，反应时间较短，在30～60分钟之间。然而在高温条件下，由于梅拉德反应易产生一些难降解的物质。同时将污泥经热水解预处理后，对其进行生物甲烷势试验发现，热水解温度升高到190℃时，污泥的厌氧消化性能下降。说明在高温条件下，污泥水解的同时还可能有难以生物降解的物质生成，同时发现随着热水解温度的升高，污泥SCOD的最终去除效率降低。
威立雅研发的两种污泥热水解工艺，分别是序批式的Biothelys工艺和连续式的ExelysTM工艺。Biothelys工艺是特定反应条件下的污泥热水解工艺与中温厌氧消化工艺的结合。运行条件为：高温150℃～170℃，高压(<12.5bar)的条件下，反应20～60min。热水解后的污泥进入消化池，进行中温厌氧消化。该工艺产生的沼气能够满足自身系统的能量需求，富余的沼气经提纯后可供民用或发电，实现了能量需求的自平衡和能量产出最大化。ExelysTM工艺是一种连续运行的污泥热水解工艺，能够处理含固量高达25%的污泥。具有高含固率的脱水污泥在压力下被连续泵送入管状反应器，同时高温蒸汽也被注入反应器对污泥进行加热。污泥在管状反应器内呈柱塞流状态，在165℃和9bar的压力下，至少反应30min。热水解污泥先通过换热器回收热量降低温度，再加水稀释，进一步降低温度，同时降低含固率，使其可以直接被送入厌氧消化工艺。这两种工艺已有英国、法国、意大利等多国多座污水厂采用此工艺。CambiTM工艺是目前国际上应用业绩最多的热水解工艺，该工艺系统由浆化罐，热水解罐，和卸压罐等三部分组成。第一部分是浆化罐，由污泥储罐泵入的污泥与后续两个罐中回用的蒸汽余热混合，达到约97摄氏度;第二部分是热水解反应罐，该部分是采用序批式处理，一般由6个罐组成，形成连续运行的效果，由蒸汽锅炉提供有压蒸汽，加热污泥到155-170摄氏度，并保持30分钟，水热解后的污泥通过卸压排放到卸压罐;第三部分是卸压罐，污泥在卸压后，温度降低到102摄氏度，污泥颗粒的粒径进一步降低，增加后续消化效率。相比Biothelys工艺，CambiTM工艺的反应罐气相空间比例较小，容积利用率更高;当处理同等规模的污泥时，CambiTM工艺的生产线数量较少，蒸汽耗量保证值更低。国内以清华大学为代表的多家单位也对热水解工艺进行了研究，但技术工艺目前并不成熟，急需研发拥有自主知识产权的污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统，该工艺系统由进泥池1、污泥管2、进泥泵3、污泥浓缩机4、浆化罐5、浆化罐污泥入口法兰6、搅拌叶片7、搅拌轴8、温度传感器9、搅拌电机10、压力传感器11、浆化罐蒸汽入口法兰12、浆化罐蒸汽流量阀13、浆化罐污泥出口法兰14、热水解反应罐15、热水解反应罐蒸汽出口法兰16、热水解反应罐污泥出口法兰17、热水解反应罐污泥入口法兰18、装填有镍基催化剂的热水解催化管19、热水解反应罐蒸汽入口法兰20、蒸汽管21、热水解反应罐蒸汽流量阀22、蒸汽发生器23、热水解反应罐紧固螺钉24、泄压罐蒸汽流量阀25、泄压罐蒸汽入口法兰26、泄压罐污泥出口法兰27、泄压罐污泥入口法兰28、泄压罐29、泄压罐蒸汽出口法兰30、蒸汽储罐31、高级氧化反应罐污泥入口法兰32、高级氧化反应罐33、高级氧化反应罐污泥出口法兰34、臭氧管35、臭氧流量阀36、臭氧管入口法兰37、装填有钛基催化剂的臭氧催化管38、臭氧发生器39、高级氧化反应罐紧固螺钉40、消化罐污泥入口法兰41、消化罐42、消化罐污泥出口法兰43、板框压滤机44、出泥池45、甲烷气体出口法兰46、甲烷气体连接管47、甲烷气体储罐48和出气口阀门49组成。
通过污泥管2和进泥泵3将进泥池1与污泥浓缩机4相连，在浆化罐污泥入口法兰6处通过污泥管将污泥浓缩机4与浆化罐5相连;在浆化罐5的上部安装温度传感器9和压力传感器11，在浆化罐5的上部中心位置安装搅拌电机10，搅拌叶片7安装在搅拌轴8上，搅拌轴8与搅拌电机10相连;在浆化罐蒸汽入口法兰12处通过蒸汽管和浆化罐蒸汽流量阀13将蒸汽储罐31与浆化罐5相连;
在浆化罐污泥出口法兰14和热水解反应罐污泥入口法兰18处通过污泥管将浆化罐5和热水解反应罐15相连;在热水解反应罐蒸汽入口法兰20处通过蒸汽管21和热水解反应罐蒸汽流量阀22将热水解反应罐15与蒸汽发生器23相连;在热水解反应罐蒸汽出口法兰16处通过蒸汽管将热水解反应罐15与蒸汽储罐31相连;装填有镍基催化剂的热水解催化管19通过热水解反应罐紧固螺钉24安装在热水解反应罐15中，热水解反应罐紧固螺钉24的位置在热水解反应罐15底部中心处;
在热水解反应罐污泥出口法兰17和泄压罐污泥入口法兰28处通过污泥管将热水解反应罐15和泄压罐29相连;在泄压罐蒸汽入口法兰26处通过蒸汽管和泄压罐蒸汽流量阀25将泄压罐29与蒸汽发生器23相连;在泄压罐蒸汽出口法兰30处通过蒸汽管将泄压罐29与蒸汽储罐31相连;
在泄压罐污泥出口法兰27和高级氧化反应罐污泥入口法兰32处通过污泥管将泄压罐29和高级氧化反应罐33相连;装填有钛基催化剂的臭氧催化管38通过高级氧化反应罐紧固螺钉40安装在高级氧化反应罐33中，高级氧化反应罐紧固螺钉40的位置在高级氧化反应罐33底部中心处;在臭氧管入口法兰37处通过臭氧管35和臭氧流量阀36将装填有钛基催化剂的臭氧催化管38与臭氧发生器39相连;
在高级氧化反应罐污泥出口法兰34和消化罐污泥入口法兰41处通过污泥管将高级氧化反应罐33和消化罐42相连;在消化罐42的消化罐污泥出口法兰43处通过污泥管将消化罐42和板框压滤机44相连;板框压滤机44通过污泥管和出泥池45相连;
在甲烷气体出口法兰46处通过甲烷气体连接管47将消化罐42与甲烷气体储罐48相连;在甲烷气体储罐48的上部设置有出气口阀门49;
在热水解反应罐15、泄压罐29、高级氧化反应罐33和消化罐42的上部中心位置分别安装搅拌电机，然后连接上搅拌轴和搅拌叶片;在热水解反应罐15、泄压罐29和消化罐42的上部分别安装温度传感器和压力传感器;在蒸汽储罐31和甲烷气体储罐48的上部分别安装压力传感器;
其中，所述镍基催化剂由如下方法制备：
(1)将89.3克粒径为3-5mm的泡沫镍颗粒在500mL质量百分比浓度为40%的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A;
(2)将3.93克PbCl2、1.89克CuCl2和3.68克ZnCl2加入到1500mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液H1、混合液H2、混合液H3、混合液H4、混合液H5;
(3)将1.29克甲酸铵和3.29克硼氢化钾加入到混合液H1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J1;
(4)将物质A加入到混合液J1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B1，物质B1经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B2;
(5)将1.24克甲酸铵和3.25克硼氢化钾加入到混合液H2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J2;
(6)将物质B2加入到混合液J2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B3，物质B3经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B4;
(7)将1.19克甲酸铵和3.21克硼氢化钾加入到混合液H3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J3;
(8)将物质B4加入到混合液J3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B5，物质B5经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B6;
(9)将1.14克甲酸铵和3.17克硼氢化钾加入到混合液H4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J4;
(10)将物质B6加入到混合液J4中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B7，物质B7经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质B8;
(11)将1.09克甲酸铵和3.13克硼氢化钾加入到混合液H5中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液J5;
(12)将物质B8加入到混合液J5中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质B9，物质B9经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C;
(13)将12.7克2-氯-5-三氟甲基吡嗪和22.6克乙酰柠檬酸三丁酯加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3、混合液K4、混合液K5;
(14)将8.7克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和4.6克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L1;
(15)将4.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M1;
(16)将物质C加入到混合液M1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C1，将物质C1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C2;
(17)将8.3克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和4.2克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L2;
(18)将4.1克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M2;
(19)将物质C2加入到混合液M2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C3，将物质C3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C4;
(20)将7.9克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.8克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L3;
(21)将3.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M3;
(22)将物质C4加入到混合液M3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C5，将物质C5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C6;
(23)将7.5克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.4克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L4;
(24)将3.1克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M4;
(25)将物质C6加入到混合液M4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C7，将物质C7在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C8;
(26)将7.1克邻苯甲酰苯甲酸甲酯和3.0克4,4'-二辛基二苯胺加入到混合液K5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液L5;
(27)将2.6克邻苯二甲酸二异辛酯加入到混合液L5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液M5;
(28)将物质C8加入到混合液M5中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质C9，将物质C9在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D;
(29)将4.2克5-甲基哒嗪-3-胺和3.6克3-氟-4-硝基吡啶加入到1200mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量3份，得到混合液N1、混合液N2、混合液N3;
(30)将2.2克2,3,5-三溴噻吩加入到混合液N1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P1;
(31)将物质D加入到混合液P1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D2;
(32)将3.7克3,3'-二羟基联苯胺加入到混合液N2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P2;
(33)将物质D2加入到混合液P2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质D4;
(34)将4.8克3-甲基苯噻吩-2-羧酸甲酯加入到混合液N3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液P3;
(35)将物质D4加入到混合液P3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到的物质即为镍基催化剂;
所述钛基催化剂由如下方法制备：
(1)将79.6克粒径为3-5mm的泡沫钛颗粒在500mL质量百分比浓度为40%的乙醇溶液中浸泡0.5小时，过滤除去液体得到物质A1，物质A1经500mL去离子水洗涤后在105℃的干燥箱中放置1.5小时，得到物质A;
(2)将3.6克3-羟基-2-吡嗪甲酸和4.4克5-羟基吡嗪-2-羧酸甲酯加入到1500mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动40分钟，摇匀后分成等量5份，得到混合液H1、混合液H2、混合液H3、混合液H4、混合液H5;
(3)将1.6克5-溴-3-氯吡嗪-2-胺加入到混合液H1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J1;
(4)将物质A加入到混合液J1中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B2;
(5)将2.8克4-氯-6,7-二甲氧基喹啉加入到混合液H2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J2;
(6)将物质B2加入到混合液J2中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B3，将物质B3在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B4;
(7)将1.1克3-甲基-4-氨基吡啶加入到混合液H3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J3;
(8)将物质B4加入到混合液J3中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B5，将物质B5在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B6;
(9)将3.2克2-氯-3-噻吩甲酸加入到混合液H4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J4;
(10)将物质B6加入到混合液J4中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B7，将物质B7在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质B8;
(11)将1.9克4-溴-3,6-哒嗪二酮加入到混合液H5中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液J5;
(12)将物质B8加入到混合液J5中，在温度为45℃的摇床中摇动40分钟，过滤除去液体得到物质B9，将物质B9在75℃的干燥箱中放置125分钟，得到物质C;
(13)将2.38克CdCl2、2.22克MgCl2和4.41克PbCl2加入到1200mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌5分钟，摇匀后分成等量3份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3;
(14)将2.6克钒酸钠和3.1克铝酸钠加入到混合液K1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L1;
(15)将物质C加入到混合液L1中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C1，物质C1经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C2;
(16)将2.3克钒酸钠和2.8克铝酸钠加入到混合液K2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L2;
(17)将物质C2加入到混合液L2中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C3，物质C3经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质C4;
(18)将2.0克钒酸钠和2.5克铝酸钠加入到混合液K3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L3;
(19)将物质C4加入到混合液L3中，在温度为35℃的摇床中摇动25分钟，过滤除去液体得到物质C5，物质C5经300mL质量百分比浓度为90%的乙醇洗涤后在105℃的干燥箱中放置40分钟，得到物质D;
(20)将11.3克2-氟-3-硝基-5-氯吡啶和14.5克N-(6-氯-3-哒嗪基)丁酰胺加入到1200mL无水乙醇中，在温度为35℃的摇床中摇动35分钟，摇匀后分成等量4份，得到混合液M1、混合液M2、混合液M3、混合液M4;
(21)将4.2克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.6克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N1;
(22)将3.3克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N1中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O1;
(23)将物质D加入到混合液O1中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D2;
(24)将3.9克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.3克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N2;
(25)将3.0克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N2中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O2;
(26)将物质D2加入到混合液O2中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D3，将物质D3在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D4;
(27)将3.6克2-丁基-3-甲基吡嗪和2.0克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N3;
(28)将2.7克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N3中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O3;
(29)将物质D4加入到混合液O3中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D5，将物质D5在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到物质D6;
(30)将3.3克2-丁基-3-甲基吡嗪和1.7克6-氰基-2-氯吡嗪加入到混合液M4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液N4;
(31)将2.4克4-氯-7-三氟甲基喹啉加入到混合液N4中，在温度为30℃的摇床中摇动35分钟，得到混合液O4;
(32)将物质D6加入到混合液O4中，在温度为45℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D7，将物质D7在75℃的干燥箱中放置145分钟，得到的物质即为钛基催化剂。
本发明的有益效果是，将该污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统应用于污泥的处理具有能耗低、杀灭病菌能力强、污泥脱水性能好、干污泥产生量少、沼气中甲烷气体含量高、硫化氢含量低等优点。
附图说明
附图1是污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统的示意图。附图1中1为进泥池、2为污泥管、3为进泥泵、4为污泥浓缩机、5为浆化罐、6为浆化罐污泥入口法兰、7为搅拌叶片、8为搅拌轴、9为温度传感器、10为搅拌电机、11为压力传感器、12为浆化罐蒸汽入口法兰、13为浆化罐蒸汽流量阀、14为浆化罐污泥出口法兰、15为热水解反应罐、16为热水解反应罐蒸汽出口法兰、17为热水解反应罐污泥出口法兰、18为热水解反应罐污泥入口法兰、19为装填有镍基催化剂的热水解催化管、20为热水解反应罐蒸汽入口法兰、21为蒸汽管、22为热水解反应罐蒸汽流量阀、23为蒸汽发生器、24为热水解反应罐紧固螺钉、25为泄压罐蒸汽流量阀、26为泄压罐蒸汽入口法兰、27为泄压罐污泥出口法兰、28为泄压罐污泥入口法兰、29为泄压罐、30为泄压罐蒸汽出口法兰、31为蒸汽储罐、32为高级氧化反应罐污泥入口法兰、33为高级氧化反应罐、34为高级氧化反应罐污泥出口法兰、35为臭氧管、36为臭氧流量阀、37为臭氧管入口法兰、38为装填有钛基催化剂的臭氧催化管、39为臭氧发生器、40为高级氧化反应罐紧固螺钉、41为消化罐污泥入口法兰、42为消化罐、43为消化罐污泥出口法兰、44为板框压滤机、45为出泥池、46为甲烷气体出口法兰、47为甲烷气体连接管、48为甲烷气体储罐、49为出气口阀门。