[发明专利]污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统

说明书

技术领域

本发明属于污泥处理技术领域，特别涉及污泥热水解和厌氧消化集成处理工艺系统。

背景技术

污泥是污水处理过程中的副产物，具有含水率高、颗粒较细、比重较轻等特点，其中含有大量有机质、氮磷、病原微生物、寄生虫卵及病毒、重金属离子等物质。污泥中有机物易腐烂并产生恶臭，容易孽生蚊蝇；氮、磷等营养物质在雨水的冲刷下会流入地表或者地下水体，造成水体污染；未处理或处理不达标的污泥用作农肥或填埋时，病原菌及寄生虫等进入土壤，并直接或间接的与人或动物接触，危害人体和牲畜健康；重金属离子和难降解的有毒有害物质容易渗滤出来或挥发，造成水体、土壤和空气的二次污染。

污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、无害化、稳定化和资源化。城市污泥含水率普遍较高，一般在95％以上，导致污泥体积很大，不利于存储和运输等，因此减量化十分重要，通过浓缩、脱水等方式可以降低污泥含水率，有效减少污泥体积，便于运输和消化，降低污泥处理处置的费用；污泥中含有大量有害物质，通过处理，降解污泥中的有机物，去除重金属，抑制或者杀死病原菌等，最终处置后污泥性质稳定、卫生安全，不再进一步分解，从而避免产生二次污染；污泥中含有丰富的氮、磷等植物所需的肥分、土壤改良剂及微量元素等，同时污泥中的有机物质，是潜在的可再生能源物质，通过厌氧消化可以转化为清洁能源——沼气。因此，若能将污泥进行妥善处理并合理利用，将会达到变废为宝、综合利用、保护环境的目的。

污泥的大部分有机物以固体形式存在，主要集中在微生物细胞内，由于微生物细胞壁(膜)的天然屏障作用，水解酶对有机物的水解速率很低，因此水解是污泥厌氧生化降解的控制步骤。水解速率缓慢致使厌氧消化水力停留时间很长，反应器体积太大。近百年来，污泥厌氧消化技术不断成熟，工艺流程逐步完善，然而，污泥水解速率低的性质从根本上束缚了厌氧消化潜力的进一步挖掘。因此，要提高污泥厌氧消化效率，必须提高复杂有机物的水解速率。为解决这个问题，人们开始研究能够有效破碎污泥絮体和细胞结构的物理化学预处理技术，通过这些预处理技术提高复杂有机物的水解速率，改善污泥的性质，进而提高后续厌氧消化效率和沼气产量,实现污泥的减量化和资源化，因此越来越受到世界各国的重视。目前研究较多的污泥预处理技术有热水解预处理、机械破碎预处理、碱处理、超声波预处理、臭氧预处理、酶处理、微波预处理等。在二十世纪八十年代以前，热水解主要用于改善污泥的脱水性能；八十年代起，热水解用于提高污泥的厌氧消化性能；九十年代后，热水解用于获取反硝化所需的碳源和基于隐性生长的污泥减量。随着热水解技术的不断成熟和发展，现在热水解已经发展成一种高效的污泥预处理技术。

热水解是将待处理的污泥置于密闭容器罐中，在一定的温度和压力环境下使污泥中的部分细胞体受热膨胀而破裂，破坏微生物的细胞壁(膜)，将胞内蛋白质和胶质等有机物释放出来，促进有机物的溶解和水解：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，甚至单糖；蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。污泥经过热水解预处理之后，污泥中的微生物絮体解体，微生物细胞破碎，细胞中的内含物释放并进一步水解，使得污泥厌氧消化的有机物去除率提高，甲烷产量增加，污泥的脱水性能改善。

污泥热水解过程包括固体物质的溶解和有机物的水解。具体可以细分为以下4个过程：污泥絮体结构的解体、污泥细胞破碎和有机物的释放、有机物的水解和有机物发生梅拉德反应。(1)污泥絮体结构解体：污泥受热后，其絮体和表面的胞外聚合物结构中的氢键被破坏，导致絮体结构解体，有机物溶解并转移到液相中，同时絮体结构中的间隙水被释放出来，成为游离水。(2)污泥细胞破碎和有机物释放：随着温度和压力的升高，污泥中微生物的细胞结构被破坏，进而细胞破碎，胞内的蛋白质、碳水化合物和脂类等有机化合物被释放出来，并转化为溶解性物质。(3)有机物水解：从污泥絮体中和细胞内溶解出来的有机物，在热水解过程中发生水解，生成溶解性中间产物：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，甚至单糖；蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳。(4)梅拉德反应：是氨基化合物和羰基化合物之间的缩合反应，生成一种难以生化降解的中间产物(类黑色素)，当热水解温度超过190℃时，梅拉德反应开始出现，温度越高反应越剧烈。类黑色素的产生在一定程度上削弱了热水解的处理效果，导致污泥消化性能下降。