专利名称：含重金属有机固废产甲烷同步去除重金属的系统及方法
技术领域：
本发明属于有机固体废物消化的技术领域，尤其涉及一种含重金属有机固体废物产甲烷同步去除重金属的系统及方法系统和方法。
背景技术：
目前，以畜禽粪便、污水处理厂剩余污泥为代表的有机固体废物产生量大、产生区域集中，大量排放可能造成空气，地表水和地下水的污染，从而危害人体健康。此外，且上述有机固体废物除有机物含量高以外，还含有较高浓度的重金属，考虑到这些固体废弃物的最终去向一般为农田或土壤，不经处理长期回归土壤，除了有机物、氮、磷会造成土壤，地下水污染以外，还可能造成土壤或地下水中重金属积累，引发各类污染事故。因此在回田之前，采用合理的系统和方法对其进行处理，显得十分迫切。国内外普遍采用厌氧消化技术处理上述废弃物，有机物在厌氧微生物的作用下降解产生沼气、沼液、沼渣等物质。其中沼气作为能源可以得到有效利用。沼液、沼渣中富含氮、磷等多种营养元素，可以作为有机复合肥回用农田，实现以资源循环利用。但是，厌氧消化处理过程只能降解固体废弃物中有机物，而重金属在厌氧消化处理后仍然残留在沼液、沼渣中，直接影响了沼液、沼渣的农业利用安全性。同时，传统厌氧消化技术处理有机固体废物的效率也有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种含重金属有机固废产甲烷同步去除重金属的系统及方法，可有效提高消化速率，同时可以去除含重金属有机固体废物中的重金属。本发明的目的是通过以下技术方案实现的—种含重金属有机固废产甲烷同步去除重金属的系统，属于有机固体废物消化的技术领域，该系统包括生物酸化反应器、化学酸化反应器、PH调节反应器、固液分离反应器、 诱导结晶反应器和产甲烷反应器；其中生物酸化反应器通过管道及阀门依次连接化学酸化反应器、PH调节反应器、固液分离反应器，固液分离反应器分离出的液体通过管道及阀门与诱导结晶反应器相连，固液分离反应器分离出的固体及诱导结晶反应器的出水分别通过管道及阀门与产甲烷反应器相连；所述生物酸化反应器、化学酸化反应器、PH调节反应器内均设置有搅拌器。采用如权利要求1所述方法的含重金属高固含量有机废物高效产甲烷同步去除重金属的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)待处理的有机固液混合物首先进入生物酸化反应器进行生物水解酸化，搅拌频率2-5转/min，在该反应器中停留时间为2_3d，使pH达到在4_6 ；2)生物酸化反应器的出料进入化学酸化反应器，搅拌频率5-10转/min，并通过添加无机酸调节PH，将pH调节至1. 5-2 ；在该反应器中停留时间为3-13h，重金属从有机废物固相中浙滤进入液相；3)化学酸化反应器的出料在pH调节反应器内通过添加NaOH调节PH值，pH值的范围为4-7，搅拌频率约5-10转/min，在该反应器中停留时间为0. 5_lh ；4)pH调节反应器的出料进入固液分离反应器进行固液分离，其中含有重金属的上清液进入诱导结晶反应器，在诱导结晶反应器中通过添加结晶沉淀药剂，沉淀药剂和重金属离子的摩尔比为1.0-3.0;将上清液中的重金属物质与水分离，使液相中的重金属通过结晶的方式去除回收；5)结晶反应器出水与固液分离产生的固体共同进入产甲烷反应器产气，在结晶反应器中停留时间15-25d，最终反应器的气体、液体、固体出料实现安全农业利用。本发明具有以下优点和积极意义(1)解决了剩余污泥、畜禽粪便、有机垃圾等消化难度大，产气效率低的问题，提高了高固含量有机物料的有机物转化率。(2)解决了有机废物发酵残余物重金属含量高的问题，实现农业安全利用(3)即实现了高效产气，同时又将重金属以结晶的方式得到回收，具有良好的环境和经济效益。本发明适用于城市剩余污泥、畜禽粪便等重金属含量高、消化难度大，产气效率低的高浓度有机物质；解决了发酵残留物质重金属含量高，无法实现安全农业利用的问题。
图1为本发明含重金属有机固体废物产甲烷同步去除重金属的系统和方法的示意图。
具体实施例方式本发明的一种含重金属有机固废产甲烷同步去除重金属的系统及方法，结合附图详细说明如下本发明的系统组成如图1所示，该系统包括生物酸化反应器1、化学酸化反应器2、 PH调节反应器3、固液分离反应器4、诱导结晶反应器5和产甲烷反应器6 ；其中生物酸化反应器1通过管道及阀门依次连接化学酸化反应器2、pH调节反应器3、固液分离反应器4，固液分离反应器4分离出的液体通过管道及阀门与诱导结晶反应器5相连，固液分离反应器 4分离出的固体及诱导结晶反应器5的出水分别通过管道及阀门与产甲烷反应器6相连。所述生物酸化反应器1、化学酸化反应器2、pH调节反应器3内均设置有搅拌器。本发明中上述的含重金属高固含量有机废物高效产甲烷同步去除重金属的方法， 其具体实施方式
包括以下步骤1)高固含量(固含率8-12% )有机固液混合物首先进入生物酸化反应器1进行生物水解酸化，搅拌频率约2-5转/min (分钟)，在该反应器中停留时间为2_3d (天)，有机废物在酸化微生物(反应器启动阶段接种，或反应器运行过程中自发培养形成)的作用下， 使PH达到在4-6 ；该过程主要在微生物的作用下，将大分子有机物转化为有机酸等小分子有机物。在提高产甲烷效率的同时消耗一定碱度，节省重金属化学浙滤过程中无机酸的投加量；
2)然后生物酸化反应器的出料进入化学酸化反应器2，搅拌频率约5-10转/min， 该反应器内主要通过添加无机酸(如盐酸、硝酸)调节PH，将pH调节至1. 5-2 ；在该反应器中停留时间为3-13h(小时)，在无机酸的作用下，重金属从有机废物固相中浙滤进入液相；3)化学酸化反应器的出料在pH调节反应器3内通过添加NaOH调节pH值至固定值(根据后续结晶的需要)，PH值的范围为4-7，搅拌频率约5-10转/min，在该反应器中停留时间为0. 5-lh ；4)pH调节反应器3的出料进入固液分离反应器4进行固液分离，其中含有重金属的上清液进入诱导结晶反应器5，在诱导结晶反应器中通过外加结晶沉淀药剂(如碳酸盐、 可溶性硫化物等)，沉淀药剂和重金属离子的摩尔比为1.0-3.0。将上清液中的重金属物质与水分离，使液相中的重金属通过结晶的方式去除回收；5)结晶反应器出水与固液分离产生的固体共同进入产甲烷反应器6产气，产甲烷反应器采用CSTR的反应器形式，在结晶反应器中停留时间约15-25d，最终反应器的气体、 液体、固体出料均可实现安全农业利用。本发明的一种含重金属有机固体废物产甲烷同步去除重金属的系统实施例为该系统包括生物酸化反应器1、化学酸化反应器2、pH调节反应器3、固液分离反应器4、诱导结晶反应器5和产甲烷反应器6 ；其中生物酸化反应器1通过管道及阀门依次连接化学酸化反应器2、pH调节反应器3、固液分离反应器4，固液分离反应器4分离出的液体通过管道及阀门与诱导结晶反应器5相连，固液分离反应器4分离出的固体及诱导结晶反应器5的出水分别通过管道及阀门与产甲烷反应器6相连；其中，生物酸化反应器1及产甲烷反应器6采用CSTR的反应器结构形式的产品。所述固液分离反应器4可以采用浓缩、脱水等成熟技术的产品。所述诱导结晶反应器5采用流化床的结构形式。化学酸化反应器2 为采用耐酸材料制成的容器，PH调节反应器3为常规容器；所述生物酸化反应器1、化学酸化反应器2、pH调节反应器3内均设置有搅拌器。化学酸化反应器和pH调节反应器通过搅拌器实现PH调节均勻。采用上述实施例的含重金属有机固体废物产甲烷并去除重金属的方法实施例，包括以下步骤1)含率8%的有机固液混合物废料首先进入生物酸化反应器，停留时间为2d，搅拌频率约3转/min，使pH达到在4. 5 ；有机废物在酸化微生物(反应器运行过程中自发培养形成)的作用下，在一定程度上降低了物料的PH值和碱度；2)生物酸化反应器的出料进入化学酸化反应器，搅拌频率约7转/min，通过添加盐酸调节PH，将pH调节在2，停留时间为证，使重金属从有机废物固相中浙滤进入液相；3)化学酸化反应器的出料在pH调节反应器内通过添加NaOH调节pH值至6，搅拌频率约4转/min (分钟)，停留时间为0. 5h ；4)pH调节反应器3的出料进入固液分离反应器进行固液分离其中含有重金属的上清液(固液分离后液体含固率应低于1%)进入诱导结晶反应器，在诱导结晶反应器中通过外加碳酸钠，碳酸钠与重金属离子的摩尔比为1.2。将上清液中的重金属物质与水分离， 使液相中的重金属通过结晶的方式去除回收(重金属去除率可达93%)；5)结晶反应器出水与固液分离产生的固体共同进入产甲烷反应器产气，停留时间约18d，甲烷气体出料可实现安全农业利用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种含重金属有机固废产甲烷同步去除重金属的系统，其特征在于，该系统包括生物酸化反应器、化学酸化反应器、PH调节反应器、固液分离反应器、诱导结晶反应器和产甲烷反应器；其中生物酸化反应器通过管道及阀门依次连接化学酸化反应器、PH调节反应器、固液分离反应器，固液分离反应器分离出的液体通过管道及阀门与诱导结晶反应器相连，固液分离反应器分离出的固体及诱导结晶反应器的出水分别通过管道及阀门与产甲烷反应器相连；所述生物酸化反应器、化学酸化反应器、PH调节反应器内均设置有搅拌器。
2.采用如权利要求1所述方法的含重金属高固含量有机废物高效产甲烷同步去除重金属的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)待处理的有机固液混合物首先进入生物酸化反应器进行生物水解酸化，搅拌频率 2-5转/min，在该反应器中停留时间为2_3d，使pH达到在4_6 ；2)生物酸化反应器的出料进入化学酸化反应器，搅拌频率5-10转/min，并通过添加无机酸调节PH，将pH调节至1. 5-2 ；在该反应器中停留时间为3-13h，重金属从有机废物固相中浙滤进入液相；3)化学酸化反应器的出料在pH调节反应器内通过添加NaOH调节pH值，pH值的范围为4-7，搅拌频率约5-10转/min，在该反应器中停留时间为0. 5_lh ；4)pH调节反应器的出料进入固液分离反应器进行固液分离，其中含有重金属的上清液进入诱导结晶反应器，在诱导结晶反应器中通过添加结晶沉淀药剂，沉淀药剂和重金属离子的摩尔比为1.0-3.0 ；将上清液中的重金属物质与水分离，使液相中的重金属通过结晶的方式去除回收；5)结晶反应器出水与固液分离产生的固体共同进入产甲烷反应器产气，在结晶反应器中停留时间15-25d，最终反应器的气体、液体、固体出料实现安全农业利用。
全文摘要
本发明公开了一种含重金属有机固体废物产甲烷同步去除重金属的系统及方法，属于有机固体废物消化的技术领域；该系统包括生物酸化反应器、化学酸化反应器、pH调节反应器、固液分离反应器、诱导结晶反应器和产甲烷反应器；所述生物酸化反应器、化学酸化反应器、pH调节反应器内均设置有搅拌器。该方法主要包括生物酸化、化学沥滤、pH调节、固液分离、诱导结晶、厌氧发酵等5个步骤。本工艺可有效提高固体废物的消化速率，增加沼气产量，同时可去除废弃物中的重金属，最终实现发酵剩余物的安全农业利用。
文档编号A62D3/02GK102173546SQ201110021090
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者刘晓健, 徐武军, 王凯军, 阎中 申请人:清华大学