专利名称：城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置和使用方法
技术领域：
本发明涉及环境保护，具体的说是一种城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置和使用方法。
背景技术：
我国城市污水处理量逐年提高，污水处理过程中产生的污泥也同步增加。目前我国的污水处理能力达1.36亿吨/日，城市污水处理率已经超过70%。污水处理过程中产生 0. 3-0. 5%污泥，含水量一般99-96%，全国脱水污泥(含水80%)的产生量已超过2500万吨/年。
城市污泥未经稳定化处理，随意填埋、倾倒和用于农田使用都可能导致环境污染。 2009年颁发的最新相关规定已经明确界定污水处理厂是污泥安全处置的责任方，负责自行处置或委托相关专业公司处置产生的污泥。污泥无害化和稳定化是污泥安全处置的最低要求，为了避免城市污泥简单填埋导致的土壤、地下水和空气污染，城市污泥亟需无害化、稳定化、资源化和减量化处置。
污泥处置主要有三个核心环节污泥浓缩、污泥有机物处置和污泥重金属类污染物处置。污泥浓缩环节中，消化或未经消化的污泥一般先通过机械方式脱水至含水80%左右，然后依据污泥具体处置方案，可能利用太阳能、工业余热或石灰等方法进一步脱水和干化。污泥有机物处置环节中，主要通过三个途径(焚烧、辅助燃烧或生物消化)实现污泥有机物的稳定、减量与资源化利用。直接处置污泥中的重金属不易，一般通过处置污泥有机质来间接实现污泥重金属的钝化或固化。可以说，安全、合理地处置污泥中的有机物是安全处置污泥的关键。
基于以上三个污泥处置环节，形成了多种多样的污泥处置方案1)脱水污泥通过燃煤烟气或水泥生产的余热干化并用于燃烧、制砖、生产水泥等是不错的污泥处置方法，但只适合少数污水处理厂，不少城市的污水处理厂方圆几十公里也没有水泥厂或热电厂；2) 若污泥重金属含量不超标，污泥脱水后好氧堆肥处理用于生产有机肥是另一个处置污泥的好办法，但堆肥过程中的臭气控制非常重要；幻污泥或脱水污泥厌氧消化既实现污泥减量化与稳定化，又可以获得沼气用于发电或供热，消化处理后的污泥若重金属含量不超标，可以用于园艺种植和农业生产。
由于工业生产布局不均，我国不少城市污水处理厂产生的污泥中的重金属类污染相对较轻，在这类污泥的安全处置方案中，非常适合融入污泥厌氧消化处理这一污泥资源化和减量化处置环节。不过，污泥厌氧消化有一定的严格要求，实现稳定运转并不容易。这是因为，在污泥厌氧消化过程中，有机酸、硫化氢或毒性重金属的累积均可抑制甲烷产生菌的活性，导致整个厌氧消化系统处理效率低下乃至溃败。因此，在厌氧消化过程中稳定产甲烷菌的生理环境，是稳定厌氧消化的关键。发明内容
本发明目的在于提供一种城市污泥高浓度厌氧消化的装置及方法。为实现上述目的，本发明采用的方案为一种城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，包括厌氧消化单元、缺氧消化单元和氧化铁过滤单元，所述处理装置的壳体内部设有固定式分隔扩散层，该固定式分隔扩散层将壳体内部分隔为厌氧消化单元及缺氧消化单元，正负电极分处于厌氧消化单元和缺氧消化单元内、通过固定式分隔扩散层隔开；厌氧消化单元内设有阴阳离子交换树脂混装柱，在厌氧消化单元的两侧壁上分别设有污泥进入口、污泥排出口 ；进水口和出水口分别设于缺氧消化单元的两侧壁，所述出水口依次连接氧化铁过滤单元和排水口。所述正负电极与外源低压直流电源相连。所述外源低压直流电源的电压为 0.4-1.0V。所述缺氧消化单元顶端设有排气口。所述厌氧消化单元与缺氧消化单元的体积比为5 1-10 1。所述阴阳离子交换树脂混装柱位于厌氧消化单元底部中央，阴阳离子交换树脂混装柱占厌氧消化单元体积的1_5%。所述阴阳离子交换树脂混装柱中的阴阳离子交换树脂的质量比3 1-1 3。所述污泥进入口和污泥排出口分别位于厌氧消化单元轴向截面的两侧，污泥排出口高于污泥进入口。所述污泥排出口与出水口位于同侧。城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置的使用方法，向厌氧消化单元内添加待处理污泥，利用厌氧消化单元内阴阳离子交换树脂混装柱中添加可以循环利用的阴阳离子交换树脂，辅以缺氧消化单元，并在厌氧消化单元和缺氧消化单元之间施加低压直流电压，弱化厌氧消化单位内酸性代谢产物累积，提高城市污泥高浓度厌氧消化的系统稳定性。所述在厌氧消化单元和缺氧消化单元之间用固定式分隔扩散层隔开；扩散层内填充粒径5-10mm的石英砂。所述缺氧消化单元内的pH通过添加硝酸控制在5_10之间。厌氧消化单元利用添加在其内的污泥进行厌氧消化处理，厌氧消化单元在进行污泥厌氧消化之前需经历一个启动阶段的培养。在启动阶段，中温条件下(32-35°C)向厌氧消化区内投入含水98-99.0% (质量比)的新鲜污泥，并添加含有0.5-2.0% (质量比)的淀粉、I-IOmM的丙酸和I-IOmM的丁酸构成的混合液，培养一周；然后每周按厌氧消化单元体积20-80%的比例，用新鲜配置的上述混合液进行置换，持续三周。与此同时，进行缺氧消化单元的启动阶段的培养。在缺氧消化单元内添加0.1-0. 2% (质量比)的新鲜污泥，添加l_5mM的硝酸钠和l_5mM硫化钠，培养一周；而后每周向缺氧消化单元中添加2_5mM的硝酸，持续三周。污泥处理中温条件下(32-35°C )，待处理污泥通过厌氧消化单元的污泥进入口 8 进入厌氧消化单元。含水95-85%的污泥的每周投入量为厌氧消化单元体积的1/3-1/8，污泥的排出体积占污泥投入体积的60-90%，其余部分以液相形式，连续缓慢地经过缺氧消化单元2后，经缺氧消化单元2的出水口 11，进入氧化铁过滤单元3，然后通过排出口 13排出。 缺氧消化单元的PH，通过添加硝酸维持在5-10之间。厌氧消化单元1和缺氧消化单元2之间外加电压0. 4-1. 0V，并与阴阳离子交换树脂一起，提高甲烷产生菌适宜生境的稳定性。厌氧消化单元和缺氧消化单元产生的气体由排气口 12收集。缺氧消化单元的出水经氧化铁过滤后，用作液体氮肥；排出污泥用于有机肥生产。在厌氧消化单元产生的气体通过分隔扩散层进入缺氧消化单元，并通过缺氧消化单元的排气口排出。本发明所具有的优点1.降低城市污泥厌氧消化过程中酸性代谢产物累积对相关微生物菌群活性的不利影响，适合污泥的高浓度厌氧消化。
2.降低污泥厌氧消化过程中的臭气污染。
3.获得沼气和有机肥，实现污泥的资源化利用。
图1为本发明污泥厌氧消化的处理装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，处理装置，包括厌氧消化单元1、缺氧消化单元2和氧化铁过滤单元 3，所述处理装置的壳体内部设有固定式分隔扩散层5，该固定式分隔扩散层5将壳体内部分隔为厌氧消化单元1及缺氧消化单元2，正负电极6分处于厌氧消化单元1和缺氧消化单元2内、通过固定式分隔扩散层5隔开，同时正负电极6与外源低压直流电源7相连；厌氧消化单元1内设有阴阳离子交换树脂混装柱4，在厌氧消化单元1的两侧壁上分别设有污泥进入口 8、污泥排出口 9 ；进水口 10和出水口 11分别设于缺氧消化单元2的两侧壁，所述出水口 11依次连接氧化铁过滤单元3和排水口 13，另外排气口 12设于缺氧消化单元2顶端。所述污泥进入口 8和污泥排出口 9分别位于厌氧消化单元1轴向截面的两侧，污泥排出口 9高于污泥进入口 8。所述污泥排出口 9与出水口 11位于同侧。
所述厌氧消化单元与缺氧消化单元由圆柱体的有机玻璃构成，内径均为20cm，高分别50cm和IOcm ；固定式分隔扩散层高10cm，填充粒径为5_10mm的石英砂；正负电极为活性碳纤维，均重50g。正负电极通过钛丝与低压直流电源相连。厌氧消化单元内阴阳离子交换树脂的添加质量比为1 2，阴离子为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂(型号为717)，阳离子树脂为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(型号为73 。树脂由尼龙纱布包裹，添加总量占厌氧消化单元体积的2%。
处理方法
启动阶段培养厌氧消化单元在进行污泥厌氧消化之前经历一个启动阶段的培养。在启动阶段，中温条件下(32-35°C)向厌氧消化区内投入含水99.0%的新鲜污泥，并添加含有1. 0%的淀粉、5mM的丙酸和5mM的丁酸的混合液，培养一周，然后每周按厌氧消化单元体积30%的比例，用上述混合液置换，持续三周。与此同时，进行缺氧消化单元的启动阶段的培养。在缺氧消化单元内添加0. 2%的新鲜污泥，添加3mM的硝酸钠和3mM硫化钠， 培养一周；而后每周向缺氧消化单元中添加3mM的硝酸，持续三周。
污泥处理中温条件下(32-35°C )，待处理污泥通过厌氧消化单元的污泥进入口 8 进入厌氧消化单元。含水95%的污泥(T0C含量18g/L)的每周投入量为5. 0L;每周污泥排出量4. 0L,污泥平均停留时间合21天；每周大约1. OL的液体从厌氧消化单元缓慢流入缺氧消化单元，然后经过缺氧单元出水口经过氧化铁过滤单元流出。缺氧消化单元的PH，由进水口添加硝酸维持在5-10之间。厌氧消化单元1和缺氧消化单元2之间外加电压0. 4V。 厌氧消化和缺氧消化产生的甲烷与氮气由排气口 12收集。处理结果显示，排出污泥的TOC 平均维持在7g/L之下，去除率在60%以上，氧化铁过滤单元的出水的氨氮含量在400mg/L 以上，缺氧排气中硫化氢的含量低于0. 3%。
实施例2与实施例1不同之处在于待处理污泥的含水量为90% ；厌氧消化单元内阴阳离子交换树脂的添加质量比1 1，阴离子为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，阳离子树脂为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，添加总量占厌氧消化单元体积的3% ；污泥(T0C含量 24g/L)的每周投入量为3. OL ；每周污泥排出量为2. 5L，污泥平均停留时间合35天；每周大约0. 5L的液体从厌氧消化单元连续缓慢进入缺氧消化单元，然后经过缺氧单元出水口经过氧化铁过滤单元流出；外加电压为0. 6V。处理结果显示，排出污泥的TOC平均维持在9g/ L之下，去除率在60%以上，氧化铁过滤单元的出水的氨氮含量在600mg/L以上，缺氧排气中硫化氢的含量低于0.4%。实施例3与实施例1不同之处在于待处理污泥的含水量为85% ；厌氧消化单元内阴阳离子交换树脂的添加质量比1 1，阴离子为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，阳离子树脂为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，添加总量占厌氧消化单元体积的4% ；污泥(T0C含量 36g/L)的每周投入量为2. OL ；每周污泥排出量为1. 5L，污泥平均停留时间合53天；每周大约0. 5L左右的液体从厌氧消化单元缓慢进入缺氧消化单元，然后经过缺氧单元出水口经过氧化铁过滤单元流出；外加电压为0. 8V。处理结果显示，排出污泥的TOC平均维持在12g/ L之下，去除率在65%以上，氧化铁过滤单元的出水的氨氮含量在900mg/L以上，缺氧排气中硫化氢的含量低于0.5%。
权利要求
1.一种城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于包括厌氧消化单元1、缺氧消化单元2和氧化铁过滤单元3，所述处理装置的壳体内部设有固定式分隔扩散层5，该固定式分隔扩散层5将壳体内部分隔为厌氧消化单元1及缺氧消化单元2，正负电极6分处于厌氧消化单元1和缺氧消化单元2内、通过固定式分隔扩散层5隔开；厌氧消化单元1内设有阴阳离子交换树脂混装柱4，在厌氧消化单元1的两侧壁上分别设有污泥进入口 8、污泥排出口 9 ；进水口 10和出水口 11分别设于缺氧消化单元2的两侧壁，所述出水口 11依次连接氧化铁过滤单元3和排水口 13。
2.按权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述正负电极6与外源低压直流电源7相连。
3.按权利要求2所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述外源低压直流电源7的电压为0. 4-1. 0V。
4.按权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述缺氧消化单元2顶端设有排气口 12。
5.按权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述厌氧消化单元1与缺氧消化单元2的体积比为5 1-10 1。
6.按权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于阴阳离子交换树脂混装柱4占厌氧消化单元体积的1-5%。
7.按权利要求1或6所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述阴阳离子交换树脂混装柱4中的阴阳离子交换树脂的质量比3 1-1 3。
8.按权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置，其特征在于所述污泥进入口 8和污泥排出口 9分别位于厌氧消化单元1轴向截面的两侧，污泥排出口 9高于污泥进入口 8。
9.一种权利要求1所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置的使用方法，其特征在于向厌氧消化单元内添加待处理污泥，利用厌氧消化单元内阴阳离子交换树脂混装柱中添加可以循环利用的阴阳离子交换树脂，辅以缺氧消化单元，并在厌氧消化单元和缺氧消化单元之间施加低压直流电压，弱化厌氧消化单位内酸性代谢产物累积，提高城市污泥高浓度厌氧消化的系统稳定性。
10.按权利要求10所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置的使用方法，其特征在于所述在厌氧消化单元和缺氧消化单元之间用固定式分隔扩散层隔开；扩散层内填充粒径5-10mm的石英砂。
11.按权利要求10所述的城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置的使用方法，其特征在于所述缺氧消化单元内的PH通过添加硝酸控制在5-10之间。
全文摘要
本发明涉及环境保护，具体的说是一种城市污泥高浓度厌氧消化的处理装置和使用方法。包括厌氧消化单元、缺氧消化单元和氧化铁过滤单元，所述处理装置的壳体内部设有固定式分隔扩散层，该固定式分隔扩散层将壳体内部分隔为厌氧消化单元及缺氧消化单元，正负电极分处于厌氧消化单元和缺氧消化单元内、通过固定式分隔扩散层隔开；厌氧消化单元内设有阴阳离子交换树脂混装柱，在厌氧消化单元的两侧壁上分别设有污泥进入口、污泥排出口；进水口和出水口分别设于缺氧消化单元的两侧壁，所述出水口依次连接氧化铁过滤单元3和排水口。采用本发明处理装置降低城市污泥厌氧消化过程中酸性代谢产物累积对相关微生物菌群活性的不利影响，适合污泥的高浓度厌氧消化。
文档编号C05F7/00GK102515453SQ20111037542
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者史奕, 陈欣, 黄斌 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所