专利名称：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“Anaerobicdigestion of organic wastesAn overview of research achievements andperspectives”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。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式
请参阅图1，本发明的复合厌氧消化方法包括垃圾的固相水解消化和污泥的液相厌氧甲烷化消化。
其中固相水解消化采用分批消化方式，在固相水解消化反应器中装填经分选或分类收集的城市生活垃圾。垃圾装填高度达到反应器高度的90％时，开启推料板，将其推压至对侧，控制推料板推压行程以使垃圾的填充密度为400～600kg/m3，直至水解消化反应器为垃圾所充满。用相应管线连接液体循环和回流用的回流增压泵、调节阀和热交换器，开始进行消化。通过水解消化反应器内上、下面各设有的穿孔钢板封制而成的布水层(布水层中设导流板)和集水层，及其与反应器侧面的开口与液体循环管线依次连接组成的液体循环通道，可在消化过程中进行反应器内的液体循环，循环可间歇或连续进行，但日平均的循环时间应大于3h，循环水力负荷＞30mm；循环液的pH值控制范围为5.5～5.8，既使水解不受抑制，亦可使之抑制甲烷化菌群的活动。城市生活垃圾水解消化的周期，根据垃圾组分的不同为10～15天完成消化，完成消化后控制推料板以约为0.1m/min的速率将消化完成固体输出，经滚筒筛分选出未消化的塑料和其他杂物后，作土壤改良剂利用。并可再次装填垃圾进行消化。
液相甲烷化消化采用连续流动消化方式，消化温度采用高温域，控制为52±2℃，液相消化反应器内垂直中段设多孔陶瓷填料层，高度1.2～2.0m，填料层空隙率0.5～0.7；填料层下设支承布水板，布水板开孔孔径和孔间距为10mm和30mm；反应器内液体流动方向为由下至上，反应器侧壁上、下分别设孔连接循环液进出口管，反应器侧壁另设污泥进料孔，底面设消化液排出装置，另在反应器顶面最高处设气体出口，气体出口下方设丝网挡沫板。反应器的体积按污泥消化水力停留时间14天确定，单个反应器体积无法满足处理量要求时，可设多个反应器。反应器循环回流液体的pH值控制大于6.5，脂肪酸浓度＜5000mg/L。城市污水厂污泥重力浓缩后含固率应＞3％；污泥消化过程中由于存在固相水解消化反应器内的循环流动，污泥固体中约70％可在其中沉积，液相消化器完成液的含固率＜1000mg/L，回流污水厂前不再需要作固液分离处理。城市污水厂污泥经重力浓缩后，浓缩污泥经热交换器I预热后进入液相甲烷化反应器进行厌氧消化，消化产生的沼气进入水冷气体内燃发电机中转化为电能，由气缸夹套中回收的热水在热交换器I中用于加热浓缩污泥。消化排出的消化完成液与污泥浓缩上清液混合回流城市污水厂集水井。
液相甲烷化反应器中的部分液体经循环增压泵输送，并经热交换器II换热(冷却)后，以上流方式在固相水解消化反应器穿过垃圾层形成总回流液，总回流液再经回流增压泵增压和热交换器换热(加热)后返回液相甲烷化反应器。在循环增压泵出口与液相甲烷化反应器循环回流管线间设有连接支管和调节阀II，可形成液相反应器局部回流液[不与固相水解反应器中的垃圾层接触直接回流]，通过改变调节阀II的开启度，可控制液相甲烷化反应器局部回流液和总回流液的流量比，进而可有效控制返回液相甲烷化反应器的总回流液的pH值和脂肪酸浓度，避免因循环而使此反应器中的环境条件发生剧烈变化而影响甲烷化菌群的代谢活动。同样，回流增压泵的出口与固相水解反应器循环液进口管间设有连接支管和调节阀I，可形成固相水解消化反应器局部回流液，通过调节阀I的开度控制，可调节进入固相水解消化反应器液体的pH值和脂肪酸浓度，由此对固相水解消化反应器的水解条件进行优化控制。
权利要求
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，可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，可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。
全文摘要
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。
文档编号C02F3/28GK1557743SQ20041001607
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月4日 优先权日2004年2月4日
发明者何品晶, 邵立明, 宗兵年, 李国建, 吕凡 申请人:同济大学