用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置及方法与流程

本发明涉及污水污泥的生物处理技术领域，尤其涉及用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置及方法。

背景技术：

污水处理过程中伴生大量的剩余污泥，近五年全国剩余污泥产生量平均约4760万吨/年(80％含水率)，预计2020年达到近5300万吨，其处理处置费用通常占到污水处理总操作成本的30-40％，预计2020年全国污泥处理处置投入将达450-600亿。剩余污泥中蕴含大量有机质，其中tcod约为780-980mg/gtss、tn约为20-60mg/gtss、tp约为2.5-5mg/gtss，是一种有潜力被转化为有用资源的废弃物。剩余污泥的胞外聚合物是微生物胞外除细胞和水以外的第三大组成部分，占剩余污泥总有机物的50-90％，主要由蛋白质和多糖以及腐殖质等组成，空间结构上由内而外分为tb-eps、lb-eps以及溶解性eps，除tb-eps较难以剥离以外，溶解性和松散结合的eps容易通过理化方法实现剥离。

随着2002年国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》颁布，总氮的最高排放浓度被提高，而绝大多数国内水厂达不到要求，关键原因就是我国城市污水的c/n普遍较低，无法满足脱氮的需求，一般都需要补充额外的碳源，但这样不仅增加了污水厂的co2排放而且增加了剩余污泥产量。通过厌氧发酵能够将污泥中复杂碳源转化为小分子短链脂肪酸，可以作为污水厂内部高效的反硝化碳源利用，剩余污泥中胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances，eps)的有效破解是提升污泥水解和后续生物转化的关键。目前在污水处理存在污水处理厂污泥产量巨大、资源化利用程度不高以及剩余污泥难以进行高效预处理的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置，所述装置包括储泥池、剩余污泥预处理单元、短程厌氧发酵单元和剩余污泥脱水单元，其中：

储泥池，其出口与剩余污泥预处理单元连接，用于储存输入的待处理的污泥；

剩余污泥预处理单元，包括加药预混池和水力旋流器，其中加药预混池用于对储泥池输送过来的污泥添加表面活性剂，分离有机杂质；水力旋流器，用于高速搅动在加药预混池中添加了表面活性剂的污泥；

短程厌氧发酵单元，包括污泥厌氧发酵反应器，用于对水力旋流器高速分离处理后的污泥进行厌氧发酵处理；

剩余污泥脱水单元，包括污泥浓缩池和脱水干化设备，用于对短程厌氧发酵单元发酵处理后的污泥进行浓缩干燥。

其中，所述装置还包括二沉池，所述二沉池用于浓缩和回流活性污泥，其出口连接储泥池和剩余污泥预处理单元中的加药预混池。

其中，所述加药预混池的顶部设置有加药口和搅拌装置；

作为优选，所述储泥池底部与剩余污泥脱水单元相连。

其中，所述加药预混池中的污泥通过高速离心泵输送到水力旋流器中，且所述高速离心泵与水力旋流器组合实现高速水力旋流过程；

作为优选，所述水力旋流器顶部和底部分别与加药预混池连接并加装控制阀形成回流，用来保证所需的水力旋流循环时间。

其中，所述污泥厌氧发酵反应器顶部设置搅拌装置，所述污泥厌氧发酵反应器的主体内加装有温度控制套件、ph传感器和/或do传感器。

作为本发明的另一方面，提供了一种用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的方法，包括以下步骤：

将储泥池中的污泥和二沉池进口污泥按照比例注入加药预混池；

测定加药预混池中混合剩余污泥浓度，加入表面活性剂；

使经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器；

将预处理后的剩余污泥注入剩余污泥厌氧发酵反应器中进行厌氧发酵处理；

排出所述厌氧发酵反应器中的发酵污泥，进行浓缩干燥处理。

其中，将二沉池剩余污泥注入储泥池中暂存，暂存时间为1～3d，加药预混池中的剩余污泥由储泥池暂存污泥与二沉池进口污泥按照1∶1的比例混合而成，进入水力旋流器的混合剩余污泥的浓度为15～18g/l。

其中，根据加药预混池中按比例混合的剩余污泥的污泥浓度，加入0.005～0.1g/gtss的表面活性剂；

作为优选，经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器并在加药预混池和水力旋流器之间持续旋流多个循环，持续时间为0.5～20min。

其中，将预处理后的剩余污泥注入污泥厌氧发酵反应器中，发酵2～8d，并通过温控套件、ph传感器和/或do传感器监测和控制发酵体系的对应参数，其中温度控制在25～40℃、ph为6.5～8.0、do为0.05～1.0。

其中，剩余污泥注入剩余污泥厌氧发酵反应器中厌氧发酵处理后得到发酵液，后续对发酵液的回收和利用方法包括：一是通过浓缩压滤回收发酵液提取短链脂肪酸，二是直接将压滤液回流至污水处理反硝化环节中作为污水脱氮的回补碳源。

基于上述技术方案可知，本发明的用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)在保证剩余污泥中微生物活力的同时高效实现了剩余污泥胞外聚合物的剥离；

(2)有效降低了剩余污泥的产量；

(3)实现了剩余污泥中难利用碳源向易利用的高价值碳源转化；

(4)可以实现利用剩余污泥在中低温下发酵产酸；

(5)在原水碳源不足难以满足脱氮反硝化过程的碳源需求时，可以将发酵产物作为回补碳源，促进总氮的脱除。

附图说明

图1为本发明用于剩余污泥胞外聚合物高效剥离和资源化的装置的结构示意图；

图2为本发明用于剩余污泥胞外聚合物高效剥离和资源化的方法的流程图；

图3为剩余污泥预处理前后胞外聚合物结构组成变化的表征；

图4为剩余污泥预处理前后污泥流变特性变化的表征；

图5为厌氧发酵产酸积累表征；

图6为剩余污泥经本系统处理污泥浓度变化的表征。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、二沉池2、储泥池

3、加药预混池4、高速水力旋流器

5、污泥厌氧发酵反应器6、剩余污泥脱水单元

1.1、二沉池排泥泵1.2、进泥阀

2.1、搅拌装置2.2、加药预混池进泥泵

3.1、加药口3.2、高速离心泵

4.1、旋流沉渣回流阀4.2、水力旋流器出泥阀

4.4、旋流污泥回流阀

5.1、do/ph检测器5.2、厌氧发酵反应器排泥阀

5.3、加热保温控制套件5.4、排泥泵

6.1、污泥浓缩池进泥泵

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种可以有效剥离剩余污泥胞外聚合物(eps)的方法，缩短剩余污泥中复杂碳源生物转化的时间，提高剩余污泥制取高值化产品转化率。

具体的，一种用于剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的装置，所述装置包括储泥池、剩余污泥预处理单元、短程厌氧发酵单元和剩余污泥脱水单元，其中：

储泥池，其出口与剩余污泥预处理单元连接，用于储存输入的待处理的污泥；

剩余污泥预处理单元，包括加药预混池和水力旋流器，其中加药预混池用于对储泥池输送过来的污泥添加表面活性剂，分离有机杂质；水力旋流器，用于高速搅动在加药预混池中添加了表面活性剂的污泥；

短程厌氧发酵单元，包括污泥厌氧发酵反应器，用于对水力旋流器高速分离处理后的污泥进行厌氧发酵处理；

剩余污泥脱水单元，包括污泥浓缩池和脱水干化设备，用于对短程厌氧发酵单元发酵处理后的污泥进行浓缩干燥。

其中，所述装置还包括二沉池，所述二沉池用于浓缩和回流活性污泥，其出口连接储泥池和剩余污泥预处理单元中的加药预混池。

其中，所述加药预混池的顶部设置有加药口和搅拌装置；

作为优选，所述储泥池底部与剩余污泥脱水单元相连。

其中，所述加药预混池中的污泥通过高速离心泵输送到水力旋流器中，且所述高速离心泵与水力旋流器组合实现高速水力旋流过程；

作为优选，所述水力旋流器顶部和底部分别与加药预混池连接并加装控制阀形成回流，用来保证所需的水力旋流循环时间。

其中，所述污泥厌氧发酵反应器顶部设置搅拌装置，所述污泥厌氧发酵反应器的主体内加装有温度控制套件、ph传感器和/或do传感器。

一种采用如上所述的装置进行剩余污泥胞外聚合物剥离和资源化的方法，包括以下步骤：

将储泥池中的污泥和二沉池进口污泥按照比例注入加药预混池；

测定加药预混池中混合剩余污泥浓度，加入表面活性剂；

使经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器；

将预处理后的剩余污泥注入剩余污泥厌氧发酵反应器中进行厌氧发酵处理；

排出所述厌氧发酵反应器中的发酵污泥，进行浓缩干燥处理。

其中，将二沉池剩余污泥注入储泥池中暂存，暂存时间为1～3d，加药预混池中的剩余污泥由储泥池暂存污泥与二沉池进口污泥按照1∶1的比例混合而成，进入水力旋流器的混合剩余污泥的浓度为15～18g/l。

其中，根据加药预混池中按比例混合的剩余污泥的污泥浓度，加入0.005～0.1g/gtss的表面活性剂；

作为优选，经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器并在加药预混池和水力旋流器之间持续旋流多个循环，持续时间为0.5～20min。

其中，将预处理后的剩余污泥注入污泥厌氧发酵反应器中，发酵2～8d，并通过温控套件、ph传感器和/或do传感器监测和控制发酵体系的对应参数，其中温度控制在25～40℃、ph为6.5～8.0、do为0.05～1.0。

其中，剩余污泥注入剩余污泥厌氧发酵反应器中厌氧发酵处理后得到发酵液，后续对发酵液的回收和利用方法包括：一是通过浓缩压滤回收发酵液提取短链脂肪酸，二是直接将压滤液回流至污水处理反硝化环节中作为污水脱氮的回补碳源。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种用于剩余污泥胞外聚合物高效剥离和资源化的装置，所述装置包括二沉池1、储泥池2、加药预混池3、高速离心泵3.2、水力旋流器4、污泥厌氧发酵反应器5、剩余污泥脱水单元6。其中在储泥池2和剩余污泥脱水单元6之间加入剩余污泥预处理单元和短程厌氧发酵单元，污泥预处理单元由加药预混池3和高速离心泵3.2以及水力旋流器4组成，储泥池2分别与加药预混池3和剩余污泥脱水单元6相连接，加药预混池3通过高速离心泵3.2与高速水力旋流器4、剩余污泥厌氧发酵反应器5、剩余污泥脱水单元6依次相连接。加药预混池3的顶部设置加药口3.1和搅拌装置，所述加药预混池3通过进泥泵2.2与储泥池2相连接，通过进泥阀1.2和进水管与二沉池相连接，通过高速离心泵3.2与水力旋流器4相连接。高速水力旋流过程由高速离心泵3.2与水力旋流器4组合实现，水力旋流器4顶部和底部分别与加药预混池3连接并加装控制阀4.1和4.4形成回流，以保证所需的水力旋流循环时间，水力旋流器4通过高速离心泵3.2和排泥管阀4.2分别与所述加药预混池3和所述污泥厌氧发酵反应器5相连接。污泥厌氧发酵反应器5顶部设置搅拌装置、反应器主体加装所述温度控制套件5.3、反应器加装ph和do传感器5.1、底部通过排泥阀5.2和浓缩池进泥泵5.4与剩余污泥脱水单元6相连接。

如图2所示，本发明同时提供应用实现剩余污泥胞外聚合物高效剥离和资源化的方法的操作流程：

(1)将二沉池剩余污泥注入储泥池中暂存，暂存时间为1～3d，开启进泥阀和进泥泵，将储泥池中的污泥和二沉池进口污泥按照比例注入加药预混池，并通过搅拌混匀；在该步骤中，加药池中的剩余污泥由储泥池暂存污泥与二沉池进口污泥按照1∶1的比例混合而成。北方某城市污水处理厂储泥池污泥采用二沉池进口污泥混合配成15-18g/l的剩余污泥头加入加药预混池，开启搅拌装置及溶氧控制，调节溶解氧至0.05-1.0mg/l和酸碱度6.5-8.0之间。

(2)根据加药池中按比例混合的剩余污泥的污泥浓度，加入所述表面活性剂，并充分搅拌均匀；在该步骤中，根据加药池中按比例混合的剩余污泥的污泥浓度，加入0.005～0.1g/gtss的所述表面活性剂。使用浓度为23-25％鼠李糖脂作为表明面活性剂，投加量为0.34～6.8g/l，开启搅拌装置调节转速，在尽可能少产生气泡的前提下将混合污泥与鼠李糖脂充分搅拌均匀。

(3)打开高速离心泵、旋流污泥回流阀、旋流沉渣回流阀，使经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器并持续旋流多个循环；在该步骤中，经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器并持续旋流多个循环，持续时间为0.5～20min，其主要原理为利用高速水力旋流的物理作用使已经过生物表面活性剂的增溶处理的剩余污泥胞外聚合物被快速从剩余污泥细胞和污泥絮团中剥离下来，转化为更易被发酵产酸菌利用的溶解性有机物。

(4)打开水流旋流器出泥阀，然后关闭旋流污泥回流阀、旋流沉渣回流阀，将预处理后的剩余污泥注入所述剩余污泥厌氧发酵反应器中，并通过温控套件和ph、do传感器监测和控制发酵体系的运行条件和参数；在步骤(4)中，将预处理后的剩余污泥注入所述剩余污泥厌氧发酵反应器中，发酵2～10d，并通过温控套件和ph、do传感器监测和控制发酵体系的温度等参数，其中温度控制在25～40℃、ph为6.5～8.0、do为0.05～1.0；

(5)开启厌氧发酵反应器排泥阀和排泥泵，排出所述厌氧发酵反应器中的发酵污泥同时留下种泥，准备序批式污泥厌氧发酵。

通过对污泥厌氧发酵过程中短链脂肪酸的产量进行测定调整发酵时间。以北方某城市污水处理厂剩余污泥经本发明系统处理为例最佳发酵时间控制在3d。

具体实施案例如下：

具体实验用剩余污泥为北方某污水处理厂市政污水处理剩余污泥(tcod＝780-980mg/gtss、tn＝20-60mg/gtss、tp＝2.5-5mg/gtss)，所用加药预混池有效容积为60l，高速离心泵的功率为50hz、转速为3000r/min，厌氧发酵反应器的有效容积为30l，剩余污泥采用序批式发酵，接种10-15％的厌氧活性污泥，发酵体系中的srt为3-5d。具体运行操作过程和运行效果如下：

(1)将二沉池剩余污泥注入储泥池中暂存1～3d，开启进泥阀和进泥泵，将储泥池中的污泥和二沉池进口污泥按照1∶1的比例搅拌混匀配成17000mg/l左右的剩余污泥头加入加药预混池，开启搅拌装置及溶氧控制，调节溶解氧至0.3mg/l左右和酸碱度6.8左右。

(2)根据加药池中按比例混合的剩余污泥的污泥浓度，加入0.34～6.8g/l浓度的鼠李糖脂。开启搅拌装置调节转速，在尽可能少产生气泡的前提下将混合污泥与鼠李糖脂充分搅拌均匀。

(3)打开高速离心泵、旋流污泥回流阀、旋流沉渣回流阀，使经过生物表面活性剂处理过的剩余污泥高速进入水力旋流器并持续旋流0.5～20min。

(4)打开水流旋流器出泥阀，然后关闭旋流污泥回流阀、旋流沉渣回流阀，将预处理后的剩余污泥注入所述剩余污泥厌氧发酵反应器中发酵3d，并通过温控套件和ph、do传感器监测和控制发酵体系的运行条件和参数为：温度控制在35℃左右、ph为6.8左右、do为0.3mg/l左右；

(5)开启厌氧发酵反应器排泥阀和排泥泵，排出所述厌氧发酵反应器中的发酵污泥同时留下种泥，通过排泥管进入污泥脱水单元，通过浓缩压滤回收发酵液提取短链脂肪酸，或者直接将压滤液回流至污水处理反硝化环节中作为污水脱氮的回补碳源。

利用本发明处理城市污水处理厂剩余污泥，预处理后的污泥经过厌氧发酵短链脂肪酸积累浓度2500mg/l，转化率为240mg/gvss；然后将发酵后的污泥通过污水处理厂的脱水单元，剩余污泥的tss下降了17％左右，短链脂肪酸回收率为3100mg/l左右。

本发明的技术原理如下：

剩余污泥的胞外聚合物是微生物胞外除细胞和水以外的第三大组成部分，占剩余污泥总有机物的70％左右，主要由蛋白质和多糖以及腐殖质等组成。空间结构上由内而外分为紧密结合型胞外聚合物(tb-eps)、松散结合型胞外聚合物(lb-eps)以及溶解性胞外聚合物(solubleeps)，除tb-eps较难以剥离以外，溶解性和松散结合的eps容易通过理化方法实现剥离。生物表面活性剂和高速水力旋流可有效实现胞外聚合物的破解和溶解，在本发明条件设定范围内不会对活性微生物细胞造成大量破裂性损伤，剥离eps的同时保证了生物活性，有利于后续发酵过程的生物量保持。在预处理过程中eps的结构组成发生了变化，如表1和图3所示，图3为剩余污泥经过生物表面活性剂处理耦合高速水力旋流预处理前后的透射电镜图像，可以显著表明预处理过程可以有效地剥离剩余污泥的胞外聚合物(图中箭头所指)。其中，a，c为原始剩余污泥；b，d为预处理后的剩余污泥。在生物表面活性剂的增溶作用和水力旋流的物理分质作用下，更多的松散型eps被剥离后成为溶解性eps并转化为溶解性有机物(dom)。，本发明中预处理后的剩余污泥的流变特性得到显著改善，污泥粘度和粘弹性参数都呈现明显下降趋势，如图4所示。图4为剩余污泥经预处理前后流变特性的变化，显著表明生物表面活性剂和高速水力旋流耦合的预处理方法改善了剩余污泥的流变性：降低了粘度和粘弹性。其中，(a，b)为粘度变化曲线，(c，d)为粘弹性变化曲线；(a，c)为原始剩余污泥，(b，d)为预处理后剩余污泥。这不仅有利于污泥胞外聚合物的进一步剥离，也有利于厌氧发酵过程中传质过程的进行。

剩余污泥经过胞外聚合物剥离后进入厌氧发酵反应器中进行产酸发酵，主要是利用厌氧发酵产酸菌将复杂的大分子有机物代谢转化为小分子的有机物的过程，有效的胞外聚合物剥离和溶解有效提升了微生物的转化作用。通过控制ph、do、温度等条件使环境有利于发酵产酸菌的繁殖抑制产甲烷菌的生长，可以促进产酸积累，运用本发明进行产酸发酵的结果如图5所示。图5为剩余污泥经预处理和厌氧发酵等处理过程中短链脂肪酸获得大量积累，经胞外聚合物剥离后进行厌氧发酵的最高产酸积累可达原始剩余污泥的3倍以上。其中，o：原始剩余污泥，p：预处理剩余污泥，f：厌氧发酵污泥。剩余污泥经过所述预处理和厌氧发酵后，本身有机质得到更加充分地利用，转化为更易被微生物利用的短链脂肪酸等小分子有机物，所以本发明可有效实现污泥的减量化，结果如图6所示。图6为剩余污泥胞外聚合物剥离可有效实现污泥的减量化。其中，b3s1、bss2、b3s3、b3s4为剩余污泥预处理方法标注。

表1.剩余污泥经预处理对胞外聚合物剥离和厌氧发酵后胞外聚合物的结构组成的变化

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。