改善污泥生物降解性的方法和设备与流程

本发明涉及改善有机液体污泥的生物降解性的方法。

术语“有机污泥”是指含有至少10％有机物质的污泥。

本发明还涉及实施这种方法的设备以及所获得的中间产品。

本发明可特别重要地但非排他性地应用于甲烷化的领域中，并且更特别地用于获得适于被转化为热、电和/或车辆燃料的生物气。

背景技术：

在厌氧消化之前例如被用作预处理的污泥解体过程是已知的。

这些技术的目的是溶解颗粒状有机物质并减小细菌絮凝物的尺寸。

然而，这些机械或化学技术都具有缺点。

它们尤其给出了不足的性能，这归因于导致出现不可生物降解的抗性有机物质的氧化反应，这导致了与所需效果相反的效果。

例如，通过超声波作用于污泥的制备技术是已知的。然而，这些技术会在分子水平上产生空化现象，因此会产生非常高的压力/温度，这是导致通过产生自由基的氧化的原因。

还存在热水解技术。尽管这些技术更为有力，但它们在设备和运行成本方面是昂贵的，和/或需要加热到高温(160℃-180℃)。

总之，所有这些技术都是昂贵的，并且所具有的缺点是产生不可生物降解的抗性的有机物质，这因而具有与所需效果相反的效果。

最后，污泥制备过程的有效性与这些污泥的初始ms(固体物质)载荷有关。

因此，在具有局部或化学作用的机械裂解(lyse)技术(如上所述并且使用超声波或化学氧化的那些)的情况下，推荐的最大载荷为6-8g/升ms，这不可避免地导致设计大尺寸的制备设备。

对于热水解技术，优化处理的初始浓度约为20g/升，所有较低的浓度都会相反地产生额外的成本，这在此又带来了空间、均化和价格的问题。

技术实现要素：

本发明旨在通过以下方式来克服这些缺点：由于比之前已知的那些更好满足实践要求的处理，因此特别提高了再调理(reconditionnement)和/或再利用污泥的可能性，尤其是，由于有机物质在水体中的分散的提高，因此其令人惊讶地改善了生物降解性，所有这些都与细菌的显著裂解以及eps和细菌菌落的分散有关，因此促进和/或加速培养基的定植。同时观察到处理过的污泥的粘度降低。

这样的结果是通过小尺寸设备以经济的方式获得的。

为此，本发明特别提出一种用于改善有机污泥的生物降解性的方法，该方法包括至少两个相继的处理循环，每个循环所具有的总持续时间为大约8秒至大约20秒，例如大约10秒，每个循环包括在被称作缩小区(zoneréduite)的第一区中通过将气体注入所述缩小区中产生第一水解的污泥乳液的第一步骤，在被称作膨胀区的第二区中该乳液突然膨胀的第二步骤，以及经由被称作限流(restriction)区的第三区回收乳液的第三步骤。

根据本发明的方法不涉及任何附加絮凝剂的添加。

换句话说就是不注入絮凝剂，仅通过相继的限流/膨胀的处理而无通过添加聚合物或其他物质的任何絮凝步骤就允许获得如下所述的出色的结果。

这会导致更有效的接触时间，因为它们不会被气体和污泥之间的额外材料破坏，持续时间是例如10秒的基本时间的数倍(对于三个循环来说为10秒的三倍)。

表述“大约”是指±10％至20％。

本发明还提出了一种用于改善液体有机污泥的生物降解性的方法，该方法包括在具有第一相对压力p1的被称作缩小区的第一区中通过赋予所述缩小区中的污泥以第一速度v1≥20m/s通过将空气注入所述缩小区中产生第一水解的污泥乳液的第一步骤，在具有大于2巴的第二相对压力p2的被称作膨胀区的第二区中如此产生的乳液的突然膨胀的第二步骤，以及经由被称作限流区的第三区，通过赋予所述限流区中的所述乳液以第二速度v2≥20m/s来回收乳液的第三步骤。

已知有机污泥是未消耗的有机物质、阳离子和以菌落、聚集体或分离的细菌组织的细菌结构的悬浮液。

这被称为悬浮液的自絮凝。实际上，活的生物体形成有机和矿物物质的薄片，这些薄片难以机械破坏，也难以被其他活细菌穿透。

而不添加絮凝剂的优点是限制成本并且不产生额外的污染。

根据本发明的方法因而使得能够尤其通过施加机械约束，从由待处理的有机污泥所构成的粘性不可压缩流体开始产生包含细菌和细菌絮凝物(flocs)的可压缩流体，然后使其经历相对不太剧烈的压力/反压，针对其观察到，一方面，出人意料地充分破坏(裂解)污泥中存在的一部分细菌，另一方面，打破细菌絮凝并分散有机物质，从而使其随后具有更大的生物可用性，例如在随后的厌氧细菌消化过程中。

换句话说，该方法改善了这些物质的生物降解性，因为它可以粉碎、分散、炸裂细菌结构，使材料更容易被新菌株到达。

有利地，被称作缩小区的第一区是小直径d(d<50mm)的元件，在其中污泥以第一高速v1(v1≥20m/s)并且在低压p1下经过，将气体或空气以高流量(例如，以qnm³≥10qm³的流量，q是污泥的流量)注入到该元件中，以产生可压缩的气态乳液，然后将其供给下游的第二区或反应器，该第二区或反应器具有比该元件更大的直径d(d>20d)，乳液在其中在更高的压力p2(p2>p1，例如p2>3巴，并且有利地，p2≥10巴且<20巴或15巴)下并且以更低的速度v(v<10v1)经过，之后通过赋予所述限流区中的所述乳液以第二速度v2≥20m/s，在下游构件中经受压降，所述构件例如由球阀或截止阀(vannesoupape)或套阀形成。

注入区的特别减小的尺寸(例如0.001m³)将确保优异的污泥/空气混合。

因此，在这个位置处特别有一个高速区，导致动力撞击，这使得污泥能够分散在气体中。

有利地，所使用的气体是空气。

空气中氧气的存在进一步改善了空气/细菌絮凝物乳液的构成，这通过如下方式实现：带来一定水平的溶解氧和气泡形式的氧，从而更好地支持细菌增殖。

陪替氏培养皿细菌发育证明经过的污泥变得高度可生物降解。

有利地，针对相继获得的水解的乳液重复初始步骤至少n次，其中n≥2，例如n≥3和/或n≥7或8。

所构成的乳液的物理结构因而随着其相继的加压和减压阶段(n次)而发生变化，并且因而导致一种有利于污泥的生物降解性并有利于形成各种尺寸的气泡的现象，即由在第二区的压力下溶解的气体或空气产生的小气泡以及由与第二区(反应器)中现有的气泡的减压相关的增大所产生的较大的气泡。

观察到这种稳定的乳液非常有利于物质的浮选，并且如果需要的话可以使物质浮选。

还观察到随着每次经过的粘度降低。

这种低粘度和污泥中残留气泡的存在(即使在脱气后)使其易于泵送，这对于良好的循环重复来说是必要的。

此外，本发明一方面通过提高ms密度并且另一方面通过保持良好的粘度将因此允许更好的混合和该方法随后的任选步骤的连续或半连续供给的规律性。

术语“半连续”被理解为是指例如在相继的批次中，连续地或基本上不停止地一个接一个批次地替换，以实现连续或半连续处理，从而允许优异的生产进度。

总之，上述的加压/减压作用改善了有机物质的性质和结构(更好地分散和更好地裂解(对于细菌而言))，这通过提高交换的可能性并且因而例如在后续甲烷化步骤的情况下提高消化反应以及因此的产甲烷反应的收率而导致有机物质更好的可及性(accessibilité)和生物降解性。

在有利的实施方案中，附加地和/或进一步地采用以下设置中的一种和/或另一种：

-第一区是围绕平行于污泥供给方向的轴线延长的文丘里管的中心部分，空气相对于文丘里管的轴线倾斜地注入所述文丘里管中；

-第二区中的第二平均压力p2是p2>3.5巴，并且限流区下游的第三压力p3是大气压；

-在重复之前在第三区之后使乳液强烈脱气；

-空气在污泥流动的方向上或逆流的方向上注入和/或以与污泥流动的方向成20°-90°、例如20°-50°、例如30°的角度注入；

-通过乳液与其自身或与用于使乳液减速的吸能挡板(volet)的柔和撞击提取过量的气体。

术语“吸能”被理解为是指被布置用以将流体的动能降低至少等于2的系数。

这涉及液体/液体类型的撞击。

柔和撞击被理解为是对乳液本身通过重力落到例如自身上或对吸能的挡板或隔板或盘的无冲撞的逐渐撞击或接触，所述挡板或隔板或盘例如是柔性挡板或者具有例如几cm²的减小的尺寸(例如x×y，其中x和y<10cm)，其被布置用于使物流减速，但不会构成在物流中产生突然过压的起伏。

柔性挡板或隔板被理解为是指弹性或半刚性元件，例如由橡胶或类似物制成，适用于通过减速承受和/或产生压降，从而能够进行压力脱气，但不会破坏污泥的絮团。

换句话说，这样的体系使得能够进行过量空气的脱气，同时确保乳液的组成的连续性以及在该过程中与乳液的流动或转移速率相一致。

此外，所使用的能量是由空气和污泥这两个物流的动能提供的，它们因而经历几个序列：

-以90°、45°、螺旋桨等不同类型的空气引入，在文丘里管、喷射器等类型的构件(被称作缩小区的第一区)的入口处的撞击；

-在这个构件中混合；

-在这个构件和压力下的反应器(被称作膨胀区的第二区)的体积之间的加压/减压序列；

-归因于阀类型的关闭构件(被称作限流区的第三区)而导致的特殊压降；

并且，正如已经看到的，在大约10秒的接触时间期间，有利地可重复n次，其中n≥2甚至n≥8。

如有必要，也可以使用臭氧、过氧化氢、过硫酸盐、电解、金属氧化物或金刚石类型的氧化，这会导致膜的更为强烈的裂解。但有必要控制培养物中的细菌增殖得到很好的促进而不是被这些添加物阻止。

可观察到，根据本发明的方法导致培养基中细菌的裂解提高了数十百分数，即10％、20％或更多。

由于在其中存在有细菌的培养基的宏观条件而发生的这种裂解的改善是在相当低的局部能量条件下进行的，这使得能够避免利用现有技术经常观察到的不希望的抗性有机分子的产生。

污泥的生物降解性例如可以通过分析和比较琼脂培养物(例如在陪替氏培养皿中)的细菌增殖能力来测量。

本发明还提出了一种实施上述方法的设备。

本发明还提出了一种用于改善有机污泥的生物降解性的设备，包括加压的在线(enligne)容器或反应器；用于将污泥连续供给该容器的装置，其包括围绕着轴线延长的使污泥经过的文丘里管；在所述文丘里管的狭窄处的至少一个空气注入端口(piquage)，用于相对于该轴线倾斜地注入空气，被布置用于在该容器中产生乳液；以及用于将所述乳液经由产生压降的构件从所述容器排放的装置；以及用于在空气注入的上游，通过污泥供给装置在该容器中回路(enboucle)循环所述乳液的装置。

有利地，该设备在文丘里管中包括以相对于所述文丘里管的轴线成20°-90°的角度的倾斜的两个空气注入端口。

本发明还提出在如上所述的n次再循环经过反应器之后获得的有机污泥汤(soupe)或乳液，其中n≥2，有利地n≥3，或者n≥7。

有利地，有机污泥汤包含至少80％的裂解的细菌。这种取决于初始状态(可能已经是20％-30％的裂解)的结果迄今为止从未实现过。

裂解的细菌被理解为是指其细胞膜已被破坏并导致其死亡的细菌。

还观察到，在污泥处理的第一循环中，与混合物在反应器中的低停留时间(几秒)相结合的气体向污泥中的引入导致提取出了小分子如h2s和nh3(有毒分子)，这有利于在随后循环中生物降解性的增加。

附图说明

通过阅读以下通过非限制性实施方案给出的实施方案的描述，将更好地理解本发明。所述描述参考附图，其中：

图1是显示根据在此更具体描述的本发明实施方案的方法的主要迭代步骤的原理图。

图2是显示在其两种迭代配置中实施本发明方法的设备的实施方案的示意图。

图2a以横截面示出了可用于本发明的喷射器的实施方案。

图2b至2f示出了根据本发明可用的喷射器的其他实施方案。

图3以横截面示意性地示出了根据本发明的一种实施方案的设备的脱气器。

图3a和3b是参考图3所述类型的脱气器的实施方案的前视图和沿iiia-iiia的截面图。

图4和4a是具有减速隔板的脱气器的另一实施方案的顶视图和沿iva-iva的截面图。

图4b是具有减速隔板的脱气器的另一实施方案的示意性截面图。

图5示出了有机物质的分散，对其的分析(分散、分布、爆裂)显示出在针对液体污泥没有实施本发明的方法、以及在根据本发明一次循环、八次循环和十次循环之后，所述有机物质的生物降解性的提高。

图6示出了针对液体污泥，根据在此更特别描述的本发明实施方案的循环的零次、一次和八次重复之后获得的裂解产物和细菌结构(聚集体)的孔隙率、尺寸和几何形状。

图7和8分别示出了分别在八次重复之后，放大到0.5微米的破坏过程中的一组细菌，以及完全裂解到0.2微米的细菌。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据在此更具体描述的本发明的实施方案的实施提高污泥的生物降解性的方法的设备。

从例如被连续泵入沉降池(未示出)并引入管道2的有机污泥1开始，通过如下方式在该管道的第一区3(被称为缩小区)中产生第一水解的污泥乳液：通过赋予在所述区中乳化的污泥以高速度v1(v1≥10m/s)并且有利地v1≥20m/s，将气体4注入到该缩小区中。

缩小区3因而是一个低压p1(例如p1≤0.5巴，相对)和高速的区域，使得能够获得优异的气体/污泥混合物。

然后将第一乳液引入被称作膨胀区或反应器的第二区5，其具有更大的体积，赋予第一乳液低速v2(≤1m/s)，但在高压p2(p2≥5巴)。

区5(或反应器)然后连续通到被称作限流区的第三区6，其例如由调节阀7形成，用于在低压p3(p3≤0.05巴)和高速v3≥20m/s下排放第一乳液，在其中形成第二乳液，该第二乳液经由旁通管道9和位于第一缩小区3的上游11的再循环泵10被再循环(箭头8)至少一次，或者甚至n次，其中n≥2，例如3次或7次。

这种再循环可通过位于第二乳液的脱气器13的下游14或所述脱气器的上游的端口12以由自动装置15控制的方式根据所选的循环数n来进行。

在缩小区3和限流区6之间的乳液循环的每个循环相当于尤其在反应器中的经过时间(并且因此是气泡/污泥接触时间)，其为几秒，例如时间t≤10s。

因而使富含气体/空气的乳液在每次经过时在相同的时间t经历乳液的减压/加压/减压或加速/减速/加速的相继阶段，从而赋予所述乳液以长度为t+n×t的处理。

还要指出，根据本发明的方法使得能够实现在沉降(当乳液静置以用于进一步处理时，例如为了甲烷化)之后最终获得的污泥的增稠，同时保持底物的高可用性。观察到它还导致低粘度，同时允许需氧细菌部分裂解，从而实现本发明的目的，即提高污泥的生物降解性，如以示例方式给出的对利用以下组成的污泥获得的陪替氏培养皿细菌生长类型的分析得出的结果所示(参见下表i)：

干物质中的mv(挥发性物质)％：60％

avg挥发性脂肪酸：185mg/l

agc/tac：0.4

ph：6.8

表i

菌落形成单位(unitéfaisantcolonies)

图2示出了根据本发明的设备16的实施方案。

液体有机污泥17经由进料泵18和管路19向例如由文丘里管形成的限流器(restriction)20引入到例如具有1m的高度和50cm的直径的管状腔室(enceinte)21中。

压缩机22将压缩空气23供给到文丘里管20的内部，例如与流体的方向成45°角倾斜，以形成乳液24或污泥/空气/水三相混合物。

该管状腔室例如被保持在大约3-5巴(相对)的压力下。

这可借助于调节阀25根据该腔室的内部压力来实现。这个阀25构成了限流器。

在阀25的下游，根据在此更具体描述的本发明实施方案，将乳液供给脱气器26。

该乳液的脱气器在27处对大气压力开放，并包括垂直管28，用于以喷泉的形式供应乳液，使乳液与其自身柔和撞击，这使得能够对乳液进行温和且非破坏性的脱气，正如下面参考图3至3b将更具体描述的。

获得的气体可以或可以不被再利用(线路29)以经由压缩机22被再循环到限流区20中。

污泥在脱气器内保留确定的时间，例如大约1-5分钟，然后通过管路30在重力作用下排放到后续处理31。

根据更具体描述的本发明的实施方案，管状腔室21将分别经由再循环泵34和35在脱气之前(虚线线路32)或脱气之后(点划线线路33)再循环数次。

图2a中表示的是其中产生污泥/气体乳液的限流器20的实施方案。

该限流器由文丘里管36形成，该文丘里管36包括空心体37，该空心体37包括由通向小直径圆柱形孔部分39的截头圆锥孔38形成的污泥入口(流f)，其中两个对称支管(piquage)40形成20°至90°的角度，例如与文丘里管的轴方向41成30°，使得能够在污泥流f的方向上供应气体。

对于50m³/h的污泥流量和250nm³/h的注入气体(有利地为空气)的流量来说，在这个圆柱形孔部分中产生例如体积为1升的污泥/气体乳液。

该圆柱形孔部分通向倒截头圆锥部分42，用于将乳液排放到腔室/反应器21。

这种文丘里管和支管的配置使乳化速度大于20m/s。

图2b至2f显示了文丘里管的实施方案，使用以下的支管在文丘里管的中心处注入气体：例如以45°的角度对着污泥流的支管(图2b)，垂直于污泥流的方向的支管(图2c)，例如以45°的角度在污泥流的方向上的单个支管(图2d)，两个对称的垂直于污泥流的方向的支管(图2e)，或两个对称的例如以45°的角度对着污泥流的支管(图2f)。

图3示意性地显示了根据本发明的一种实施方案的脱气器26的横截面。

该脱气器包括容器43，例如为圆柱形的容器，高度基本上等于1m。

该容器的直径例如为200-300毫米。

污泥通过管路在44处供应，该管路例如具有直径为80mm，其通入该容器的底部45，然后具有90°弯曲u和例如直径为100的圆柱形垂直部分46。

圆柱形垂直部分46终止于颈部47，用于将污泥作为喷泉输出。

该容器限定了在其中通入圆柱形管路46的内部体积v。

该体积具有配备有出口管路49的底部48，该出口管路的直径与乳液的入口管路的直径相同。

有利地，在排出管路的上部51提供支管50，该支管50用于在乳液经过容器之后的额外脱气，所述上部51处于低于该容器中污泥水平的高度。

相对于体积v的底部，上部51的高度被设置为等于或略低于颈部47的高度，以使得在脱气器中具有给定的停留时间，例如20s。

体积v在上部终止于通大气的出口开口52，其有利地由阻流板53保护以阻挡污泥喷射。在所描述的并且各种进料管的入口/出口尺寸为dn80mm的实施方案中，污泥乳液的高度h(即在容器底部与圆柱形垂直部分46的颈部的周边之间)例如为400-600mm，例如500mm。

在说明书的其余部分中，相同的附图标记将用于表示相同或相似的元件。

图3a和3b表示根据本发明的脱气器的另一实施方案，该实施方案能够通过乳液对自身的柔和撞击来实现乳液的脱气。

它可内接于1.50m×1m×600mm的平行六面体中，用于处理以20m³的流量连续供应的污泥，并且这是使用商用塑料或钢管路和/或板来实现的，这是一个很大的优势。

这是因为，与通过通大气的简单脱气相比，或者与使用机械混合将剩余空气与乳液分离的脱气器相比，获得可达20％甚至50％的脱气改善。

因此，例如，当使用参考图3所述类型的设备时(最大有效体积为64l(400mm×400mm方形底部)，dn120mm的入口弯曲并且在5至12m³/h之间运行(空气流速为30nm³/h))，获得了更好的脱气，这比现有技术要快速得多地获得。这尤其可见于下面的表ii，该表还具体指明喷泉下落高度h的条件(其是柔和撞击的条件)。

表ii

图4和4a以顶视图和沿iva-iva的截面示出了根据本发明的另一实施方案的脱气器60的实例，其包括例如具有截止角c的平行六面体形状的腔室e，相对于污泥流f的入口水平放置，例如对于处理流速为10-13m³/h、ms为8-10g/l和veff为30升来说，其尺寸为l×l×h：300×400×300。

veff：(有效体积)是在脱气器入口处的污泥/水体积，其可以吸收乳液良好脱气所需的能量。

这个体积因不同尺寸而异。

它大约是例如30-40升。

腔室e包括通向流动室61的物流入口，该流动室61例如是圆柱形的，具有在该室的整个长度(例如在上述数字实例中的200mm)上在底部开口的圆柱形部分62，并且在其水平方向的末端配备有隔板63，适用于使乳液减速，或者当该隔板是柔性的时，用于在乳液f1的轻微压力下向内移动63'。

该腔室朝向顶部包括用于从脱气器排出空气的管道t和在另一端的出口孔s。腔室e可任选地具有例如在其长度的2/3处的中间分配隔板p，其能够使乳液通过扩大的狭缝z在底部排出。

这样的隔板要么能够使乳液直接减速，要么能够进一步提高乳液的均匀性。

图4b在纵向方向上显示根据本发明另一实施方案的脱气器60'的变体。

旨在吸收混合物撞击的内部隔板可有利地由橡胶或其他软材料制成。但还可使用例如更为刚性的隔板，例如具有或多或少凸出的形状。

更具体地，图4b的变体示出了乳液和过量气体进入腔室60'的区域b的入口a，该区域在底部填充有污泥x并且在顶部填充有气体。

区域b由吸收物流的能量的隔板l封闭，隔板l是柔性或硬隔板(有利地是凸出的)。

过量气体借助于空气/通风口d从气体顶空(ciel)提取。

经由隔板l底流的液体流的提取通过区域g进行，该区域g提供平静的层流。

对于20-23m³/h的负载为10-30g/l的污泥和最高达100nm³/h的空气(被添加以用于形成乳液)来说，该腔室具有例如为l×l×h＝500×200×250的尺寸，通过130mm的出口管和160cm的吸收隔板高度渗透到该腔室中。

与不存在根据本发明的处理相比，使用本发明(参见图5的照片)可观察到随着每次经过而得到改善的物质的分散。

更确切地，第70、71、72和73列显示了分别在零次经过、一次经过、八次经过和十次经过后有机物质74的分散。观察到材料随着每次经过而越来越分散(直到从7.8次经过开始不发生太大变化为止),这因而能够将细菌更好地用于该方法的剩余部分，例如将其送至消化器。

除了它们的分散之外，还观察到以特别有利的方式发生的细菌壁的破坏(膜壁的破坏)(参见图6)，这使得它们的内容物可被其他细菌到达和消耗，因而与它们的分散一起总体上导致更好的生物降解性。

在未经过的情况下(第75栏)，细菌76是活的。在一次或两次经过(77)之后，细菌76的裂解程度已经大于30％(参见膜78的破坏)。

在经过八次之后，破坏(裂解)的程度大于或等于80％。

图7和8的照片分别以0.5微米和0.2微米的尺度显示，在8次经过之后，细菌80的膜79被破坏，使其内容物能够被到达，并且因此显示出它们的生物降解性。

现在将参考图2描述根据在此更具体描述的本发明实施方案的方法的实现。

污泥17以例如20m³/h的流速q通过泵送以连续流量在管道中供给，所述管道例如具有直径为dn50且长度l等于几米。同时连续注入例如60nm³/h的大流量的空气到文丘里管20中，产生三相乳液，然后进入加压下的腔室21中。该乳液然后经过限流器25，例如阀/阀门，引起新的压力/减压撞击。

借助于自动装置，将乳液再循环到脱气器的上游n次(线路32)。

乳液然后雨淋式地通入脱气器26中。

乳液对自身的柔和撞击允许进行良好且轻柔的脱气，考虑到弯管的尺寸、体积v和流量，乳液在容器中仅保留几秒钟(到几分钟)，然后被排出，其具有提高的生物降解性。

然后可将乳液再循环到脱气器的下游，例如通过再利用过量的脱气空气来进行。乳液然后例如通过重力或通过泵送(它具有非常低的粘度)转移以用于进一步的处理。

无疑，并且从上文也可以看出，本发明不限于更具体描述的实施方案。相反，它涵盖了所有的变体，特别是以下的这些变体：在这些变体中，整个设备是可移动的，例如通过安装在卡车拖车上来实现，因为其具有非常高的紧凑性。这允许根据需要将其从一个地点运输到另一个地点。