專利名稱：一種城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬固廢資源化領域，具體涉及一種城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法。
背景技術(shù)：
城市污水處理廠因凈化生活污水而產(chǎn)生的脫水污泥量巨大，目前全年的可收集量 在2600萬噸左右，污水處理廠對污泥的處理與處置多采用濃縮脫水后進行土地填埋的方 法，不僅占用有限的土地資源，而且易造成二次污染。另外，填埋的資源利用率較低，不符合 我國可持續(xù)發(fā)展的原則。近年來，全球能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷以礦物能源為主向多種能源并存的 方向的轉(zhuǎn)變，糧食安全和環(huán)境惡化等問題也日益突出，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)回收污泥中的非 糧生物質(zhì)能源——沼氣逐漸得到重視。根據(jù)反應器中物料的固體含量(TS)，厭氧發(fā)酵技術(shù)可分為濕式發(fā)酵(TSS 12%)和 干式發(fā)酵(TS ^ 20 %)兩種。濕式發(fā)酵技術(shù)在市政污泥(TS為2%左右)消化產(chǎn)沼、禽畜糞 便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼和有機垃圾厭氧產(chǎn)沼等方面已經(jīng)得到應用，各方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。 與濕法發(fā)酵工藝相比，干法發(fā)酵工藝具有如下優(yōu)點(1)負荷大，容積產(chǎn)能高，設備體積大 大減??；(2)需水量低或不需水，節(jié)約水資源；(3)產(chǎn)生沼液少，廢渣含水量低，后續(xù)處理費 用低；(4)運行過程穩(wěn)定，無濕法工藝中的浮渣、沉淀等問題；(5)臭氣排放少等。目前，在干法發(fā)酵方面，歐洲各國已開展針對含水率較低的生活垃圾進行厭氧 發(fā)酵技術(shù)和設備的開發(fā)工作。我國在干法發(fā)酵技術(shù)方面的研究工作開展較少，也缺乏 系統(tǒng)性。相關(guān)干法發(fā)酵方法主要針對農(nóng)用秸稈(CN101338273、CN101338325)、有機垃圾 (CN101381674A)，以及垃圾和污泥混合物料(CN101172746A)，關(guān)于以脫水污泥進行干法發(fā) 酵的方法，國內(nèi)外均未見報道。與垃圾等非粘性有機物料進行干法發(fā)酵相比，污泥干法發(fā)酵的難點在于(1)反 應基質(zhì)粘度大、TS濃度高，物料為塑性、非流動狀態(tài)，造成反應中間產(chǎn)物與能量在介質(zhì)中傳 遞、擴散困難，易形成反饋抑制；(2)發(fā)酵物料含水率低、呈非顆粒狀存在，發(fā)酵過程產(chǎn)生沼 氣不易溢出。上述難點也是污泥干法發(fā)酵方法及設備亟待解決的問題。關(guān)于干法發(fā)酵的現(xiàn) 有方法，由于未針對脫水污泥的物料特點，不適于污泥干法發(fā)酵過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服城市污泥干法發(fā)酵過程中由于粘性大、無流動性、無空隙 率等特點造成的傳質(zhì)困難，以及氣體不易溢出等困難，提供一種城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn) 沼氣的方法。本發(fā)明提出的城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，具體步驟如下
(1)生物預干化
將脫水污泥在好氧條件下堆置2 3天作為預處理，以降低物料粘度和含水率，含水率 降低10-20%，并使物料溫度升高；
(2)物料接種將生物預干化后的污泥放入產(chǎn)酸階段發(fā)酵罐，若初次發(fā)酵，加入物料自身體積2(Γ30% 的厭氧顆粒污泥進行接種，否則可加入其他批次發(fā)酵結(jié)束后剩余沼渣進行接種，接種物料 體積為發(fā)酵物料體積的2(Γ30% ；接種物料與發(fā)酵物料混合后進行靜態(tài)啟動，啟動時間6-8 天；
(3)產(chǎn)酸發(fā)酵
接種階段結(jié)束后，在兼氧或厭氧條件下進行產(chǎn)酸階段發(fā)酵，保持氧濃度<2% ；并采用螺 帶式或錨式攪拌方式進行攪拌，控制物料的PH值，使產(chǎn)酸階段中間產(chǎn)物與能量在物料中充 分傳遞、擴散；產(chǎn)酸階段時間控制在15 20天；
其中，發(fā)酵過程須按時監(jiān)測物料ΡΗ，當ρΗ急劇下滑時，可采用生石灰或熟石灰調(diào)節(jié)物 MpH;
(4)產(chǎn)甲烷發(fā)酵
將產(chǎn)酸階段結(jié)束后的物料放入產(chǎn)甲烷階段發(fā)酵罐，在厭氧條件下進行產(chǎn)甲烷階段發(fā) 酵；并采用擠壓式攪拌方式進行攪拌，使發(fā)酵物料和產(chǎn)物進行充分微觀混合，并使發(fā)酵過程 中物料內(nèi)部的氣體充分溢出；在產(chǎn)甲烷階段保持反應器內(nèi)物料溫度為35士 1°C;在產(chǎn)甲烷階 段對物料進行PH調(diào)節(jié)，使物料ρΗ值為6. 6^7. 5 ；
(5)沼渣回收
將產(chǎn)甲烷階段結(jié)束后的沼渣一部分作為下一批發(fā)酵污泥的接種物料，將剩余物料進行 好氧堆肥穩(wěn)定化，穩(wěn)定化物料可進入污泥堆肥工藝進行有機肥加工。本發(fā)明中，步驟(1)中預處理所述堆置可采用自然通風堆置，或在特定反應器中 通過控制供氧來實現(xiàn)。本發(fā)明中，步驟(2)中接種前可以添加碳源物質(zhì)，如秸稈、木屑、小分子糖、有機酸 或醇等物質(zhì))調(diào)節(jié)物料C/N比。本發(fā)明中，步驟(3)中采用生石灰或熟石灰調(diào)節(jié)物料ρΗ值。本發(fā)明中，步驟(5)中發(fā)酵結(jié)束后沼渣的1/3作為接種物料回流至接種階段；剩余 2/3物料進行好氧堆肥，控制堆體內(nèi)氧濃度大于8%，1(Γ15天后可達到腐熟。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.采用干法工藝處理城市污泥，使發(fā)酵物料TS由2%提高到20%以上，相比目前濕法 發(fā)酵處理城市污泥的工藝，可使反應器容積減少90%，節(jié)省物料加熱能耗、設備投資和土地 占用；
2.采用生物預干化方法進行物料預處理，降低物料粘度，有利于發(fā)酵過程充分傳質(zhì)；
3.預處理和產(chǎn)酸階段不需外援加熱，節(jié)省能耗；
4.產(chǎn)甲烷階段采用擠壓式攪拌，利于微觀混合和產(chǎn)氣溢出；
5.沼渣回流及好氧穩(wěn)定化，實現(xiàn)生物質(zhì)能源和資源的高效回收利用。
具體實施例方式下面通 過實施例進一步說明本發(fā)明。 實施例1
取污水廠A脫水污泥300L，將脫水污泥放在生物預干化裝置中，堆高lm，環(huán)境溫度 35°C，供風量為2m3空氣/h，采用間歇供風方式，開2小時，停1小時；堆肥2天后，檢測其TS含量為26%、有機質(zhì)含量為48%，C/N比值為9. 8 ；將物料導入產(chǎn)酸階段發(fā)酵罐；將200L取自UASB反應器的厭氧顆粒污泥進行初步固液分離，濾去上清液，將顆粒污泥加入物料中，混合 均勻后進行厭氧或兼氧靜態(tài)啟動；啟動7天后，開啟單頭雙層螺帶式攪拌，轉(zhuǎn)速為lOr/min， 按開30min/停2h間歇運轉(zhuǎn)，每12h監(jiān)測物料pH，并添加生石灰調(diào)節(jié)pH為5. 0 6. 5 ；產(chǎn)酸階 段需每天檢測沼氣組成，甲烷氣體含量達到20%時將物料導入產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中，啟動擠壓 式攪拌，并保證產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中的絕對厭氧條件；控制物料溫度為35士 1°C，每24h監(jiān)測物 料PH，并調(diào)節(jié)pH為6. 6^7. 5 ；每24h監(jiān)測產(chǎn)氣中甲烷氣體含量，當累積產(chǎn)氣量增長緩慢、氣 體中甲烷含量低于40%時，可認為發(fā)酵結(jié)束；發(fā)酵結(jié)束后剩余沼渣的1/3可作為接種物料進 行回流，剩余物料導入好氧堆肥裝置中進行好氧堆肥穩(wěn)定化。
實施例2:
取污水廠B脫水污泥300L，用造粒機進行造粒，使污泥顆粒粒徑< 20mm ；將造粒后污泥 放在堆肥裝置中，堆高lm，環(huán)境溫度22°C，供風量為3m3空氣/h，采用間歇供風方式，開2小 時，停1小時；堆肥3天后，檢測其TS含量為24%、有機質(zhì)含量為52%，C/N比值為11. 5 ；將物 料導入產(chǎn)酸階段發(fā)酵罐，添加80kg粉碎后的秸稈粉末；將200L發(fā)酵沼渣加入物料中，混合 均勻后進行厭氧或兼氧靜態(tài)啟動；啟動7天后，開啟單頭雙層螺帶式攪拌，轉(zhuǎn)速為lOr/min， 按開30min/停2h間歇運轉(zhuǎn)，每12h監(jiān)測物料pH，并添加生石灰調(diào)節(jié)pH為5. 0 6. 5 ；產(chǎn)酸階 段需每天檢測沼氣組成，甲烷氣體含量達到20%時將物料導入產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中，啟動擠壓 式攪拌，并保證產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中的絕對厭氧條件；控制物料溫度為35士 1°C，每24h監(jiān)測物 料PH，并調(diào)節(jié)pH為6. 6^7. 5 ；每24h監(jiān)測產(chǎn)氣中甲烷氣體含量，當累積產(chǎn)氣量增長緩慢、氣 體中甲烷含量低于40%時，可認為發(fā)酵結(jié)束；發(fā)酵結(jié)束后剩余沼渣的1/3可作為接種物料進 行回流，剩余物料導入好氧堆肥裝置中進行好氧堆肥穩(wěn)定化。
權(quán)利要求
一種城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于具體步驟如下(1)生物預干化將脫水污泥在好氧條件下堆置2 3天作為預處理，以降低物料粘度和含水率，含水率降低10 20%，并使物料溫度升高；(2)物料接種將生物預干化后的污泥放入產(chǎn)酸階段發(fā)酵罐，若初次發(fā)酵，加入物料自身體積20~30%的厭氧顆粒污泥進行接種，否則可加入其他批次發(fā)酵結(jié)束后剩余沼渣進行接種，接種物料體積為發(fā)酵物料體積的20 30%；接種物料與發(fā)酵物料混合后進行靜態(tài)啟動，啟動時間6 8天；(3)產(chǎn)酸發(fā)酵接種階段結(jié)束后，在兼氧或厭氧條件下進行產(chǎn)酸階段發(fā)酵，保持氧濃度<2%；并采用螺帶式或錨式攪拌方式進行攪拌，控制物料的pH值，使產(chǎn)酸階段中間產(chǎn)物與能量在物料中充分傳遞、擴散；產(chǎn)酸階段時間控制在15 20天；其中，發(fā)酵過程須按時監(jiān)測物料pH，當pH急劇下滑時，可采用生石灰或熟石灰調(diào)節(jié)物料pH； (4)產(chǎn)甲烷發(fā)酵將產(chǎn)酸階段結(jié)束后的物料放入產(chǎn)甲烷階段發(fā)酵罐，在厭氧條件下進行產(chǎn)甲烷階段發(fā)酵；并采用擠壓式攪拌方式進行攪拌，使發(fā)酵物料和產(chǎn)物進行充分微觀混合，并使發(fā)酵過程中物料內(nèi)部的氣體充分溢出；在產(chǎn)甲烷階段保持反應器內(nèi)物料溫度為35±1℃；在產(chǎn)甲烷階段對物料進行pH調(diào)節(jié)，使物料pH值為6.6 7.5；(5)沼渣回收將產(chǎn)甲烷階段結(jié)束后的沼渣一部分作為下一批發(fā)酵污泥的接種物料，將剩余物料進行好氧堆肥穩(wěn)定化，穩(wěn)定化物料可進入污泥堆肥工藝進行有機肥加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于步驟(1) 中預處理所述堆置采用自然通風堆置，或在特定反應器中通過控制供氧來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于步驟(2) 中接種前添加碳源物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于步驟(3) 中采用生石灰或熟石灰調(diào)節(jié)物料PH值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于步驟(5) 中發(fā)酵結(jié)束后沼渣的1/3作為接種物料回流至接種階段；剩余2/3物料進行好氧堆肥，控制 堆體內(nèi)氧濃度大于8%，10-15天后可達到腐熟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市污泥干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，屬固廢資源化領域，可解決由脫水污泥粘性大、無流動性、無空隙等造成的傳質(zhì)困難、氣體不易溢出等困難。步驟為將脫水污泥進行生物預干化，在有氧環(huán)境下堆置2~3天；將生物預干化處理后的物料加入?yún)捬躅w粒污泥或沼渣進行接種，靜態(tài)啟動6-8天；將物料在兼氧或厭氧條件下進行產(chǎn)酸發(fā)酵，采用螺帶式或錨式攪拌，必要時調(diào)節(jié)pH；將產(chǎn)酸后物料在厭氧條件下進行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，采用擠壓式攪拌，保持物料溫度為35±1℃，保持pH6.6~7.5；將沼渣部分回流接種，其余進行好氧堆肥穩(wěn)定化。本發(fā)明可用于城市污泥的資源化處理和生物質(zhì)能源回收，相比濕式發(fā)酵，可節(jié)省設備投資和土地占用。
文檔編號C02F11/04GK101935139SQ20101028889
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者戴曉虎, 段妮娜, 董濱 申請人:同濟大學