一种利用卧式厌氧反应器处理剩余污泥的方法与流程

本发明涉及一种利用卧式厌氧反应器处理剩余污泥的方法，属于有机固体废物处理处置和剩余污泥减量化的技术领域。

背景技术：

剩余污泥是指污水处理厂处理废水时在初沉池以及二级、三级处理工艺中产生的沉淀污泥物、颗粒物和漂浮物等。随着我国社会经济的发展和城镇化的快速发展，城镇污水厂的数量和规模在不断增加。我国在污泥处理处置中存在的“重水轻泥”问题十分严重，对污泥处理处置的重视和投入不够，80％的污泥还没有得到稳定的处理处置。初步估算“十二五”期间，全国年平均产80％含水率的湿污泥3500-6000万吨，折合干污泥约700-1200万吨。到2020年污泥产量将突破6000万吨，污泥产量的不断增加给环保行业带来了巨大的压力。

厌氧消化技术是污泥处理处置的有效方式之一，厌氧消化可以减少污泥体积，稳定污泥性质，提高污泥的脱水效果，减少污泥恶臭，提高污泥的卫生质量。传统污泥湿式消化中污泥含水率高达95％，产生大量难以处理的沼液，同时由于反应体系含有大量的水给增温系统带来很大的困难，处理时所占空间大但有效消化能力低。污泥高固态消化克服了传统厌氧处置的不足，提高了单位有机物的处理量，提升了消化效率，同时大大降低了沼液的产生量。但是传统的立式消化装置也存在一定的不足，由于污泥的粘度和密度较大，厌氧处理时污泥容易堆积在底部，造成局部酸化，传质传热受阻，发酵速率较慢等。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种剩余污泥处理装置并提供了一种利用卧式厌氧反应器处理剩余污泥的方法，有效地避免了立式反应器存在的处理污泥的不足的问题。本发明利用带有推流式搅拌装置的卧式反应器，厌氧消化含固率20％的剩余污泥。

本发明的第一个目的是提供一种剩余污泥处理装置，所述剩余污泥处理装置主要包括进料装置、卧式厌氧反应装置、沼气收集和净化装置、太阳能保温装置和沼渣脱水装置；所述太阳能保温装置设置在卧式厌氧反应装置外层；进料装置与卧式厌氧反应装置的进料口连接，沼气收集装置与卧式厌氧反应装置相连。

在一种实施方式中，所述进料装置为螺旋输送机。

在一种实施方式中，卧式厌氧反应装置的整体为卧式圆柱体，侧面直径与罐体长度比值为1:5。

在一种实施方式中，卧式厌氧反应装置的有效容积为40m³。

在一种实施方式中，所述卧式反应装置的体积为50m³。

在一种实施方式中，所述卧式厌氧反应装置中带有推流式搅拌装置。

在一种实施方式中，所述太阳能保温装置为带有紫外线吸收膜的阳光板，利用温室的保温作用可将反应器内温度提高8℃-10℃。

在一种实施方式中，所述卧式厌氧反应装置的出泥采用气动隔膜泵出泥；沼气收集采用HDPE材料制成的沼气膜，并配套风机和火炬，确保装置的稳定运行。

本发明的第二个目的是提供一种处理剩余污泥的方法，是利用本发明的剩余污泥处理装置。

所述方法是将含固率20％的剩余污泥采用卧式反应器进行厌氧消化处理。

在一种实施方式中，所述剩余污泥的pH为7.2～8.0、TS 18～22％、VS/TS 55～60％、氨氮20～26mg/kg、总碳135～160g/kg、总氮25～30g/kg、碳氮比5.0～5.5。

在一种实施方式中，所述剩余污泥的pH为7.6、TS 20％、VS/TS 55～60％、氨氮23.15mg/kg、总碳148.63g/kg、总氮27.84g/kg、碳氮比5.3。

在一种实施方式中，所述卧式厌氧反应装置启动时采用连续进料的方式进行加料，第1天进剩余污泥10吨，以后每天进料1吨，1个月内完成进料，共加料40吨，体积为35立方，未加入产甲烷菌种；完成进料后每日定时进行搅拌，搅拌转速为5r/min，启动过程的厌氧消化时间为73d。

本发明的有益效果：

(1)卧式反应器一般应用于食品发酵行业，本发明对传统卧式反应器的长宽比和保温方式进行了改进。本发明将卧式反应器的长宽比增大到5:1，这种结构使污泥有更长的消化沿程从而获得更好的消化效果。本发明除了利用卧式反应器外还对保温设施采取了新的设计，通过搭建太阳能温室阳光房作为反应器的加热保装置，起到节能控温的良好效果，阳光房以槽钢和角钢为骨架，四周以PC波浪型阳光板密封，起到良好的增温保温效果。

(2)本发明针对含固率20％的剩余污泥，采用卧式反应器进行厌氧消化处理。采取连续进料的方式，通过太阳能保温系统进行反应器的运行，经过3个月的运行，污泥产沼气率达到274mL/gVS，甲烷含量为58％，VS转化率达到46％，蛋白质和多糖降解率分别为36.7％和30.1％，消化过程中VFA含量最大值为2395mg/kg，最大值出现在第42天。消化过程中氨氮浓度一直缓慢增加，最大值约124.3mg/kg。

附图说明

图1为反应器装置示意图；

图2为日内温差变化；

图3为消化过程中温度的变化；

图4为产气量和甲烷含量的变化；

图5为厌氧消化中VFA的变化情况；

图6为厌氧消化过程中氨氮的变化情况；

图7为厌氧消化中VS转化率的变化；

图8为消化过程中蛋白质的变化；

图9为多糖含量的变化；

上述图中反应器按沿程平均分布4个取样口，分别为1号，2号，3号和4号取样口，分别用R1，R2，R3和R4表示。

具体实施方式：

实施列1

剩余污泥为污水处理厂带式压滤机出泥，污泥性质见表1。

表1剩余污泥性质

本发明采用的剩余污泥处理装置，主要包括进料装置、卧式厌氧反应装置、沼气收集和净化装置、太阳能保温装置和沼渣脱水装置；所述太阳能保温装置设置在卧式厌氧反应装置外层；进料装置与卧式厌氧反应装置的进料口连接，沼气收集装置与卧式厌氧反应装置相连。卧式厌氧反应装置(即反应器)外设计安装了配套设备，为带有紫外线吸收膜的阳光板，利用温室的保温作用可将反应器内温度提高8℃-10℃。装置进料采用螺旋输送装置进料，罐体出泥采用气动隔膜泵出泥。沼气收集采用HDPE材料制成的沼气膜，并配套风机和火炬，确保装置的稳定运行。反应器有效容积为40m³，反应器整体为卧式圆柱体，侧面直径与罐体长度比值为1:5。

本发明针对含固率20％的剩余污泥，采用卧式反应器进行厌氧消化处理(图1)。采取连续进料的方式，通过太阳能保温系统进行反应器的运行，经过3个月的运行，污泥产沼气率达到274mL/gVS，甲烷含量为58％，VS转化率达到46％，蛋白质和多糖降解率分别为36.7％和30.1％，消化过程中VFA含量最大值为2395mg/kg，最大值出现在第42天。消化过程中氨氮浓度一直缓慢增加，最大值约124.3mg/kg。反应器沿程4个取样口污泥的VS，蛋白质和多糖降解率呈现明显的差异性，反应器内污泥的降解率与其所处的沿程距离成正相关。通过搭建太阳能温室装置，起到提高和稳定反应器内温度的作用，反应器内温度较室外温度能提高10℃左右，可以将反应器内温度的波动控制在4℃-5℃。本发明的运行装置主要分为进料装置、卧式厌氧反应装置、沼气收集和净化装置、太阳能保温装置和沼渣脱水装置等。剩余污泥进入储料罐中，通过提升机输送到一定高度，在螺旋输送机的作用下从上部进入厌氧发酵罐中，发酵罐为卧式厌氧发酵罐，可以自动监测压力、流量和液位等，可实时监控。

厌氧发酵产生的沼气经过脱水和脱硫净化后进行收集和利用。设置了沼渣出料装置，沼渣通过板式压滤机进行脱水。为了实现反应器全年稳定运行，克服冬季或低温情况下反应效率低的问题，设计了太阳能保温设施，可维持反应器的全年稳定运行。卧式反应装置的体积为50m³。反应器启动时采用连续进料的方式进行加料，第1天进剩余污泥10吨，以后每天进料1吨，1个月内完成进料，共加料40吨，体积为35立方，未加入产甲烷菌种。完成进料后每日定时进行搅拌，搅拌转速为5r/min，启动过程的厌氧消化时间为73d。

实施列2：温室对反应器的保温情况

温度是影响厌氧消化效果的关键因素之一，不同的温度对应特定的产甲烷群落，厌氧消化的温度波动不能太大，否则会影响产甲烷效果的稳定性。为考察运行阶段太阳能温室的温控效果，记录了反应器内，温室棚内以及室外的温度变化情况，分析了4月20号一天内温度的变化情况(图2)；同时记录了从三月底以来的73天温度变化的数据(图3)。从图2可知温室棚内温度明显高出室外10-12℃，反应器内温度高出室外6-9℃，且反应器内温度更加稳定，温度波动幅度小，最低温度26℃，最高温度33.5℃，反应器温差为7.5℃，温室棚内温度波动较大，最高温度38.2℃，最低温度25.4℃，温差为12.8℃，温室外最高温度24.7℃，温室外最低温度17.5℃，温差达到7.4℃。这表明温室不但对反应器有良好的增温效果，而且对其温度的稳定性起到一定的作用。

图3为连续73天内温度变化的情况，前期反应器内和温室内外三处温度都处于最低温度，分别是10.2℃，15.1℃和11℃。后期反应器内和温室内外三处温度处于最高温度，分别为30.8℃，41.2℃和37.2℃。前期室外温度最低时棚内外温差较小，温差为4.9℃，罐内温度和室外温度差只有0.8℃，而到后期，当室外温度最高时，温室内外温度差为10.4℃，反应器内和室外的温度差为6.8℃，由此可以看出，当室外温度越高时，温室内外温差越大，温室的增温效果越好。启动过程的后半段室内外温差高于反应前半段。

实施列3：反应器运行过程中污泥的产气情况

图4为发酵罐产沼气量和甲烷含量的变化曲线，从图可知，反应初始阶段，反应器内产气效果不明显，但随着反应的不断进行，反应器日产气量不断提升，初期日产气的增速较缓慢，在第25-55天，反应器产气量明显提升，日产气量从3.9m³迅速提高到16m³，对比图3，这一时期反应器内的温度从25℃上升到35℃，产气量和温度均迅速提高，温度的上升大大提高了产甲烷菌的活性，提升了消化效率，反应器温度达到35℃时，有利于污泥的中温厌氧消化。在第55-65天，反应器产气速率维持在一个较高的水平，到第60天后产气量有所下降，这主要是由于反应器内大部分底物已被利用，体系中已没有充足的有机物维持较高的厌氧消化速率，到第73天，反应器中污泥每克VS累计产气量为274mL。室外温度25℃左右时，温室内温度明显高出室外10℃左右，反应器内温度高出室外7-8℃，说明随室外温度的提高，温室的升温效果越来越好。从图中甲烷变化的情况可知初始阶段所产沼气中甲烷量较少，前45天均维持在一个较低的状态，在第45-60天不断提高并达到最大值58％，之后均维持在40％-55％之间，对应65天后的产气量，产气先达到高峰一周后气体中甲烷含量达到高峰。从产沼气量和甲烷含量分析表明反应器污泥厌氧消化已在进行。

实施列4：反应器运行过程中污泥VFA含量的变化情况

厌氧发酵过程中，有机物逐步被微生物转化为挥发性脂肪酸(VFA)，VFA可作为产甲烷菌的底物，通过自身代谢作用生成甲烷。但较高浓度的VFA会引起发酵体系酸化、pH值降低、微生物代谢过程停滞，导致发酵过程失败，图5为启动阶段发酵罐4个取样口污泥VFA的变化情况，从图中可以看出VFA初始含量较低，第1天到第15天，VFA的含量迅速增加到1500mg/kg，这一阶段中有机物迅速分解为有机酸，从第15天到第42天VFA浓度缓慢上升，在第42天时达到最大值2395mg/kg，从第15天到第43天VFA浓度缓慢上升，虽然这一阶段反应器温度不断提高，但VFA含量的增加速率并不快，可能的原因是产甲烷菌利用有机酸的速率不断提高，到第40天有机酸的浓度开始下降，在第40到55天经过波动后逐渐降低，在60到74天，有机酸的量也渐渐降低，在第73天VFA含量减少至1800mg/kg左右，因为罐内污泥经过2个月的消化后有机物的含量已经较低，没有足够的底物供产甲烷菌代谢，造成产气量减少。对比反应器沿程四个取样口所取污泥的VFA浓度，由于反应器内搅拌器搅拌桨叶有一定的倾斜角度，且反应器进料共用了约30天，进料中会对反应器内污泥有推流作用，四组数据的变化趋势几乎相同。

实施列5：反应器运行过程中氨氮的变化的情况

图6为启动过程中氨氮的变化情况，从图中可以看出氨氮浓度从一开始到第60天都处于上升的趋势，从开始的49.9mg/kg增加到124.3mg/kg，前30天氨氮的增加速率比后30天的速率更快，随着消化反应的进行，含氮有机物大量被降解，系统释放大量氨氮，同时，产甲烷菌活性增强，对酸的降解速率大于产生量，氨氮浓度整体呈上升的趋势。4个取样口污泥氨氮含量整体呈现差异性，4号口污泥氨氮浓度在变化过程中的浓度均高于其它几组，1号污泥氨氮含量最低，这可能是因为反应器搅拌的推流作用使不同沿程的污泥有不同的消化时间，4号口污泥消化时间最长，1号口污泥消化时间最短，消化时间越长污泥中氨氮量累积越多，所以4号污泥氨氮值高于其他几组。

实施列6：反应器运行过程中VS的变化情况

图7为反应器启动过程中4个取样口污泥VS的变化情况。反应前期4个取样口污泥VS几乎没有明显的变化，前20天VS转化率由5％提高到10％左右，到第20天，VS含量约为10.2％，从第30天开始VS的转化速率明显加快，转化率从10％提高到约38.5％，到第73天VS值为7％，此时VS/TS约为35.7％，对比图3可知，前期速率较低，而后期速率较高的原因，这是因为一方面反应器进料完全采用剩余污泥作为消化底物，没有接种厌氧污泥，另一方面后期的消化温度比前期提高10℃左右，后期的温度更有利于污泥的厌氧消化。比较4个取样口污泥VS的转化率，4号取样口污泥VS降解率初始值大于1号污泥，这是由于4号取样口附近污泥的停留时间大于1号取样口附近的污泥。这使得4个取样口所取污泥的VS转化率呈现明显的差异性。

实施列7：反应器运行过程中蛋白质含量的变化情况

图8反映的是污泥中蛋白质的变化趋势，随着消化时间的增加，污泥中蛋白质的含量不断减少，从最初的425mg/kg降低到第73天的269mg/kg，降解率约为36.7％。其中从第20到第60天，蛋白质的降解速率最快，降解率为总降解量的65％，这主要是因为适宜的温度提高了污泥的消化效果。对比4组污泥变化情况，在消化的过程中4号口的污泥蛋白质含量明显低于其他几组，这是因为4号附近的污泥较其他几组经历了更长的消化延程，4号取样口污泥的消化时间大于3号取样口的污泥。3号取样口的污泥消化时间大于2号和1号取样口污泥，其蛋白质含量也较2号和1号更低。

实施列8：反应器运行过程中多糖含量的变化情况

图9反映的是消化过程中各延程污泥中多糖含量的变化，比较图8图9，二者有的变化趋势较相似，说明在厌氧消化中蛋白质和多糖都是可被降解的有机物，多糖浓度从一开始的315mg/kg降低到第73天的220mg/kg，降解率达到了30.1％，略低于蛋白质的降解率，这是因为剩余污泥中蛋白质总量较多，消化过程中的利用效率较高。