专利名称：一种外循环两级污泥厌氧消化系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种厌氧消化系统及其应用。
背景技术：
我国兴建了大量污水处理厂，截至2009年，全国已建有城镇污水处理厂1792座， 处理能力达9904万m3/d，平均运行负荷率为81. 27%。在这些污水处理厂的建设和运行对城市污染负荷的削减起到了重要作用的同时，污水处理过程中副产物城市污泥量也日益增加。目前，全国年产湿污泥已近3000万吨(含水率80% )，污泥处理处置的中心已从简单的填埋转向以资源化为主的土地利用。而在污泥进行土地利用前需要对污泥进行稳定化处理，回收污泥中含有的大量的生物质能，厌氧发酵是污泥稳定化的重要措施之一，不仅过程所需能量较低，还可回收污泥中生物质能，是一种非常有应用前景的污泥资源化技术。传统的厌氧消化具有反应缓慢，污泥停留时间长(30 40天)，池体容积庞大，甲烷产量低和污泥降解程度差等缺点，限制了厌氧消化技术优势的发挥。近年来，国内外学者对提高污泥厌氧消化回收生物质能的研究多从如何强化预处理方法等角度加以考虑，而对厌氧消化工艺的改进并未得到关注。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种外循环两级污泥厌氧消化系统及其应用。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种两级污泥厌氧消化系统，包括一级高温厌氧消化反应器、循环回流系统、二级中温厌氧消化反应器、沼气池、集泥池、污泥调配池和预处理装置。所述的循环回流系统设置在预处理装置与一级高温厌氧消化反应器之间。所述的预处理装置为加热预处理装置或微波预处理装置。所述的一级高温厌氧消化反应器的上端设有第一进料口和第二出料口，其下端设置第一出料口和第二进料口。所述的预处理装置的上端设有预处理进料口，其下端设有预处理出料口。所述的二级中温厌氧消化反应器的上端设有出气口，其下端分别设置第三进料口和第三出料口。所述的第一进料口与污泥调配池相连。所述的第一出料口与二级高温厌氧消化反应器下端的第三进料口相连。所述的第三出料口与集泥池相连。所述的出气口与沼气池相连。所述的预处理进料口通过污泥循环泵与一级高温厌氧消化反应器上端的第二出料口相连，预处理出料口与一级高温厌氧消化反应器下端的第二进料口相连。所述的循环回流系统是指设置在预处理装置和一级高温厌氧消化反应器之间通过预处理进料口与第二出料口经污泥泵相连，预处理出料口与第二进料口相连所构成的循环回流体系。一种利用上述厌氧消化系统用于污泥处理的应用，包含如下步骤(I)将污泥从污泥调配池中通过第一进料口泵入一级高温厌氧消化反应器中；(2)将部分污泥从一级高温厌氧消化反应器中通过预处理进料口泵入到预处理装置中进行预处理，然后再将预处理的污泥通过预处理出料口循环至一级高温厌氧消化反应器中；(3)同时将部分污泥从一级高温厌氧消化反应器中通过第一出料口出料至二级中温厌氧消化反应器中，再将部分污泥从二级中温厌氧消化反应器中通过第三出料口出料至集泥池中；所述的污泥包括初沉污泥和/或剩余污泥，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例(VS/TS)的范围是20% 75%，其含水率范围为88% 98%。所述的预处理的污泥量为一级高温厌氧消化反应器有效体积的5 20%所述的从污泥调配池中通过第一进料口泵入一级高温厌氧消化反应器中的污泥量=从一级高温厌氧消化反应器中通过第一出料口出料至二级中温厌氧消化反应器中的污泥量=从二级中温厌氧消化反应器中通过第三出料口出料至集泥池中的污泥量=一级高温厌氧消化反应器总有效体积的1/3 1/5 = 二级中温厌氧消化反应器总有效体积的 1/10 1/20。所述的预处理为加热预处理或微波辐射预处理。所述的加热预处理的工艺操作条件为加热温度为90 120度，加热时间10 60mino所述的微波预处理的工艺操作条件为微波频率为2450MHz，微波辐射功率IOOw IOOOw,福射时间I IOmin0所述的一级高温厌氧消化反应器在反应过程中控制温度55±2°C，搅拌速度30 250rpmo所述的二级中温厌氧消化反应器在反应过程中控制温度35±2°C，搅拌速度30 250rpmo所述的一级高温高负荷厌氧消化停留时间为3d 5d，二级中温低负荷厌氧消化停留时间为IOd 20d。该工艺一级高温厌氧消化段为粗处理段，反应器内有机负荷高，停留时间短，二级中温厌氧消化为精处理段，反应器内有机负荷低，停留时间长，污泥降解率高。应用此工艺达到高效溶解微生物胞内外有机物、杀死污泥中的病原菌、提高沼气生产量等目的。本发明将两级厌氧消化、强化有机物溶出、循环回流等技术有机地结合起来，实现了固相物质的高溶解性，为产酸产甲烷菌提供丰富底物，进而增加污泥生产沼气的产量。本发明的有益效益是I)本发明所提供的系统将两级厌氧消化、高温水解有机物、循环回流等技术有机结合起来，实现了物理强化处理技术和微生物处理技术结合，真正实现了有机底物的高效利用，使两段内的细菌都能发挥最大的活性，提高整个系统的运行稳定性。2)本发明所提供的工艺通过分别实施高负荷厌氧消化和低负荷厌氧消化，并增加污泥循环回流装置，可以保证系统具有很高的有机负荷和有机物去除率，沼气产量和产率高，提高了整个系统的处理效率。3)本发明提供的系统不仅处理效率高，而且结构紧凑、相互配合运作，运行稳定， 适合在大中小污水处理厂中推广应用。
图I是本发明实施例中预处理装置为加热预处理的外循环二级厌氧消化反应器。图2是本发明实施例中预处理装置为微波预处理的外循环二级厌氧消化反应器。I 一级高温厌氧消化反应器，11第一进料口，12第一出料口，13第二出料口，14第二进料口，2循环回流系统，3 二级中温厌氧消化反应器，31第三进料口，32第三出料口，33 出气口4沼气池，5集泥池，6污泥调配池，7预处理装置，71预处理进料口，72预处理出料口。
具体实施例方式下面结合实例对本发明作进一步详细说明。一种两级污泥厌氧消化系统，如图I和图2所示包括一级高温厌氧消化反应器I、 循环回流系统2、二级中温厌氧消化反应器3、沼气池4、集泥池5、污泥调配池6和预处理装置7。循环回流系统2设置在预处理装置7与一级高温厌氧消化反应器I之间。预处理装置7为加热预处理装置(如图I所示)或微波预处理装置(如图2所示)O一级高温厌氧消化反应器I的上端设有第一进料口 11和第二出料口 13，其下端设置第一出料口 12和第二进料口 14。预处理装置7的上端设有预处理进料口 71，其下端设有预处理出料口 72。二级中温厌氧消化反应器3的上端设有出气口 33，其下端分别设置第三进料口 31 和第三出料口 32。第一进料口 11与污泥调配池6相连。第一出料口 12与二级高温厌氧消化反应器3下端的第三进料口 31相连。第三出料口 32与集泥池5相连。出气口 33与沼气池4相连。预处理进料口 71通过污泥循环泵8与一级高温厌氧消化反应器I上端的第二出料口 13相连，预处理出料口 72与一级高温厌氧消化反应器I下端的第二进料口 14相连。循环回流系统2是指设置在预处理装置7和一级高温厌氧消化反应器I之间通过预处理进料口 71与第二出料口 13经污泥泵相连，预处理出料口 72与第二进料口 14相连所构成的循环回流体系。实施例I取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为77.82 % )和浓缩污泥(含水率为
95.44% )在污泥调配池6中配成含水率为88. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的33. 4%。如图I所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. 5L至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为IOL ；并且每日通过预处理进料口 71出料500mL至加热预处理装置7中(回流比为 5%),120度加热IOmin后再通过预处理出料口 72循环投入一级高温厌氧消化反应器I 中；同时每日通过第一出料口 12出料2. 5L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为25L，每日通过第三出料口 32出料2. 5L至集泥池5中。一级高温厌氧消化反应器I停留时间为4d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为10d，共停留14d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10L，停留时间为4d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为25L，停留时间为 IOd0每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度 55±2°C，搅拌速度250rpm;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35±2°C，搅拌速度250rpm。运行2 3个周期(即28d 42d)后可稳定产气，实验组日产气32. 5L， 甲烷含量62. 55%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高28. 6%。实施例2取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为82. 11%)和浓缩污泥(含水率为
96.23%)在污泥调配池6中配成含水率为92. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的45. 2%。如图I所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. OL至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为6L ；并且每日通过预处理进料口 71出料700mL至加热预处理装置7中(回流比为 12%), 100度加热30min后再通过预处理出料口 72循环投入一级高温厌氧消化反应器I 中；同时每日通过第一出料口 12出料2L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为30L，每日通过第三出料口 32出料2. OL至集泥池5中；一级高温厌氧消化反应器I停留时间为3d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为6L，停留时间为3d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为30L，停留时间为 15d。每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度 55±2°C，搅拌速度150rpm ;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35±2°C，搅拌速度150rpm。运行2 3个周期(即36d 54d)后可稳定产气，实验组日产气30. 5L， 甲烷含量63. 64%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高25. 2%。实施例3
取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为79.23 % )和浓缩污泥(含水率为 99. 12%)在污泥调配池6中配成含水率为98. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的60. 2%。如图I所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. OL至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10. OL ；并且每日通过预处理进料口 71出料2L至加热预处理装置7中(回流比为20% )， 经90度加热60min后再通过预处理出料口 72循环投入到一级高温厌氧消化反应器I中；同时每日通过第一出料口 12出料4L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为40L每日通过第三出料口 32出料2. OL至集泥池5中；故一级高温厌氧消化反应器I停留时间为5d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为20d，共停留25d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10L，停留时间为5d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为40L，停留时间为 20d。每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度55±2°C，搅拌速度30rpm ;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35±2°C， 搅拌速度30rpm。运行2 3个周期(即50d 75d)后可稳定产气，实验组日产气11. 5L， 甲烷含量65. 56%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高31. 2%。实施例4取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为77.82 % )和浓缩污泥(含水率为
95.44% )在污泥调配池6中配成含水率为88. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的33. 4%。如图2所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. 5L至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为IOL ；并且每日通过预处理进料口 71出料500mL至微波预处理装置7中(回流比为 5% )，1000W微波辐射Imin后再通过预处理出料口 72循环投入一级高温厌氧消化反应器 I中。同时每日通过第一出料口 12出料2. 5L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为25L，每日通过第三出料口 32出料2. 5L至集泥池5中。一级高温厌氧消化反应器I停留时间为4d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为10d，共停留14d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10L，停留时间为4d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为25L，停留时间为 IOd0每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度 55 ± 2°C，搅拌速度250rpm ;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35 ± 2°C，搅拌速度250rpm。运行2 3个周期(即28d 42d)后可稳定产气，实验组日产气29. 5L， 甲烷含量62. 55%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高24. 6%。实施例5取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为82. 11%)和浓缩污泥(含水率为
96.23%)在污泥调配池6中配成含水率为92. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的45. 2%。如图2所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. OL至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为6L ；并且每日通过预处理进料口 71出料700mL至微波预处理装置7中(回流比为 12% )，600W微波辐射6min后再通过预处理出料口 72循环投入一级高温厌氧消化反应器 I中。同时每日通过第一出料口 12出料2L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为30L，每日通过第三出料口 32出料2. OL至集泥池5中。一级高温厌氧消化反应器I停留时间为3d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为15d，共停留18d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为6L，停留时间为3d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为30L，停留时间为 15d。每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度 55±2°C，搅拌速度150rpm ;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35±2°C，搅拌速度150rpm。运行2 3个周期(即36d 54d)后可稳定产气，实验组日产气27. 5L， 甲烷含量63. 64%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高21.2%。实施例6取某地污水处理厂脱水污泥(含水率为79.23 % )和浓缩污泥(含水率为 99. 12%)在污泥调配池6中配成含水率为98. 0%的混合污泥，此时其挥发性有机固体占总固体的60. 2%。如图2所示，每日通过污泥泵从污泥调配池6中通过第一进料口 11泵入2. OL至一级高温厌氧消化反应器I中，其中一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10. OL ；并且每日通过预处理进料口 71出料2L至微波预处理装置7中(回流比为20% )， 100W微波辐射IOmin后再通过预处理出料口 72循环投入到一级高温厌氧消化反应器I中。同时每日通过第一出料口 12出料4L至二级中温厌氧消化反应器3中；二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为40L，每日通过第三出料口 32出料2. OL至集泥池5中。故一级高温厌氧消化反应器I停留时间为5d，二级中温厌氧消化反应器3停留时间为20d，共停留25d。同时进行普通的两级厌氧消化实验，一级高温厌氧消化反应器I总有效体积为10L，停留时间为5d ;二级中温厌氧消化反应器3总有效体积为40L，停留时间为 20d。每日通过沼气池4收集沼气。其中，一级高温厌氧消化反应器I在反应过程中控制温度55±2°C，搅拌速度30rpm ;二级中温厌氧消化反应器3在反应过程中控制温度35±2°C， 搅拌速度30rpm。运行2 3个周期(即50d 75d)后可稳定产气，实验组日产气9. 3L， 甲烷含量65. 56%，其产气总量比普通的两级厌氧消化工艺提高21. 3%。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种两级污泥厌氧消化系统，其特征在于包括一级高温厌氧消化反应器(I)、循环回流系统(2)、二级中温厌氧消化反应器(3)、沼气池(4)、集泥池(5)、污泥调配池(6)和预处理装置(7)，所述的循环回流系统(2)设置在预处理装置(7)与一级高温厌氧消化反应器 ⑴之间。
2.根据权利要求I所述的厌氧消化系统，其特征在于所述的预处理装置(7)为加热预处理装置或微波预处理装置；或所述的一级高温厌氧消化反应器(I)的上端设有第一进料口(11)和第二出料口 (13)，其下端设置第一出料口(12)和第二进料口(14)；或所述的预处理装置(7)的上端设有预处理进料口(71)，其下端设有预处理出料口 (72)；或所述的二级中温厌氧消化反应器(3)的上端设有出气口(33)，其下端分别设置第三进料口(31)和第三出料口(32)。
3.根据权利要求2所述的厌氧消化系统，其特征在于所述的第一进料口(11)与污泥调配池(6)相连；或所述的第一出料口(12)与二级高温厌氧消化反应器(3)下端的第三进料口(31)相连；或所述的第三出料口(32)与集泥池(5)相连；或所述的出气口(33)与沼气池(4)相连；或所述的预处理进料口(71)通过污泥循环泵(8)与一级高温厌氧消化反应器(I)上端的第二出料口(13)相连，预处理出料口(72)与一级高温厌氧消化反应器(I)下端的第二进料口(14)相连。
4.根据权利要求2所述的厌氧消化系统，其特征在于所述的循环回流系统(2)是指设置在预处理装置(7)和一级高温厌氧消化反应器(I)之间通过预处理进料口(71)与第二出料口(13)经污泥泵相连，预处理出料口(72)与第二进料口(14)相连所构成的循环回流体系。
5.一种权利要求1-4中任一所述的厌氧消化系统用于污泥处理的应用，其特征在于 包含如下步骤(1)将污泥从污泥调配池￠)中通过第一进料口(11)泵入一级高温厌氧消化反应器(I)中；(2)将部分污泥从一级高温厌氧消化反应器(I)中通过预处理进料口(71)泵入到预处理装置(7)中进行预处理，然后再将预处理的污泥通过预处理出料口(72)循环至一级高温厌氧消化反应器(I)中；(3)同时将部分污泥从一级高温厌氧消化反应器(I)中通过第一出料口(12)出料至二级中温厌氧消化反应器(3)中，再将部分污泥从二级中温厌氧消化反应器(3)中通过第二出料口(32)出料至集泥池(5)中。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的污泥包括初沉污泥和/或剩余污泥，其挥发性有机固体浓度占总固体浓度的比例的范围是20 % 75 %，其含水率范围为 88% 98% ；或所述的预处理的污泥量为一级高温厌氧消化反应器(I)有效体积的5 20% ;或所述的从污泥调配池(6)中通过第一进料口(11)泵入一级高温厌氧消化反应器(I) 中的污泥量=从一级高温厌氧消化反应器(I)中通过第一出料口(12)出料至二级中温厌氧消化反应器(3)中的污泥量=从二级中温厌氧消化反应器(3)中通过第三出料口(32) 出料至集泥池(5)中的污泥量=一级高温厌氧消化反应器(I)总有效体积的1/3 1/5 = 二级中温厌氧消化反应器(3)总有效体积的1/10 1/20。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的预处理为加热预处理或微波辐射预处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于所述的加热预处理的工艺操作条件为加热温度为90 120度，加热时间10 60min ；或所述的微波预处理的工艺操作条件为微波频率为2450MHz，微波辐射功率IOOw IOOOw,福射时间I IOmin0
9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的一级高温厌氧消化反应器(I)在反应过程中控制温度55 ±2 °C，搅拌速度30 250rpm ；或所述的二级中温厌氧消化反应器(3)在反应过程中控制温度35±2°C，搅拌速度30 250rpm。
10.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的一级高温高负荷厌氧消化停留时间为3d 5d，二级中温低负荷厌氧消化停留时间为IOd 20d。
全文摘要
本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种外循环两级污泥厌氧消化系统及其应用。该系统包括一级高温厌氧消化反应器(1)、循环回流系统(2)、二级中温厌氧消化反应器(3)、沼气池(4)、集泥池(5)、污泥调配池(6)和预处理装置(7)，所述的循环回流系统(2)设置在预处理装置(7)与一级高温厌氧消化反应器(1)之间。本发明所提供的系统将两级厌氧消化、高温水解有机物、循环回流等技术有机结合起来，实现了物理强化处理技术和微生物处理技术结合，真正实现了有机底物的高效利用，使两段内的细菌都能发挥最大的活性，提高整个系统的运行稳定性。
文档编号C02F11/04GK102583934SQ20121007331
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者严媛媛, 井永萍, 冯雷雨, 王朋, 陈汉龙 申请人:江苏同盐环保科技有限公司, 江苏盐城环保产业工程研发服务中心, 盐城同济环科固体废物处理处置有限公司