专利名称：一种厌氧消化污泥热水解和超声波联合预处理方法
技术领域：
本发明涉及一种对厌氧消化污泥进行预处理的方法，属于厌氧消化污泥预处理技术领域。
背景技术：
对城市污水处理厂产生污泥的处理处置，目前主要的方法可以分为好氧消化、厌氧消化、污泥干化、化学稳定、堆肥、焚烧以及填埋等34种工艺技术。对比厌氧消化工艺，其它的污泥处理处置方法存在着污泥稳定性差、工艺耗能高、污泥脱水性能差、对病源微生物的灭活作用弱等问题。通过对各种工艺的成熟性、技术优越性和经济性的全面评估，发现无论从经济、资源回收和可持续发展的各个角度来看，厌氧消化都是一项优势技术。厌氧消化 的优点是有机质经消化产生了能源，残余物可作肥料。目前厌氧消化已应用于多个领域，如工业废水处理、城市垃圾的处理及潜在能源的开发。厌氧消化是在无氧条件下有机物质被厌氧菌分解产生甲烷和二氧化碳的过程，污泥厌氧消化一般分为三个阶段水解阶段、产酸阶段、产甲烷阶段，其中水解阶段被认为是污泥厌氧消化的限速步骤，主要原因是污泥中大多数有机物存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一个稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。细胞壁属于生物难降解惰性物质，细胞壁水解较为困难，导致污泥厌氧消化过程需要较长的时间。在实际运用中，传统的污泥厌氧消化技术却也存在着反应速度慢、污泥停留时间长、池体庞大、操作管理复杂、发酵周期长(20 30天)等问题。热水解和超声波都是厌氧消化污泥预处理的现有技术，如中国专利文献CN101811810A公开的《一种污泥超声波强化降解的处理箱》。中国专利文献CN102241464A公开了一种《城市污泥处理方法及其设备》，该方法包括如下步骤加热浓缩污泥至45 55°C后进入高温水解酸化反应器中在pH为6. 5 7. 5、温度为4(T55°C条件下进行温水解厌氧消化反应2飞天，得水解酸化产物；将水解酸化产物的温度降为35 40°C后，进入中温产甲烷消化反应器在温度为35 38°C条件下进行中温水解厌氧消化反应1(T17天。CN102627384A公开了《一种提高沼气产量的污泥处理方法》，是将污水处理过程中产生的污泥首先经过脱水预处理，使污泥含水率为87、3%，对脱水预处理后的污泥加热加压，加热温度为16(Tl90°C，加压压力为5 10个大气压，持续25分钟 50分钟，然后降至常压，并降温，污泥降温至3(T36°C后进入中温厌氧消化处理过程，产生沼气，该方法通过加热加压使污泥内的细胞破裂，细胞内的液体流出，释放有机物，提高了污泥自身的流动性，使得厌氧消化效率提高。但是上述两项文献的技术方案其造作条件要求高、能耗大，处理周期长。
发明内容
针对现有的传统的污泥厌氧消化技术存在的反应速度慢、耗能高、处理周期过长、池体体积庞大、操作管理复杂、产气中甲烷含量低等缺点，本发明提供一种反应速度快、能耗低、厌氧消化效率高的厌氧消化污泥热水解和超声波联合预处理的方法。本发明的厌氧消化污泥热水解和超声波联合预处理方法，包括以下几个阶段(1)污泥预热阶段
将浓缩至含水率为91%后的污泥进行预热，使污泥的温度升高到50°C -60°C ；
(2)污泥热水解预处理阶段
将经预热后的污泥泵入热水解反应罐内，泵入的污泥体积不超过热水解反应罐的罐体内部体积的二分之一，使热蒸汽持续进入热水解反应罐内，将热水解反应罐内的温度控制在118°C _122°C，压力达到3个大气压，并在该温度和压力下保持30分钟；
污泥在热水解反应罐内经过高温，能够使微生物絮体解体，细胞部分破裂，污泥中有机物质及细胞内结合水释放在热解过程中，污泥细胞内中大部分有机物可被释放出，同时污泥颗粒间的结合水也被脱出。(3)超声波预处理阶段 热水解预处理后的污泥经热交换器使温度降低至50°C后进入超声波反应器内，用20KHz-28KHz低频率的及0. 33ff/mL声能密度的超声波进行处理，处理时间为30分钟到60分钟，处理过程中超声波通过空化作用和热解作用对污泥絮体进行进一步破解，超声波在低频率情况下能够对液体中的介质产生周期性的挤压，从而产生大的空穴气泡，当空穴气泡大到破裂时产生强有力的水流喷射，而喷射的同时在液体中产生剪切力，这种剪切力容易打破细胞壁使有机物释放。经过超声波处理的污泥，其细胞壁的破解作用将更为彻底。经过热水解和超声波处理后的污泥直接进入厌氧消化反应系统。上述厌氧消化污泥预处理过程，利用热水解和超声波的组合方式对污泥的破解效果会明显优于超声波或热水解的单独处理方法，经过热和超声波联合预处理，可以很好的改变污泥各项理化性质，大幅增强污泥的脱水性能，提高消化污泥的缓冲能力，使处理后的污泥更为稳定，臭味减少，并减少污泥厌氧消化周期，提高污泥产气量，使厌氧消化效率得到明显提高；另外，由于经过热水解预处理，可以杀灭污泥中的很多病源微生物。本发明采用热水解和超声波联合预处理方法，不但可以提高污泥的水解速率，而且可以缩短超声破解的时间，降低预处理的能耗，经预处理并厌氧消化后，可以使污泥更好的做到无害化、减量化、稳定化，并达到资源化。
具体实施例方式本发明采用热水解和超声波联合方法对厌氧消化污泥进行预处理，具体过程如下所述
(1)污泥预热阶段
经浓缩后(含水率为91%)的污泥由储泥罐泵入污泥预热装置，将步骤(2)中热水解反应后的污泥经热交换器进行热量回收，回收的热量回用于污泥预热装置中，利用热水解反应罐回收的热量与污泥进行混合，使污泥的温度升高到50°C -60°C ；
(2)污泥热水解预处理阶段
污泥热水解预处理通过热水解反应系统完成，热水解反应系统由蒸汽发生装置和热水解反应罐两部分组成，蒸汽发生装置为蒸汽锅炉，用以产生蒸汽对污泥进行加热。热水解反应罐为通用设备，其罐体顶部设有泄压阀，上部设有进料口，进料口处设进料阀，底部设有卸料斗，卸料斗的底部设有卸料阀，蒸汽锅炉和热水解反应罐之间通过带阀门的管道连接；热水解预处理过程中，首先确保热水解反应罐卸料阀关闭并且罐体内无压力，然后将经预热后的污泥泵入热水解反应罐内，泵入的污泥体积不超过罐体内部体积的二分之一，关闭进料阀。打开蒸汽发生器与热水解反应罐阀门，使热蒸汽持续进入反应罐内，将热水解反应罐内温度控制在118°C -122V，压力达到3个大气压，并在该温度和压力下下保持30分钟；污泥在热水解反应罐内经过高温，可以使微生物絮体解体，细胞破裂，污泥中有机物质及细胞内结合水被释放，同时污泥颗粒内和颗粒间的结合水被脱出。(3)超声波预处理阶段
热水解预处理后的污泥经热交换器使温度降低至50°C后进入超声波反应器内，用频率为20KHz-28 KHz、声能密度为0. 33ff/mL的超声波进行处理，处理时间为30分钟到60分钟；处理过程中超声波通过空化作用和热解作用对污泥絮体进行进一步破解，20KHZ-28 KHz范围内低频率的超声波对污泥的分解效果更好。超声波在低频率情况下能够对液体中的介质产生周期性的挤压，从而产生大的空穴气泡，当空穴气泡达到一定体积时则会破裂产生强有力的水流喷射，而喷射的同时在液体中产生很强的剪切力，这种力量很容易打破细胞壁使有机物释放。 经过热水解和超声波处理后的污泥温度处在35度左右，可直接进入厌氧消化反应系统。运用热水解和超声波的联合污泥强化作用，可以破坏污泥中微生物的细胞结构及细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，细胞内的内含物溶出，进入水相，在胞外酶的作用下快速水解为小分子化合物，对提高污泥厌氧消化效率具有重大意义。经过热水解和超声波不同时间处理后，污泥的指标发生了如下变化
超声波处理30分钟后SCOD (指溶解性化学需氧量)由1960mg/l上升到9600mg/l，是原来的4. 9倍。随着超声波作用时间增加至60分钟时，SCOD增加至12360mg/l，是原来的6. 3 倍。粒径变化原污泥中值粒径为30. 644 u m,经热水解的污泥，在超声波作用30分钟后，粒径为23. 981 u m,比原污泥减少了 21. 7% ;超声波作用50分钟后，粒径为17. 101 u m，比原污泥减少了 44. 2% ;超声波作用60分钟后，粒径为11. 069 u m,比原污泥减少了 63. 9%。结果表明，低强度的超声作用可以很好的减少污泥颗粒粒径，从而改善微生物细胞膜的通透性和水解作用。含水率变化随着超声处理时间的增加，污泥含水率呈上升趋势，超声作用时间由0到30分钟时，含水率提高明显；在随着超声作用时间增加，含水率变化逐渐减小直至不变。结果表明，低强度的超声作用处理较短时间，有利于污泥内结合水的释放，有利于污泥脱水。
权利要求
1.一种厌氧消化污泥热水解和超声波联合预处理方法，其特征是包括以下阶段 (1)污泥预热阶段 将浓缩至含水率为91%后的污泥进行预热，使污泥的温度升高到50°C -60 °C ； (2)污泥热水解预处理阶段 将经预热后的污泥泵入热水解反应罐内，泵入的污泥体积不超过热水解反应罐的罐体内部体积的二分之一，使热蒸汽持续进入热水解反应罐内，将热水解反应罐内的温度控制在118°C _122°C，压カ达到3个大气压，并在该温度和压カ下保持30分钟； (3)超声波预处理阶段热水解预处理后的污泥经热交換器使温度降低至50°C后进入超声波反应器内，用20KHz-28KHz低频率的及O. 33ff/mL声能密度的超声波进行处理，处理时间为30分钟到60 分钟，处理过程中超声波通过空化作用和热解作用对污泥絮体进行进ー步破解，超声波在低频率情况下能够对液体中的介质产生周期性的挤压，从而产生大的空穴气泡，当空穴气泡大到破裂时产生强有力的水流喷射，而喷射的同时在液体中产生剪切力，这种剪切カ容易打破细胞壁使有机物释放。
全文摘要
一种厌氧消化污泥热水解和超声波联合预处理的方法，包括以下过程(1)经浓缩后的污泥进行预热，使污泥的温度升高到50℃-60℃；(2)将经预热后的污泥泵入热水解反应罐内，泵入的污泥体积不超过罐体内部体积的二分之一，使蒸汽发生器产生的热蒸汽持续进入热水解反应罐内，将热水解反应罐内的温度控制在118℃-122℃，在该温度下保持30分钟；(3)热水解预处理后的污泥经热交换器使温度降低至50℃后进入超声波反应器内，用频率为20KHz-28KHz、声能密度为0.33W/mL的超声波进行处理，处理时间为30分钟到60分钟。本发明采用热水解和超声波联合预处理方法，不但可以提高污泥的水解速率，而且可以通过热量的综合调配降低运行能耗。
文档编号C02F11/00GK102826730SQ20121036754
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者刘长青, 冉小珊, 廖足良, 毕学军, 程丽华, 张峰 申请人:青岛理工大学