申请日2020.12.13
公开日期2021.11.16
IPC分类C02F11/04;C02F103/20;C02F101/30
摘要
本实用新型属于水污染处置技术领域，具体为一种规模化养猪粪污两级厌氧处理装置。本实用新型装置包括二级固粪分离机、物料均质调节罐、沉淀池、一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器、二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器、微量元素沼气增产营养盐投加系统，以及二级中温厌氧出料缓冲罐、空气源高温热泵、水源热泵、四个板式热交换器；本实用新型采用创新型高温+中温两级厌氧处理工艺处理规模化养猪厂混合粪污，大大提高了粪污的处理效率，为新建设或现有规模化猪场粪污提供了新的处理思路和方案，本实用新型装置运行稳定、节能、高效、沼气产量高、沼气中甲烷含量高、处理效率高、节省厌氧反应器投资，具有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，其特征在于，包括二级固粪分离机、物料均质调节罐、沉淀池、一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器、二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器、微量元素沼气增产营养盐投加系统，以及二级中温厌氧出料缓冲罐、空气源高温热泵、水源热泵、第一、第二、第三、第四板式热交换器；其中：
所述二级固粪分离机，采用两次分离的转鼓式猪粪干温分离机；用于对来自粪污存储池的粪污进行固粪和污水分离；
所述物料均质调节罐，其内部设置有搅拌器和温度计，外部设置有保温层；用于调节粪污浓度；
所述沉淀池，用于沉淀粪污；
所述二级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器，其内侧上部安装有搅拌破渣混合推进器，内侧下部对称设置有搅拌推进器，该搅拌推进器具有防旋涡以及浮渣层破坏作用；其外部设有保温层；其顶部采用沼气储柜结构；其底部侧面设置有放空口，底部外设置有沉砂槽；
所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器，与二级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器结构的区别在于顶部采用密封式结构，其余结构相同；
所述二级中温厌氧出料缓冲罐，其内部设置有物料混合搅拌器、第二温度传感器，侧部设置有厌氧处理后的出料口；
所述微量元素沼气增产营养盐投加系统，通过管道与物料均质调节罐中顶部相连，用于对物料均质调节罐投加微量元素营养液；
所述第一板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成物料均质调节罐预热系统；
所述第三板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成一级高温厌氧出料热能回收系统，
所述第四板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成二级中温厌氧出料热能回收系统；
所述第二板式热交换器与空气源高温热泵以及相连接的循环管路构成一级高温厌氧系统的温度保障系统；
粪污存储池中粪污经过二级固粪分离机，进行固液分离；二级固粪分离机分离出的一部分固粪与部分原粪污由传输机构进入物料均质调节罐内进行均质调节；分离出的悬浮物较小的粪污分两路，一路进入沉淀池，沉淀池底部已沉淀的未分离固粪的部分粪污经管道输送至物料均质调节罐中，另一路将分离后由沉淀池沉淀的固粪上部粪污一部分经管道输送至分离后废水处理系统，一部分输送至物料均质调节罐中，以调节罐内物料浓度；
所述物料均质调节罐内经调质后的物料经管路进入一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器内；所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器顶部设置有与沼气净化利用系统相连的高温压系统沼气排出管路，以及通过管路经第二板式热交换器与空气源高温热泵热交互相连构成的高温厌氧温度保障系统；
所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器侧部通过管路经第三板式热交换器与二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器相连；所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器和二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器顶部通过管路与沼气净化利用系统相连；
所述二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器侧部通过管路与二级中温厌氧出料缓冲罐相连；所述二级中温厌氧出料缓冲罐的底部通过管路与第四板式热交换器热循环交互相连；所述二级中温厌氧出料缓冲罐侧部设置有厌氧处理后的出料口；
所述二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器的上侧部通过水封管分叉接出顶部废气排出管以及厌氧处理后溢流出口；通过顶部设置的沼气出口与外部沼气净化利用系统相连。
2.根据权利要求1所述的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，其特征在于，所述两次分离的转鼓式猪粪干温分离机中，一次分离采用40~60目粗过滤的粗滤网，二次分离采用300~400目精过滤的精分离滤网。
3.根据权利要求1所述的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，其特征在于，所述分离后废水处理系统采用上流式厌氧污泥床UASB或者黑膜沼气池厌氧系统。
4.根据权利要求1所述的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，其特征在于，所述微量元素沼气增产营养盐投加系统，包括加液泵、容器和相关管路，将微量元素营养盐在酸性条件下溶解，并将药液由加液泵进行投加；这里，所述微量元素包括铁、钴、镍、钙、镁、钼。
说明书
一种规模化养猪粪污两级厌氧处理装置
技术领域
本实用新型属于水污染处置技术领域，具体涉及规模化养猪粪污两级厌氧处理装置。
背景技术
近年来，我国畜牧业持续稳定发展，规模化养殖水平显著提高，保障了肉蛋奶供给，但大量养殖废弃物没有得到切实有效处理和利用，已然成为环境治理的一大难题。
控制养殖场粪污排放，促进畜禽粪便综合利用成为当前养殖业健康发展的基本前提，也是《环保法》和《畜禽规模养殖污染防治条例》的硬性要求。在畜禽养殖粪污综合防治中，基础设施建设和运行情况不仅决定了畜禽粪便能否实现综合利用，也是衡量我国养殖场标准建设的基本条件。2017年出台的《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》提出，到2020年，要建立科学规范、权责清晰、约束有力的畜禽养殖废弃物资源化利用制度，构建种养循环发展机制，全国畜禽粪污综合利用率达到75%以上，规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%以上、大规模养殖场提前一年达到100%。然而这个目标目前看来实现的难度极大，目前我国集中养猪粪污处理现状不容乐观，很多企业仍以简单黑膜沼气厌氧处理和沼液还田的模式为主，表现为处理工艺简单粗放，无法高效去除有机污染物；沼渣沼液等产物无法有效利用，沼液还田后大多数污染物以地表径流的方式进水水体，成为河道等水体污染的主要成因。
就目前国内采用的养猪粪污处理工艺而言，主要有如下工艺路线：
一是先固液分离，常规采用多级固粪分离机，将粪污中的固体物质先进行分离，分离出的固粪和秸秆等进行联合堆肥以资源化利用，分离后的液体采用常规上流式厌氧污泥床工艺（UASB）进行厌氧处理，沼气可以利用，厌氧后的沼液进入深度好氧和脱氮处理工艺系统，或直接进入大型沼液储存池进行稳定化处理后，以沼液还田利用；
二是不进行固液分离，直接采用全混式连续搅拌厌氧反应器进行处理，由于粪污的含固率一般仅为2~3%，采用此工艺往往需要添加秸秆、餐厨垃圾等高含固有机废弃物进行联合厌氧发酵。厌氧后进行固液分离，沼渣可以堆肥，沼液进行深度处理或者进入大型储存池稳定化处理。
以上两种方式在国内规模化猪场都有应用。然而，以上工艺都存在以下不足之处：（1）绝大多数处理粪污的厌氧系统在冬季低温条件下都难以正常运行，处理效果差，甚至很多在冬季条件下直接将厌氧处理系统关停；（2）不进行固液分离时，国内普遍采用的全混式连续搅拌器厌氧反应系统（CSTR），无论是采用顶搅拌的形式还是侧搅拌的形式，由于养猪粪污中残留的轻物质饲料比较轻，常常会在厌氧反应器的顶部形成浮渣层，影响厌氧处理系统的处理效果；同时，由于添加秸秆等有机废弃物进行联合厌氧发酵，尽管提高了混合物料的碳氮比，然而由于该工艺厌氧发酵过程中会有更难生化降解的纤维素被分解并溶于沼液中，造成后续沼液进一步深度处理的难度很大。（3）先进行固液分离时，国内普遍采用常规UASB厌氧处理工艺，由于固粪分离很难将固粪完全分离，残留的轻物质固粪常常会浮于厌氧反应器的顶部而形成浮渣层，影响厌氧反应器的正常处理效果。同时，由于固粪被分离，厌氧系统产生的沼气减少50%以上，而且分离固粪的肥效要比厌氧后的沼渣进行堆肥要低。
除此之外，目前很多规模化养猪企业采用的“黑膜沼气”工艺，由于结构简单，投资低而得到很多企业的使用。然而这背后，仅仅是为了节省粪污的处理投资成本，并未是该工艺具有先进性。其不足之处在于：（1）反应器结构采用的挖坑铺设HDPE防渗膜的形式，难以确保粪污不在池底泄露从而污染地下水；（2）同时顶部密封用HDPE膜难以保证膜被外力穿刺情况下的沼气泄露风险。（3）固体粪污或厌氧污泥往往沉积在“黑膜沼气池”底部，由于容积巨大，造成污泥难以清理，同时也难以排空黑膜沼气池；（3）采用“黑膜沼气”工艺的，多数采用沼液还田的工艺模式，没有对沼液进一步进行深度处理，是国内面源污染的重要来源。
针对目前规模化养猪粪污处理工艺中存在的问题，本实用新型提供了高温厌氧+中温厌氧两级间歇式立体搅拌联合处理方法及装置，装置主要包括粪污均质池、一级全方位间歇式搅拌高温厌氧反应器、二级全方位间歇式中温厌氧反应器、高温厌氧反应器热泵温度保障系统、一级高温厌氧出料热能回收系统、二级中温厌氧出水热能回收热系统、沼气处理及利用系统、沼渣堆肥系统等、微量元素投加沼气增产系统等。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种粪污处理效率高、沼气产量高、投资少的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置。
本实用新型提供的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，包括二级固粪分离机、物料均质调节罐、沉淀池、一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器、二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器、微量元素沼气增产营养盐投加系统，以及二级中温厌氧出料缓冲罐、空气源高温热泵、水源热泵、四个板式热交换器；其中：
所述二级固粪分离机，采用两次分离的转鼓式猪粪干温分离机；用于对来自粪污存储池的粪污进行固粪和污水分离；
所述物料均质调节罐，其内部设置有搅拌器和温度计，外部设置有保温层；用于调节粪污浓度；
所述沉淀池，用于沉淀粪污；
所述二级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器，其内侧上部安装有搅拌破渣混合推进器，内侧下部对称设置有搅拌推进器，该搅拌推进器具有防旋涡以及浮渣层破坏作用；其外部设有保温层（如外部设置50mm聚氨酯泡沫保温层与彩钢板）；其顶部采用沼气储柜结构；其底部侧面设置有放空口，底部外设置有沉砂槽；
所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器，与二级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器结构的区别在于顶部采用密封式结构，其余结构相同；
所述二级中温厌氧出料缓冲罐，其内部设置有物料混合搅拌器、第二温度传感器，侧部设置有厌氧处理后的出料口；
所述微量元素沼气增产营养盐投加系统，通过管道与物料均质调节罐中顶部相连，用于对物料均质调节罐投加微量元素营养液；
所述第一板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成物料均质调节罐预热系统；
所述第三板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成一级高温厌氧出料热能回收系统，
所述第四板式热交换器与水源热泵以及相连接的循环管路构成二级中温厌氧出料热能回收系统。
所述第二板式热交换器与空气源高温热泵以及相连接的循环管路构成一级高温厌氧厌氧系统的温度保障系统；
粪污存储池中粪污经过二级固粪分离机，进行固液分离；二级固粪分离机分离出的一部分固粪与部分原粪污由传输机构进入物料均质调节罐内进行均质调节；分离出的悬浮物较小的粪污分两路，一路进入沉淀池，沉淀池底部已沉淀的未分离固粪的部分粪污经管道输送至物料均质调节罐中，另一路将分离后由沉淀池沉淀的固粪上部粪污一部分经管道输送至分离后废水处理系统，一部分输送至物料均质调节罐中，以调节罐内物料浓度；
所述物料均质调节罐内经调质后的物料经管路进入一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器内；所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器顶部设置有与沼气净化利用系统相连的高温压系统沼气排出管路，以及通过管路经第二板式热交换器与空气源高温热泵热交互相连构成的高温厌氧温度保障系统；
所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器侧部通过管路经第三板式热交换器与二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器相连；所述一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器和二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器顶部通过管路与沼气净化利用系统相连；
所述二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器侧部通过管路与二级中温厌氧出料缓冲罐相连；所述二级中温厌氧出料缓冲罐的底部通过管路与第四板式热交换器热循环交互相连；所述二级中温厌氧出料缓冲罐侧部设置有厌氧处理后的出料口；
所述二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器的上侧部通过水封管分叉接出顶部废气排出管以及厌氧处理后溢流出口；通过顶部设置的沼气出口与外部沼气净化利用系统相连。
进一步地，所述两次分离的转鼓式猪粪干温分离机中设有一次分离采用40~60目粗过滤的粗滤网，二次分离采用300~400目精过滤的精分离滤网。
进一步地，所述分离后废水处理系统采用上流式厌氧污泥床UASB或者黑膜沼气池厌氧系统。
进一步地，所述微量元素沼气增产营养盐投加系统，包括加液泵、容器和相关管路，将微量元素营养盐在酸性条件下溶解，并将药液由加液泵进行投加。这里，所述微量元素包括铁、钴、镍、钙、镁、钼等。
上述规模化养猪粪污两级厌氧处理装置，具体工作流程如下：
S01、从猪舍排出的粪污混合液进入粪污存储池，经输送机构输送至二级固粪分离机进行二级固液分离；
S02、由二级固粪分离机分离出的含固率为25~30%的固粪与部分原粪污由传输机构进入物料均质调节罐内进行均质调节；分离出的悬浮物小于3000mg/L的粪污分两路，一路进入沉淀池，沉淀池底部已沉淀的未分离固粪的部分粪污经管道输送至物料均质调节罐中，另一路将分离后由沉淀池沉淀的固粪上部粪污一部分经管道输送至分离后废水处理系统，以及一部分输送至物料均质调节罐中；同时，由微量元素沼气增产营养盐投加系统向物料均质调节罐内投加沼气增产营养液，在物料均质调节罐中将未分离固粪的部分粪污与二级固粪分离机分离出的固粪混合均质，并将物料浓度调配到含固率5~8%；其中，由物料均质调节罐预热系统将一级高温厌氧系统出料热能和二级中温厌氧系统出料热能进行回收，并将热能转移到水源热泵的循环水系统，以降低厌氧出料的温度，升高循环水温度；温度升高后的循环水再将循环水中的热能转移到物料均质调节罐中的物料，使进料的温度升高即预加热；
S03、由物料均质调节罐调质的物料经管路进入一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器内，于正常运行温度52~55℃下进行一级高温厌氧处理；其中，由高温厌氧温度保障系统进行高温厌氧温度保障，由一级高温厌氧出料热能回收系统进行一级热能回收；由沼气净化利用系统对一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器产生的沼气进行净化利用；
S04、由一级全混式间歇搅拌高温厌氧反应器经第三板式热交换器将经过一级高温氧化处理后的污水传输至二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器内，于正常运行温度30~35℃下进行二级中温厌氧处理，采用二级中温厌氧出料热能回收系统将出料的温度降至10~25℃，进一步回收出料中的热能；二级中温厌氧系统产生的沼气释放到反应器顶部，并由设置在顶部的沼气储柜结构进行存储，同时进一步实现降解有机污染物和物料脱气的功能；
S05、由所述二级全混式间歇搅拌中温厌氧反应器侧部通过管路与二级中温厌氧出料缓冲罐相连，用于中温厌氧出料中的热能回收提供缓冲。
本实用新型相对于现有技术包括有以下有益效果。
1、本实用新型的规模化养猪粪污两级厌氧处理装置及方法，采用高温+中温两级厌氧处理工艺处理规模化养猪厂混合粪污，解决了现有处理技术实际应用中的不足，大大提高了粪污的处理效率，该新型处理工艺的创新点和优势在于在于：
（1）国内首例采用高温+中温厌氧工艺处理规模化养猪粪污的项目，并建设了日处理量20m3/d的示范工程；
（2）一级厌氧采用高温厌氧工艺，反应速率快，停留时间短，可减少投资；
（3）一级高温厌氧段可降解大部分的有机污染物（COD75%，TSS45~50%），且高温厌氧工艺产生的沼气中甲烷含量比中温厌氧高5~15%，沼气总体产量高10~15%；
（4）采用高温厌氧工艺，可杀灭99%以上的病原菌；
（5）创新性地采用空气源热泵高温厌氧温度保障系统、水源热泵高温厌氧系统出料和中温厌氧系统出料热能回收利用，用于加热调质后的混合物料，可在很大程度上节省高温厌氧系统的加热费用和整体系统的运行费用，同时在冬季低温条件下仍可高效运行，这与国内多数用于处理粪污的厌氧系统冬季低温条件下不能正常运行的实际情况，有很大优势；
（6）创新性采用铁、钴、镍、钙、镁、钼微量元素沼气增产营养盐投加系统，使该工艺沼气产量提升15~20%。
2、随着国内规模化猪场建设的不断增加，本实用新型为新建设或现有规模化猪场粪污提供了新的处理思路和方案，克服了现有处理工艺的不足之处，示范工程的实际运行证明，该工艺运行稳定、节能、高效、沼气产量高、沼气中甲烷含量高、处理效率高、节省厌氧反应器投资，具有广阔的市场应用前景。