污水处理厂污泥分相消化方法，涉及一种污水处理厂污泥处理与资源化利用 技术，属污水厂污泥废弃物污染控制技术领域。
背景技术：
采用好氧生物处理工艺的污水处理厂，污泥是不可避免的二次污染物。城市 污水处理厂物料平衡测试结果表明，污水厂水处理工序中去除的70％以上有机物 富集于污泥之中。因此，“减量化、无害化、资源化”是污水处理厂污泥管理的 原则，也是其处理技术发展与选择所遵循的基本准则。目前，符合污水处理厂污 泥管理原则的污泥厌氧消化技术得到了广泛的应用，其中发达国家的应用率达到 50％以上。污泥厌氧消化可以通过降解污泥有机物直接对污泥进行减量，同时也 有助于改善污泥的可脱水性，间接地有利于污泥的脱水减量处理和无害化(污泥 在50～55℃进行高温厌氧消化后，可直接达到卫生无害化的要求，即使是32～38 ℃中温厌氧消化也有利于抑制和减少污泥中的致病菌数量)。污泥厌氧消化可产 生沼气，提供了能源回收利用的可能，同时厌氧消化后，有机物被生物稳定化处 理后的污泥还可作土地利用，实现植物营养元素和有机物还田。
尽管如此，污泥厌氧消化技术仍面临两方面的基本问题，一是提高厌氧消化 过程的有机物转化率，这与污泥消化处理的减量化、无害化水平及能源回收效率 均有很大的相关性；二是控制污泥厌氧消化过程中磷的溶出。
对于上述厌氧消化面临的第一个问题，目前的主要方法是发展二阶段污泥厌 氧消化，即从厌氧消化的原理出发，优化消化的环境和微生物相。在环境优化方 面，基于有机物厌氧消化由水解酸化、乙酸化产氢和甲烷化3个基本步骤组成， 且水解酸化微生物与乙酸化和甲烷化微生物的代谢优化环境条件不同，将污泥消 化分为水解和甲烷化2个阶段，在控制不同环境条件的反应器中完成，可使参与 污泥厌氧消化的不同微生物菌群的代谢环境条件均能得到优化 (“TWO-PHASE，TWO-STAGE，AND SINGLE-STAGE ANAEROBIC PROCESS COMPARISON”.Azbar N，Speece R E.Journal of Environmental Engineering，127 (3)：240-248，2001)。而对于消化的微生物相优化，由于，目前的污泥二阶段 消化均采用固液混合方式，因此，只能采用部分消化污泥循环接种的方式，对消 化微生物作出调整。而更为有效的微生物固定化或颗粒化污泥等优化厌氧降解微 生物相的方法无法实施。
对于第二个厌氧消化中的磷释放问题，为了控制水体富营养化，污水处理中 除磷脱氮去除植物营养元素的操作逐渐普及，很多污水厂的除磷采用生物工艺， 而除磷微生物的生物特征是好氧聚磷、厌氧释磷(见高廷耀、顾国维，“水污染 控制工程(下册)”，第二版。高等教育出版社，北京，1999)。因此，在传统的 厌氧消化中，污泥中的磷必然将大量释放(EXPERIMENTAL STUDIES SIM[ULATING POTENTIAL PHOSPHORUS RELEASE FROM MUNICIPAL SEWAGE.Rydin E，Wat.Res.30(7)：1695-1701，1996)，并随消化出水回流至污 水处理厂，使得从污水中分离的磷重新返回污水中，导致污水处理中的除磷无法 取得实际效果。要控制污泥厌氧消化过程中磷的溶出，必须要保持消化环境的有 氧状态，这与厌氧消化菌群的生理特征冲突。因此，目前在污泥厌氧消化的框架 内，尚缺乏解决方案，为了避免污泥消化中的磷释放问题，只能改用好氧消化或 不采用消化技术，但是污泥好氧消化对于处理容量大于5万m3/d的污水厂，其 经济性明显劣于厌氧消化。而不采用消化技术，在采用同样的脱水技术条件下， 污泥的脱水效果明显下降，不利于污泥的减量化。总之，目前还没有方法解决污 泥厌氧消化中普遍存在的这些技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是公开一种污水处理厂污泥厌氧消化技术，采用该技术能优化 微生物代谢环境，从而抑制了污泥中磷的释放、降低了污泥的含水率，提高了有 机碳转化为沼气的转化率。
为了达到上述目的，本发明按污泥消化的水解和甲烷化微生物菌群代谢特 征，确定了污泥消化的基本流程分二段进行：第一段是从污水厂污泥浓缩池排出 的浓缩污泥先进入曝气水解消化反应器进行曝气水解消化，控制反应器中溶解氧 浓度须大于1.5mg/L，使污泥磷释放率小于80％；第二段是固液分离得到的水解 液再进入填料式甲烷化反应床进行甲烷化消化产生沼气；而分离得到的污泥 泥饼则利用沼气进行热干燥后作土地利用。
具体步骤如下：
第一步：浓缩预处理后的污水处理厂污泥，先通过换热器A加热至 35℃～40℃后进入曝气水解消化反应器中水解消化；曝气水解消化反应器主体为 2个直径不同的同心圆筒，内筒下部设有微孔曝气管，运行时，内筒中的污泥与 曝气释放的气泡混合，使其表观密度低于内、外筒环隙内的污泥，由此，可使反 应器内的污泥，在环隙和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件。通过控制 曝气的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平，同时pH控制在5.5～6.0， 反应器内温度维持在30℃～35℃，消化水力停留时间6d，即获得水解消化产物；
第二步：水解消化产物采用离心分离因素1800～2200的卧式螺杆卸料离心机 作固液分离，得水解液和泥饼；
第三步：水解液通过换热器B加热40～45℃进入填料式甲烷化反应床，在外 接的离心式泥浆泵驱动下，以0.005-0.02m/s循环流速在填料式甲烷化反应床中 循环，反应温度为32～38℃，进行甲烷化消化产生沼气和消化出水；通过离心式 泥浆泵出口的一个三通阀，将消化出水排出甲烷化反应床，并通过调节三通阀的 开度，控制排液流量，使水解液在该反应器内的水力停留时间为3d。沼气收集 后进入燃气锅炉生产蒸汽，消化出水回流至污水处理厂配水井，部分消化出水进 入曝气水解消化反应器中，使曝气水解消化反应时pH控制在5.5～6.0。
第四步：先将泥饼与干燥污泥搅拌混合至含水率在50％～60％范围，再进入 工业用卧式空心桨叶干燥器中干燥至含水率32％～38％，干燥用的热源为污泥甲 烷化产生的沼气在燃气锅炉生产的压强200～250kPa(表压)，温度140℃～150℃ 的过热蒸汽，蒸汽在干燥器的夹套和空心轴中流动，以间接加热方式对干燥过程 供热完成泥饼加热干燥，成为干化污泥作土地利用；干燥器干燥污泥产生的二次 蒸汽由循环空气带出，先进入换热器B将水解液加热到40～45℃后，再进入换热 器A将浓缩预处理后的污泥加热到35～40℃，换热器A出来的尾气通过分流阀， 排除气量的1/10，排除尾气的同时补充等量新鲜空气，然后再返回干燥器循环； 排出的尾气与沼气燃烧所需的空气一起进入燃气锅炉，燃烧脱臭后，通过烟道排 除。二次蒸汽在两个换热器中冷凝成的冷凝液回流至污水厂配水井。
所述的第三步的填料式甲烷化反应床，其圆筒体中部的高度为直径的3～6 倍，圆筒体中部内悬垂吊挂聚酯无纺土工布，作为甲烷化消化微生物的附着生长 填料载体，土工布规格400g/m2，裁成5cm宽长条后吊挂使用，土工布吊挂密度 250～400条/m2。土工布悬挂空间下部设0.3m厚的碎石填充层，碎石级配粒径 5-20mm。反应床顶部设离心分离的水解液进口和沼气收集口，侧壁按上进、下 出方式设2个液体进出口，并与离心式泥浆泵连接，驱动液体在填料床中由上至 下流动。
所述的第一步的污泥在曝气水解消化反应器中水解消化，所用的反应器由内、 外同心圆筒组成，内、外筒直径比控制在1:(1.4～1.6)，外筒的直径与高度比值 为1:(3～5)，外筒为密闭结构，下部设污泥进口，上部设溢流式污泥出口，顶部 设气体释放口；内筒上下两端敞开，下端截面内平行安装微孔曝气管，各微孔曝 气管间隔8～15cm，使污泥能在其间流动；运行时，内筒中的污泥与曝气释放的 气泡混合，使其表观密度低于内、外筒环隙内的污泥，使反应器内的污泥在环隙 和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件；反应器环隙内设置2～3个溶解氧 和pH探头，持续测试污泥的溶解氧浓度和pH。
本发明的优点是：
1.本发明将污泥的消化过程分为两段，一段为低氧的水解消化，一段为厌 氧的甲烷化消化，能优化2类消化微生物的代谢条件，使水解消化后离心分离的 泥饼含水率平均为76.5％(值域73％～79％)，甲烷化后有机碳的气相(沼气) 转化率平均达到了93％(值域89％～95％)。
2.水解菌群大部分为兼性微生物，曝气水解不影响其代谢活性，本发明控 制曝气量，减少了有机物好氧转化为CO2和H2O的比例，污泥水解溶出的有机 碳的气相转化率降低至平均为6％(值域4％～10％)，因此，保证了后续的液相 甲烷化有足够的基质，使沼气转化率达到93％。
3.本发明污泥在水解段消化后即与液相分离，不经历厌氧条件，其低氧的 水解环境条件抑制了污泥中磷的释放，消化全过程中磷的释放小于20％，与常规 的厌氧消化中磷的释放率达60％相比，有效减轻了磷回流对污水厂除磷效果的影 响。
4.本发明从全过程能量平衡的要求出发，两段消化(污泥水解和甲烷化) 均采用中温(30℃～38℃)，既保证了泥饼达到土地利用的卫生无害化要求(通 过后续热干燥杀灭致病菌)，又利用甲烷化产生的沼气对泥饼进行热干燥处理， 实现污泥植物营养元素的还田。
5.由于本发明污泥曝气水解消化的溶解氧控制在1.5～2.0mg/L，消化时间 为6d，即使污泥中有机物水解溶出率平均达到40.8％(值域38％～44％)，且污 泥中的颗粒物在水解段消化后已与液相分离，提供了采用填料式甲烷化反应床作 甲烷化转化的条件，填料附着生长保证了甲烷化微生物的优化，因此，水解液中 有机物沼气转化率达93％，能量回收率较高。
6.本发明利用甲烷化产生的沼气生产蒸汽，蒸汽干化水解后分离的泥饼， 二次蒸汽再加热水解液和浓缩污泥，尾气通过锅炉燃烧脱臭排放，实现了能量综 合利用。
具体实施方式
下面以污泥干固体产生量为20t/d的污水处理厂(相当于日处理污水10万 m3的污水处理容量)为例，介绍本发明的具体实施方式。
污泥干固体产生量为20t/d的污水处理厂浓缩污泥量约400m3/d(含水率 95％)，浓缩污泥首先在换热器中与通过换热器B的来自空心桨叶干燥器的二 次蒸汽进行间壁式换热，升温至35℃～40℃，再进入曝气水解消化反应器中，进 行水解消化；曝气水解消化反应器主体为2个直径不同的同心圆筒，外筒为密 闭结构，上部一侧设污泥进口1，上部另一侧设溢流式污泥出口，顶部设释放 气体的排气口；内筒上下两端敞开，下端截面内平行安装微孔曝气管，每个曝气反应器外筒的内径为5m，高20m、操作时实际液深18m，为使消化水 力停留时间达到6d，采用7个相同的反应器平行操作；内筒直径为3.2m，高 15m，上、下分别距外筒3实际液面和底面均为1.5m，同心安装于外筒3内，内筒底部截面处，每间隔15cm平行安装19条长度与底部截面相对应的微孔曝 气管。运行时，连接罗茨风机进行曝气，使内筒中的流体(污泥)与曝气释 放的气泡混合，致其表观密度低于内、外筒环隙内的流体，使反应器内的流体(污 泥)在环隙和内筒间形成持续的流动，保证消化传质条件。反应器环隙内中间截 面均匀设置测试溶解氧和pH探头各2个，持续测试污泥的溶解氧浓度和pH， 通过控制曝气的流量使污泥中的溶解氧保持在1.5～2mg/L的水平；同时，通过回 流部分甲烷化消化出水控制pH在5.5～6.0的水平。
水解消化完成的产物采用卧式螺杆卸料离心机作固液分离，将污泥分离为泥 饼和水解液。离心机筒体直径0.45m、长径比3.3，转速3000转/分钟(离心分离 因素约2000)，单台分离消化产物流量20m3/h，配置2台。
离心机排出的水解液，流量约330m3/d，首先在换热器中与来自空心桨叶 干燥器的二次蒸汽进行间壁式换热，升温至40℃～45℃，再进入填料式甲烷化反 应床中进行甲烷化消化。填料式甲烷化反应床为圆筒体，内径6m，高23m，筒 内顶面下2m设悬垂填料吊架，悬垂吊挂聚酯无纺土工布作为甲烷化消化微生 物的附着生长载体-悬垂填料，土工布规格400g/m2，每条宽5cm、长度15m， 垂直方向间隔3m设悬垂填料固定架稳定土工布，土工布在反应床中均匀分布， 吊挂数量8500条；土工布悬挂空间下部设0.3m厚的碎石填料，碎石级配粒 径5～20mm；反应床顶部设离心分离的水解液进口和沼气收集口，侧壁按上进、下出方式设2个液体进出口，通过循环管与离心式泥浆泵连接，驱动水解液在反应床内由上至下流动，离心式泥浆泵流量1200m3/h，水头25m； 离心式泥浆泵出口另设一个排出流量控制三通阀，使消化完成的消化出水 通过消化出水排出口排出。甲烷化消化产生的沼气收集后去燃气锅炉，甲烷 消化出水回流至污水处理厂配水井。
收集的沼气通过气体燃烧锅炉产生压强200～250kPa(表压)，温度140℃～ 150℃的过热蒸汽。
污泥固液分离产生的泥饼约36t/d，先与干燥污泥搅拌混合，至混合污泥含 水率在50％～60％范围，混合污泥量约77t/d，再进入工业用卧式空心桨叶干燥器 中干燥，沼气燃烧产生的过热蒸汽在干燥器的夹套和空心轴中流动，以间接加热 方式为干燥过程供热。干燥器直径1.2m、长度8m，操作时物料充满度0.5，干 燥时间1.5h，单台处理能力约4t/h，共配置4台；污泥干燥产生的二次蒸汽由流 量15000m3/h的循环空气带出，循环空气先通过换热器B，再经过换热器A依次 加热进入填料式甲烷化反应床的水解液和进入曝气水解消化反应器的浓缩污泥， 并使其中的蒸汽冷凝排出，冷凝液回流至污水厂配水井。换热器出来的尾气通过 分流阀排除气量的1/10，排出尾气的同时补充等量新鲜空气，然后再返回干燥 器循环，排出的尾气与沼气燃烧所需的空气一起进入燃气锅炉，燃烧脱臭后，通 过烟道排除。干燥产生的干化污泥即可作土地利用。
本发明对实施例进行计算验证发现，每1kg含有机物65％的干污泥，消化 后可回收沼气(体积比CH465％、CO235％)0.22m3，其所含热值为5.72MJ，可 加热干燥蒸发掉污泥脱水泥饼中2.04kg的水量(热干燥时，每kg水分蒸发的平 均消耗燃料能量2.8MJ)；而以1kg干污泥计，其消化后的干固体体重734.8g， 换算为含水率76.5％的泥饼重量为3126.8g，泥饼含水2392g，蒸发2040g后， 剩余352g，则干燥后干化污泥含水率32.4％，可以满足土地利用的贮存与运输要求。