一种高含固市政污泥制备生物燃气工艺的制作方法

1.本发明涉及一种污泥处理工艺，尤其是涉及一种高含固市政污泥制备生物燃气工艺。


背景技术：

2.随着经济发展和城市人口的不断膨胀，工业废水与生活污水的排放量日益增多。市政污水处理厂污水处理率逐步提高，污泥产生量也随之增加。根据住房和城乡建设部统计数据，2018年我国城市污水处理厂干污泥产生量1176万吨，干污泥处置量为1129万吨，近年来城市干污泥处置率均在90％以上。2019年城市污水处理厂干污泥产生量约为1232万吨，干污泥处置量约为1182万吨。
3.市政污水处理厂普遍采用传统活性污泥法，即微生物处理为主体工艺的污水处理技术，所产生的剩余污泥一般含有大量的有机物、丰富的氮磷钾和微量元素，可以有效利用；但由于剩余污泥中同时也会含有一些难分解的有毒有害化学物质、细菌、寄生虫及重金属等，如果处理不当，排放后会对环境造成严重的危害。因此，科学妥善地处理处置污泥越来越受到人们的关注，也成为水处理行业所关注的焦点。
4.污泥处置之前的预处理主要包括污泥浓缩、消化(生物法消化、污泥堆肥、热解和化学稳定)、脱水、干燥等。目前污泥处置普遍采用的方法，主要有填埋法、污泥焚烧、建筑材料利用、污泥改性制吸附剂等。但污泥处理处置费用仍很高，其费用占污水处理的40％
‑
60％。污泥减量化和资源化是解决市政污水厂剩余污泥问题的重要途径之一。
5.根据住建部和发改委2011年联合发布的《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》，未经稳定处理的污泥直接进行填埋处置是一个高水平碳排放过程，每吨湿污泥可产生400
‑
600kg二氧化碳当量的直接碳排放。其他典型处理处置方案的碳排放水平均低于污泥直接填埋。在这些典型非直接填埋处理处置方式中，消耗化石能源产生的间接排放是主要的碳排放源，不同过程存在较大的差别。污泥处理处置过程的碳汇来源主要有两部分：一是对厌氧消化以及热转化过程产生的能源进行利用形成的直接碳汇；二是稳定化的污泥进行土地利用时，由于营养质增加降低化肥施用量以及持水性增强降低灌溉需求形成的间接碳汇。
6.污泥厌氧消化是主要处理方式之一，其限速步骤是水解过程。微生物细胞内有机质被微生物细胞壁所包裹，难以在厌氧过程中得到充分释放而使得部分有机质未被分解利用，进而使得剩余污泥厌氧消化周期加长，所需消化池容积增大。厌氧消化分中温厌氧消化和高温消化。中温厌氧消化温度维持在35
±
2℃，高温厌氧消化温度控制在55
±
2℃，适合嗜热产甲烷菌生长。高温厌氧消化有机物分解速度快、可以有效杀灭各种致病菌和寄生虫卵。
7.目前研究较多的污泥预处理技术有热水解、超声波预处理、碱处理、机械破碎预处理、臭氧预处理、酶处理、微波预处理等。但大多预处理技术还处于研究阶段，部分预处理技术还存在能耗高、用时较长、运行费用高、对设备腐蚀性强等不足，且大多预处理技术是针对含固率小于6％的低含固率污泥的应用，而含固率越高，污泥的体积就会越小，单位体积
污泥的产甲烷量也就越高。
8.热水解作为物理法的一种手段，是高效的污泥预处理技术，在上世纪80年代以前，热水解技术主要用于改善污泥的脱水性能，之后又应用于提高污泥的厌氧消化性能。热水解过程中，污泥细胞结构在高温(高压)条件下被破坏，污泥絮体结构发生变化，细胞内含物进入液相，热水解也即发生水解反应：脂肪水解成甘油和脂肪酸；碳水化合物水解成小分子的多糖和单糖；蛋白质水解成氨基酸后进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。在高浓度污泥热水解的过程中会产生大量高浓度废气(臭气)，其通常通过如下步骤进行处理：催化氧化脱硫除臭，除臭物质包括氧化铁、氧化锌、氧化镁；碱洗除臭，去除硫化氢物质；生物除臭，利用微生物的吸附、吸收和降解功能，将恶臭物质吸附后分解去除。但高温高压的热水解容易引发“美拉德反应”，进而产生难以生化降解的“类黑色素”，不利于后续处理。
9.中国专利cn112607982a公开了污泥热水解系统及污泥厌氧消化系统，包括浆化罐、热水解罐和储泥罐，各处理罐通过污泥输送管道依次连通，污泥热水解系统还包括高温氧化装置、降温装置和输送风机，热水解罐、浆化罐、高温氧化装置、降温装置、输送风机和储泥罐通过尾气输送管道依次连通。本发明还公开了一种污泥厌氧消化系统，包括厌氧消化罐，还包括上述的污泥热水解系统，储泥罐通过污泥输送管道与厌氧消化罐连通，厌氧消化罐通过沼气输送管道与高温氧化装置连通。该专利的污泥进入热水解罐时为碱性，且热水解温度达165℃，容易发生美拉德反应，不利于后续污泥处理。
10.中国专利cn108585401a公开了一种低温热水解结合铁盐强化污泥厌氧消化的方法，包括步骤：(1)将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节ph为6～7.5，并使得混合物的含固率为8～10％，混合后置于水浴70～75℃下进行热水解30～45min，得到混合污泥；(2)将混合污泥、适宜浓度的氯化铁溶液或氯化亚铁溶液加入厌氧消化装置，然后厌氧消化；(3)对厌氧消化过程中产生的气体进行收集。该专利采用中温厌氧消化，相对于高温厌氧消化反应速率较低，导致反应时间长；且采用的转速较快，不适宜用于大规模生产。在热水解后加入氯化铁和氯化亚铁溶液，所用的浓度较大，物料消耗较多。


技术实现要素：

11.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种高含固市政污泥制备生物燃气工艺，污泥厌氧消化效果好，反应时间明显缩短，产气量更高，克服了常规方法的缺陷和不足，为高含固市政污泥高效制备生物燃气和废气处理提供一条切实可行的途径。该燃气制备工艺简单，使用方法简单，适合于大规模市政污水厂污泥减量处理。
12.本发明的目的通过以下技术方案实现：
13.一种高含固市政污泥制备生物燃气工艺，向混合污泥中加入杀菌剂进行杀菌处理，经过热水解和厌氧消化，制得生物燃气。
14.优选地，所述的混合污泥为剩余污泥经污泥浓缩(含固率约3％)后得到的污泥与脱水污泥(含固率约20％)以质量比2.4
‑
1:1混合得到，所述的混合污泥的含固率为8
‑
12％。避免因浓缩污泥比例过高导致混合污泥含水率过高，或脱水污泥比例过高导致混合污泥含水率过低，进而不利于后续工序
15.优选地，所述的剩余污泥为市政污水处理厂从二沉池、生物反应池(沉淀区或沉淀排泥时段)排出系统的活性污泥。
16.优选地，所述的杀菌剂为二氯异氰尿酸钠；所述的杀菌剂的加入剂量为25
‑
50mg/g mlss；所述的杀菌处理的处理时间为2
‑
4小时。
17.优选地，所述的热水解在常压下进行；反应温度为85
‑
95℃；反应时间为3
‑
5小时。
18.优选地，所述的厌氧消化为将热水解得到的污泥与种泥混合后进行厌氧消化，所述的种泥的用量为热水解得到的污泥质量的8
‑
12％。
19.优选地，所述的种泥为其它厌氧反应器的高活性厌氧污泥，该厌氧污泥来自uasb、egsb、ic等高效厌氧反应器的高活性厌氧污泥。
20.厌氧消化所用的折流板反应器内设有机械搅拌器，对污泥进行搅拌，使厌氧消化反应充分。在反应器前端进污泥时，同时接入种泥混合。
21.优选地，所述的厌氧消化的反应温度为55
±
2℃；反应时间为15
‑
20天。
22.优选地，所述的厌氧消化采用机械搅拌，所述的搅拌速度为10
‑
20r/min，每2小时搅拌10
‑
20分钟。
23.优选地，所述的热水解和厌氧消化均采用折流板反应器作为反应器。折流板反应器内均设有固定于其顶部的4个导流板和固定于其底部的3个隔板，各导流板与反应器底部之间设有间隙，各隔板与反应器顶部之间设有间隙，导流板与其相邻隔板之间形成同样大小的反应池；各导流板距底部1/4长度弯成夹角为120
°
的折板。污泥在反应器内易于形成推流，提高反应效率。
24.优选地，所述的生物燃气经脱硫处理后，燃烧产生的蒸汽用于热水解和厌氧消化；热水解产生的废气通入污水处理厂的曝气池采用生物法除臭；经厌氧消化后的污泥脱水至80
‑
85％的含水率后焚烧处理；向经厌氧消化后得到的污泥上清液以及污泥脱水得到的滤液中加入氯化镁制得鸟粪石，沉淀后上清液送至污水处理厂的反硝化池和提升井。
25.二氯异氰尿酸钠有效氯含量大于60％，通过加入二氯异氰尿酸钠进行杀菌处理，对剩余污泥中各种细菌、藻类、真菌和病菌都有很强的杀灭效果。二氯异氰尿酸钠溶解度很高，能迅速释放其所含的全部有效氯，使其消毒杀菌效果得到充分利用，利于后续热水解作用的发挥。
26.热水解使用蒸汽加热，所用的折流板反应器前端蒸汽使用量较大，后端蒸汽使用量较少，反应器整体温度不超过95℃，且内部处于缺氧状态。
27.厌氧消化产生的生物燃气收集经脱硫处理后，用于蒸汽锅炉作为燃气使用，产生的蒸汽用于热水解，多余的蒸汽继续用于厌氧消化。
28.热水解产生的废气通过风机抽入污水处理厂的曝气池，并采用生物法除臭，同时废气所具有的热量可以提高污水厂曝气池的水温，进而提高污水处理效率并节省能耗，减少碳排放。
29.厌氧消化后的污泥，脱水至80
‑
85％的含水率，就近运往发电厂或水泥厂等进行焚烧处理。
30.厌氧消化后的污泥上清液以及污泥脱水的滤液，投入氯化镁去除部分氮和磷后，部分生成鸟粪石产品；剩余的混合液返回污水厂的反硝化池作为补充的碳源，多余的返回污水厂的提升井。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.(1)本发明中污泥预处理所用的试剂是二氯异氰尿酸钠粉末，粉剂保存、使用方
便，并且二氯异氰尿酸钠极易溶于水，有效氯含量高，氧化性强，杀菌处理效果好。杀菌处理时间为2
‑
4小时，二氯异氰尿酸钠具有更长的停留时间，后续热水解持续3
‑
5小时，二氯异氰尿酸钠可以继续发生化学氧化反应。本发明氧化反应更充分，试剂残留更少，并减少了对后续厌氧消化的负面影响。
33.(2)本发明区别于现有的污泥厌氧消解前的预处理方法，现有的预处理主要是高温高压热水解，主要缺点是能耗高、设备安全性要求高。本发明通过延长热水解反应时间降低对温度和压力要求，热水解采用常压、非高温(低于95℃)，能耗显著降低，反应器无压力控制要求。
34.(3)其它现有技术预处理多采用加碱的高ph及高温热水解，易引发“美拉德反应”，即易产生难于厌氧消解的物质。本发明所用温度不超过95℃，未使用碱类调节至高ph，降低处理成本的同时，可以大大减少“美拉德反应”的发生，有利于后续厌氧消化，减少难以生化降解的“类黑色素”的产生，改善产生物燃气效能，且利于后续的污泥处理。热水解与高温厌氧消化联用，可以节省能耗提高处理效率。
35.(4)热水解和厌氧消化的反应器均为折流板反应器，可以形成推流式梯度反应，由于具有浓度梯度，可提高反应效率，且在反应器上部均有空间可以存储气体，更利于热水解所产废气的溢出和抽提及厌氧消化所产生物燃气的利用。
36.(5)整套系统所产生的热量都被尽量循环利用，废气热量被用于好氧池加热污水，厌氧消化所产生物燃气被用于蒸汽锅炉做燃料，充分利用能源的同时可以提高系统处理效率并减少碳排放，同时还可以副产鸟粪石等产品，具有良好的经济效益。
具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是对本发明的限制。
38.实施例1
39.高含固市政污泥高效制备生物燃气新工艺，所处理污泥为市政污水处理厂的剩余污泥，经污泥浓缩后的污泥与脱水污泥混合，质量比为2.4:1。搅拌均匀后，混合污泥含固率为8％。
40.混合污泥热水解前使用杀菌剂进行处理，所用杀菌剂为二氯异氰尿酸钠。二氯异氰尿酸钠为白色粉末，具有很强的氧化性。所用剂量为30mg/g mlss，处理时间为2小时。杀菌后的污泥进入折流板反应器(折流板推流高温热水解反应器)进行高温热水解，使用蒸汽加热，在常压下，反应温度约为85℃，反应时间3小时。高温热水解反应器前端蒸汽量使用较多，后端较少，整体反应器温度不超过90℃，内部为缺氧状态。经热水解后的污泥进入折流板反应器(厌氧消化反应器)，为了充分利用热水解的热量，厌氧反应温度选为55
±
2℃。厌氧消化反应器内设机械搅拌器，10r/min，每2小时搅拌10分钟。在厌氧消化反应器前端进新泥时，接入其它厌氧反应器的高活性厌氧污泥为种泥，种泥用量为混合高含固污泥质量的8％。厌氧消化反应器所产生物燃气，收集经脱硫后用于蒸汽锅炉作为燃气使用，蒸汽锅炉所产蒸汽用于给热水解使用，多余蒸汽再给厌氧消化使用。厌氧反应周期为15天，对溶解性cod的去除率为90％，污泥消化率达到70％，可减少污泥体积70％，产气率为310ml/g
‑
ts(产气率为每g总固形物(ts)的产气量)。
41.热水解产生的废气被风机抽入污水处理厂的曝气池进行生物法除臭，同时废气的
热量可以提高污水处理厂曝气池的水温，提高反应效率。厌氧消化后的混合污泥，脱水至约80％含水率，就近运往发电厂或水泥厂等进行焚烧处理。混合污泥上清液及压滤(污泥脱水)的滤液混合，投加氯化镁去除部分氮磷后，同时生成鸟粪石产品。之后的混合液返回污水厂的反硝化池作为补充的碳源，多余的返回污水厂的提升井。
42.对比组，未经任何预处理，混合污泥添加8％种泥后，直接常规中温(35
±
2℃)厌氧发酵，厌氧反应周期需25天，对溶解性cod的去除率为55％，污泥消化率达到28％，可减少污泥体积25％，产气率为85ml/g
‑
ts。
43.实施例2
44.高含固市政污泥高效制备生物燃气新工艺，所处理污泥为市政污水处理厂的剩余污泥，经污泥浓缩后的污泥与脱水污泥混合，质量比为1.5:1。搅拌均匀后，混合污泥含固率为10％。
45.混合污泥热水解前使用杀菌剂进行处理，所用杀菌剂为二氯异氰尿酸钠。二氯异氰尿酸钠为白色粉末，具有很强的氧化性。所用剂量为40mg/g mlss，处理时间为3小时。杀菌后的污泥进入折流板反应器(折流板推流高温热水解反应器)进行高温热水解，使用蒸汽加热，在常压下，反应温度约为90℃，反应时间4小时。高温热水解反应器前端蒸汽量使用较多，后端较少，整体反应器温度不超过95℃，内部为缺氧状态。经热水解后的污泥进入折流板反应器(厌氧消化反应器)，为了充分利用热水解的热量，厌氧反应温度选为55
±
2℃。厌氧消化反应器内设机械搅拌器，15r/min，每2小时搅拌15分钟。在厌氧消化反应器前端进新泥时，接入其它厌氧反应器的高活性厌氧污泥为种泥，种泥用量为混合高含固污泥质量的10％。厌氧消化反应器所产生物燃气，收集经脱硫后用于蒸汽锅炉作为燃气使用，蒸汽锅炉所产蒸汽用于给热水解使用，多余蒸汽再给厌氧消化使用。厌氧反应周期为18天，对溶解性cod的去除率为87％，污泥消化率达到75％，可减少污泥体积75％，产气率为320ml/g
‑
ts。
46.热水解产生的废气被风机抽入污水处理厂的曝气池进行生物法除臭，同时废气的热量可以提高污水处理厂曝气池的水温，提高反应效率。厌氧消化后的混合污泥，脱水至约85％含水率，就近运往发电厂或水泥厂等进行焚烧处理。混合污泥上清液及压滤(污泥脱水)的滤液混合，投加氯化镁去除部分氮磷后，同时生成鸟粪石产品。之后的混合液返回污水厂的反硝化池作为补充的碳源，多余的返回污水厂的提升井。
47.实施例3
48.高含固市政污泥高效制备生物燃气新工艺，所处理污泥为市政污水处理厂的剩余污泥，经污泥浓缩后的污泥与脱水污泥混合，质量比为1:1。搅拌均匀后，混合污泥含固率为12％。
49.混合污泥热水解前使用杀菌剂进行处理，所用杀菌剂为二氯异氰尿酸钠。二氯异氰尿酸钠为白色粉末，具有很强的氧化性。所用剂量为50mg/g mlss，处理时间为4小时。杀菌后的污泥进入折流板反应器(折流板推流高温热水解反应器)进行高温热水解，使用蒸汽加热，在常压下，反应温度约为95℃，反应时间5小时。高温热水解反应器前端蒸汽量使用较多，后端较少，整体反应器温度不超过95℃，内部为缺氧状态。经热水解后的污泥进入折流板反应器(厌氧消化反应器)，为了充分利用热水解的热量，厌氧反应温度选为55
±
2℃。厌氧消化反应器内设机械搅拌器，20r/min，每2小时搅拌20分钟。在厌氧消化反应器前端进新泥时，接入其它厌氧反应器的高活性厌氧污泥为种泥，种泥用量为混合高含固污泥质量的
12％。厌氧消化反应器所产生物燃气，收集经脱硫后用于蒸汽锅炉作为燃气使用，蒸汽锅炉所产蒸汽用于给热水解使用，多余蒸汽再给厌氧消化使用。厌氧反应周期为20天，对溶解性cod的去除率为89％，污泥消化率达到78％，可减少污泥体积85％，产气率为330ml/g
‑
ts。
50.热水解产生的废气被风机抽入污水处理厂的曝气池进行生物法除臭，同时废气的热量可以提高污水处理厂曝气池的水温，提高反应效率。厌氧消化后的混合污泥，脱水至约83％含水率，就近运往发电厂或水泥厂等进行焚烧处理。混合污泥上清液及压滤(污泥脱水)的滤液混合，投加氯化镁去除部分氮磷后，同时生成鸟粪石产品。之后的混合液返回污水厂的反硝化池作为补充的碳源，多余的返回污水厂的提升井。
51.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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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。