一種厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理方法

2023-06-06 04:01:36

專利名稱：一種厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理方法
技術領域：
本發明涉及一種對厭氧消化汙泥進行預處理的方法，屬於厭氧消化汙泥預處理技術領域。
背景技術：
對城市汙水處理廠產生汙泥的處理處置，目前主要的方法可以分為好氧消化、厭氧消化、汙泥幹化、化學穩定、堆肥、焚燒以及填埋等34種工藝技術。對比厭氧消化工藝，其它的汙泥處理處置方法存在著汙泥穩定性差、工藝耗能高、汙泥脫水性能差、對病源微生物的滅活作用弱等問題。通過對各種工藝的成熟性、技術優越性和經濟性的全面評估，發現無論從經濟、資源回收和可持續發展的各個角度來看，厭氧消化都是一項優勢技術。厭氧消化 的優點是有機質經消化產生了能源，殘餘物可作肥料。目前厭氧消化已應用於多個領域，如工業廢水處理、城市垃圾的處理及潛在能源的開發。厭氧消化是在無氧條件下有機物質被厭氧菌分解產生甲烷和二氧化碳的過程，汙泥厭氧消化一般分為三個階段水解階段、產酸階段、產甲烷階段，其中水解階段被認為是汙泥厭氧消化的限速步驟，主要原因是汙泥中大多數有機物存在於微生物細胞內，微生物細胞的細胞壁是一個穩定的半剛性結構，起著保護細胞的作用。細胞壁屬於生物難降解惰性物質，細胞壁水解較為困難，導致汙泥厭氧消化過程需要較長的時間。在實際運用中，傳統的汙泥厭氧消化技術卻也存在著反應速度慢、汙泥停留時間長、池體龐大、操作管理複雜、發酵周期長(20 30天)等問題。熱水解和超聲波都是厭氧消化汙泥預處理的現有技術，如中國專利文獻CN101811810A公開的《一種汙泥超聲波強化降解的處理箱》。中國專利文獻CN102241464A公開了一種《城市汙泥處理方法及其設備》，該方法包括如下步驟加熱濃縮汙泥至45 55°C後進入高溫水解酸化反應器中在pH為6. 5 7. 5、溫度為4(T55°C條件下進行溫水解厭氧消化反應2飛天，得水解酸化產物；將水解酸化產物的溫度降為35 40°C後，進入中溫產甲烷消化反應器在溫度為35 38°C條件下進行中溫水解厭氧消化反應1(T17天。CN102627384A公開了《一種提高沼氣產量的汙泥處理方法》，是將汙水處理過程中產生的汙泥首先經過脫水預處理，使汙泥含水率為87、3%，對脫水預處理後的汙泥加熱加壓，加熱溫度為16(Tl90°C，加壓壓力為5 10個大氣壓，持續25分鐘 50分鐘，然後降至常壓，並降溫，汙泥降溫至3(T36°C後進入中溫厭氧消化處理過程，產生沼氣，該方法通過加熱加壓使汙泥內的細胞破裂，細胞內的液體流出，釋放有機物，提高了汙泥自身的流動性，使得厭氧消化效率提高。但是上述兩項文獻的技術方案其造作條件要求高、能耗大，處理周期長。

發明內容
針對現有的傳統的汙泥厭氧消化技術存在的反應速度慢、耗能高、處理周期過長、池體體積龐大、操作管理複雜、產氣中甲烷含量低等缺點，本發明提供一種反應速度快、能耗低、厭氧消化效率高的厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理的方法。本發明的厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理方法，包括以下幾個階段(1)汙泥預熱階段
將濃縮至含水率為91%後的汙泥進行預熱，使汙泥的溫度升高到50°C -60°C ；
(2)汙泥熱水解預處理階段
將經預熱後的汙泥泵入熱水解反應罐內，泵入的汙泥體積不超過熱水解反應罐的罐體內部體積的二分之一，使熱蒸汽持續進入熱水解反應罐內，將熱水解反應罐內的溫度控制在118°C _122°C，壓力達到3個大氣壓，並在該溫度和壓力下保持30分鐘；
汙泥在熱水解反應罐內經過高溫，能夠使微生物絮體解體，細胞部分破裂，汙泥中有機物質及細胞內結合水釋放在熱解過程中，汙泥細胞內中大部分有機物可被釋放出，同時汙泥顆粒間的結合水也被脫出。(3)超聲波預處理階段 熱水解預處理後的汙泥經熱交換器使溫度降低至50°C後進入超聲波反應器內，用20KHz-28KHz低頻率的及0. 33ff/mL聲能密度的超聲波進行處理，處理時間為30分鐘到60分鐘，處理過程中超聲波通過空化作用和熱解作用對汙泥絮體進行進一步破解，超聲波在低頻率情況下能夠對液體中的介質產生周期性的擠壓，從而產生大的空穴氣泡，當空穴氣泡大到破裂時產生強有力的水流噴射，而噴射的同時在液體中產生剪切力，這種剪切力容易打破細胞壁使有機物釋放。經過超聲波處理的汙泥，其細胞壁的破解作用將更為徹底。經過熱水解和超聲波處理後的汙泥直接進入厭氧消化反應系統。上述厭氧消化汙泥預處理過程，利用熱水解和超聲波的組合方式對汙泥的破解效果會明顯優於超聲波或熱水解的單獨處理方法，經過熱和超聲波聯合預處理，可以很好的改變汙泥各項理化性質，大幅增強汙泥的脫水性能，提高消化汙泥的緩衝能力，使處理後的汙泥更為穩定，臭味減少，並減少汙泥厭氧消化周期，提高汙泥產氣量，使厭氧消化效率得到明顯提高；另外，由於經過熱水解預處理，可以殺滅汙泥中的很多病源微生物。本發明採用熱水解和超聲波聯合預處理方法，不但可以提高汙泥的水解速率，而且可以縮短超聲破解的時間，降低預處理的能耗，經預處理並厭氧消化後，可以使汙泥更好的做到無害化、減量化、穩定化，並達到資源化。
具體實施例方式本發明採用熱水解和超聲波聯合方法對厭氧消化汙泥進行預處理，具體過程如下所述
(1)汙泥預熱階段
經濃縮後(含水率為91%)的汙泥由儲泥罐泵入汙泥預熱裝置，將步驟(2)中熱水解反應後的汙泥經熱交換器進行熱量回收，回收的熱量回用於汙泥預熱裝置中，利用熱水解反應罐回收的熱量與汙泥進行混合，使汙泥的溫度升高到50°C -60°C ；
(2)汙泥熱水解預處理階段
汙泥熱水解預處理通過熱水解反應系統完成，熱水解反應系統由蒸汽發生裝置和熱水解反應罐兩部分組成，蒸汽發生裝置為蒸汽鍋爐，用以產生蒸汽對汙泥進行加熱。熱水解反應罐為通用設備，其罐體頂部設有洩壓閥，上部設有進料口，進料口處設進料閥，底部設有卸料鬥，卸料鬥的底部設有卸料閥，蒸汽鍋爐和熱水解反應罐之間通過帶閥門的管道連接；熱水解預處理過程中，首先確保熱水解反應罐卸料閥關閉並且罐體內無壓力，然後將經預熱後的汙泥泵入熱水解反應罐內，泵入的汙泥體積不超過罐體內部體積的二分之一，關閉進料閥。打開蒸汽發生器與熱水解反應罐閥門，使熱蒸汽持續進入反應罐內，將熱水解反應罐內溫度控制在118°C -122V，壓力達到3個大氣壓，並在該溫度和壓力下下保持30分鐘；汙泥在熱水解反應罐內經過高溫，可以使微生物絮體解體，細胞破裂，汙泥中有機物質及細胞內結合水被釋放，同時汙泥顆粒內和顆粒間的結合水被脫出。(3)超聲波預處理階段
熱水解預處理後的汙泥經熱交換器使溫度降低至50°C後進入超聲波反應器內，用頻率為20KHz-28 KHz、聲能密度為0. 33ff/mL的超聲波進行處理，處理時間為30分鐘到60分鐘；處理過程中超聲波通過空化作用和熱解作用對汙泥絮體進行進一步破解，20KHZ-28 KHz範圍內低頻率的超聲波對汙泥的分解效果更好。超聲波在低頻率情況下能夠對液體中的介質產生周期性的擠壓，從而產生大的空穴氣泡，當空穴氣泡達到一定體積時則會破裂產生強有力的水流噴射，而噴射的同時在液體中產生很強的剪切力，這種力量很容易打破細胞壁使有機物釋放。 經過熱水解和超聲波處理後的汙泥溫度處在35度左右，可直接進入厭氧消化反應系統。運用熱水解和超聲波的聯合汙泥強化作用，可以破壞汙泥中微生物的細胞結構及細胞壁，使汙泥絮體結構發生變化，細胞內的內含物溶出，進入水相，在胞外酶的作用下快速水解為小分子化合物，對提高汙泥厭氧消化效率具有重大意義。經過熱水解和超聲波不同時間處理後，汙泥的指標發生了如下變化
超聲波處理30分鐘後SCOD (指溶解性化學需氧量)由1960mg/l上升到9600mg/l，是原來的4. 9倍。隨著超聲波作用時間增加至60分鐘時，SCOD增加至12360mg/l，是原來的6. 3 倍。粒徑變化原汙泥中值粒徑為30. 644 u m,經熱水解的汙泥，在超聲波作用30分鐘後，粒徑為23. 981 u m,比原汙泥減少了 21. 7% ;超聲波作用50分鐘後，粒徑為17. 101 u m，比原汙泥減少了 44. 2% ;超聲波作用60分鐘後，粒徑為11. 069 u m,比原汙泥減少了 63. 9%。結果表明，低強度的超聲作用可以很好的減少汙泥顆粒粒徑，從而改善微生物細胞膜的通透性和水解作用。含水率變化隨著超聲處理時間的增加，汙泥含水率呈上升趨勢，超聲作用時間由0到30分鐘時，含水率提高明顯；在隨著超聲作用時間增加，含水率變化逐漸減小直至不變。結果表明，低強度的超聲作用處理較短時間，有利於汙泥內結合水的釋放，有利於汙泥脫水。
權利要求
1.一種厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理方法，其特徵是包括以下階段 (1)汙泥預熱階段 將濃縮至含水率為91%後的汙泥進行預熱，使汙泥的溫度升高到50°C -60 °C ； (2)汙泥熱水解預處理階段 將經預熱後的汙泥泵入熱水解反應罐內，泵入的汙泥體積不超過熱水解反應罐的罐體內部體積的二分之一，使熱蒸汽持續進入熱水解反應罐內，將熱水解反應罐內的溫度控制在118°C _122°C，壓カ達到3個大氣壓，並在該溫度和壓カ下保持30分鐘； (3)超聲波預處理階段熱水解預處理後的汙泥經熱交換器使溫度降低至50°C後進入超聲波反應器內，用20KHz-28KHz低頻率的及O. 33ff/mL聲能密度的超聲波進行處理，處理時間為30分鐘到60 分鐘，處理過程中超聲波通過空化作用和熱解作用對汙泥絮體進行進ー步破解，超聲波在低頻率情況下能夠對液體中的介質產生周期性的擠壓，從而產生大的空穴氣泡，當空穴氣泡大到破裂時產生強有力的水流噴射，而噴射的同時在液體中產生剪切力，這種剪切カ容易打破細胞壁使有機物釋放。
全文摘要
一種厭氧消化汙泥熱水解和超聲波聯合預處理的方法，包括以下過程(1)經濃縮後的汙泥進行預熱，使汙泥的溫度升高到50℃-60℃；(2)將經預熱後的汙泥泵入熱水解反應罐內，泵入的汙泥體積不超過罐體內部體積的二分之一，使蒸汽發生器產生的熱蒸汽持續進入熱水解反應罐內，將熱水解反應罐內的溫度控制在118℃-122℃，在該溫度下保持30分鐘；(3)熱水解預處理後的汙泥經熱交換器使溫度降低至50℃後進入超聲波反應器內，用頻率為20KHz-28KHz、聲能密度為0.33W/mL的超聲波進行處理，處理時間為30分鐘到60分鐘。本發明採用熱水解和超聲波聯合預處理方法，不但可以提高汙泥的水解速率，而且可以通過熱量的綜合調配降低運行能耗。
文檔編號C02F11/00GK102826730SQ20121036754
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者劉長青, 冉小珊, 廖足良, 畢學軍, 程麗華, 張峰 申請人:青島理工大學