[發明專利]一種基于雙膜系統同步脫水實現可調式高含固率的污泥厭氧消化-高干脫水工藝

在審

• 申請號: 201510901798.1
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN105366898A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 朱洪濤;趙京
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: C02F11/00
• 分類號: C02F11/00;C02F11/04;C02F11/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于污泥處理技術領域。

背景技術

近年來，隨著污水處理量的增加，剩余污泥的產量與日俱增，因此，對于剩余污泥的處理處置與資源回收成為研究的焦點。

污泥厭氧消化工藝可實現剩余污泥的穩定化，還可以可燃氣的形式回收能源，故在市政污泥處理處置中可發揮重要作用。然而，造成常規污泥厭氧消化工藝建成率低、運行率更低的原因主要包括兩方面：一是進料污泥含水率高，二是厭氧消化的產氣率低，造成厭氧消化設備體積大，整體投資大，且龐大的體系加熱保溫所需能耗高，厭氧消化的能量回收優勢不明顯，工藝經濟性不高。污泥產氣率受多方面因素的影響，其中一個重要的因素即為進料污泥的總固體含量(即含固率)。因此，進料污泥的含固率是與厭氧消化工藝整體投資以及運行經濟性均有關的重要參數。提高污泥含固率，所需反應器體積將大幅減少，維持反應溫度所需的能耗也相應減少，從而可節省固定資產投資和運行費用等。

但污泥的高含固率在預處理階段可能會產生一些不利的影響，同時，高含固率污泥在厭氧消化反應初期也會帶來一些問題：(1)反應基質濃度高，造成反應中間產物與能量在介質中傳遞、擴散困難，易形成反饋抑制；(2)水分含量低，影響細胞移動或酶擴散，增大啟動難度；(3)攪拌阻力大，能耗高。前兩個問題會導致反應時間延長，從而部分抵消污泥高含固率所帶來的反應器體積減少的優勢。另外，攪拌單元是厭氧消化過程中影響產氣率非常關鍵的一部分，同時也是耗能最多的步驟，其電耗占整個沼氣工程運行電耗50％左右，攪拌能耗的攀升也可能部分抵消高含固率污泥厭氧消化的工藝經濟性優勢。北京建筑工程學院曹秀琴等利用中試的研究結果證明，即使是含固率從8％升高到10％，要達到相同的混合效果，攪拌強度也需要大幅的增加。

專利NO.201010504997.6提出了一種對污泥進行機械預脫水的高濃度污泥厭氧消化處理工藝，縮減了污泥厭氧消化反應器的體積，提高了污泥的有機負荷，但是在厭氧反應的初期污泥含固率高達10％以上，對于厭氧反應的啟動是不利的，同時含固率的升高也使得攪拌耗能大大增加。

與反應啟動和初始進料階段相比，隨著高含固率污泥厭氧消化反應的進行，污泥的流變性能會改善，粘度會降低，從而使得攪拌能耗、傳質、能量傳遞等問題得到改善。因此，高含固率污泥在厭氧消化反應的中后期可能不會造成運行困難或攪拌能耗升高。由此可見，如何在厭氧消化反應器啟動及運行過程中實現含固率的合理調控(即在反應初期或進料階段控制含固率較低，以達到良好的攪拌/傳質性能，而在反應中后期或反應器末端污泥流變性能較好時提高含固率以實現高容積負荷和良好工藝經濟性)，是克服上述種種問題的關鍵。

調控含固率可通過將水力停留時間(HRT)與固體停留時間(SRT)分離來實現。對于厭氧消化反應來說，將HRT與SRT分開，會帶來有機物去除率提升等方面的優勢。傳統的污泥厭氧消化一般是在完全混合反應器(CSTR)中進行的，無法實現HRT和SRT的分開。專利NO.201010623418.X公開了一種分離并回流活性污泥的生物質高固體厭氧消化工藝，采用對厭氧消化系統出料污泥離心然后回流的方式實現了HRT與SRT的分離，但是離心消耗能量較大，而且回流的方式對于消化系統的有機負荷沖擊較大不利于穩定的厭氧消化反應的進行。

Meabe等使用超濾膜的厭氧膜-生物反應器可以使厭氧消化過程的HRT與SRT分開，但試驗結果顯示，這類反應器并不能實現真正意義上的高含固率污泥厭氧消化。在進料污泥含固率2％的情況下，2個月運行穩定后，高溫和中溫反應器內污泥含固率均僅維持在7％左右。污泥含固率再升高可能會導致壓力驅動的超濾膜膜污染進一步惡化。使用超濾膜的膜-污泥厭氧消化工藝穩定運行的通量低，能耗大，膜材料清洗或更換所帶來的運行成本相應的較高。

厭氧消化液對多孔膜的高污染性能是導致超濾膜工藝失敗的主要原因。與此相對，Holloway等利用正滲透(Forwardosmosis，FO)工藝對厭氧消化后污泥的脫水液進行濃縮時，正滲透膜(致密膜，非壓力驅動)的污染狀況要輕的多，且基本均為可逆污染。