一种基于双膜系统同步脱水实现可调式高含固率的污泥厌氧消化‑高干脱水工艺技术方案

本发明专利技术提供一种双膜系统同步脱水实现可调式高含固率的污泥厌氧消化‑高干脱水工艺。新工艺包括污泥厌氧消化反应单元、正渗透含固率调节单元、膜蒸馏汲取液浓缩单元和消化后污泥高干脱水单元。本工艺利用正渗透含固率调节单元在污泥厌氧消化的同时对其脱水，实现污泥消化反应过程中含固率可调，强化了污泥厌氧消化反应过程，有效解决了污泥含水率高含固率低，消化反应器体积大消化效率低等问题，在减小污泥体积的同时提高了厌氧消化效率。同时利用正渗透高干脱水工艺，可实现最终污泥的超级低能耗减量化。所有正渗透汲取液均通过膜蒸馏汲取液浓缩单元浓缩循环利用，并在此过程中充分利用了厌氧消化液的温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于污泥处理

技术介绍
近年来，随着污水处理量的增加，剩余污泥的产量与日倶增，因此，对于剩余污泥的处理处置与资源回收成为研究的焦点。污泥厌氧消化工艺可实现剩余污泥的稳定化，还可以可燃气的形式回收能源，故在市政污泥处理处置中可发挥重要作用。然而，造成常规污泥厌氧消化工艺建成率低、运行率更低的原因主要包括两方面:一是进料污泥含水率高，二是厌氧消化的产气率低，造成厌氧消化设备体积大，整体投资大，且庞大的体系加热保温所需能耗高，厌氧消化的能量回收优势不明显，工艺经济性不高。污泥产气率受多方面因素的影响，其中一个重要的因素即为进料污泥的总固体含量(即含固率)。因此，进料污泥的含固率是与厌氧消化工艺整体投资以及运行经济性均有关的重要参数。提高污泥含固率，所需反应器体积将大幅减少，维持反应温度所需的能耗也相应减少，从而可节省固定资产投资和运行费用等。但污泥的高含固率在预处理阶段可能会产生一些不利的影响，同时，高含固率污泥在厌氧消化反应初期也会带来一些问题:(1)反应基质浓度高，造成反应中间产物与能量在介质中传递、扩散困难，易形成反馈抑制；(2)水分含量低，影响细胞移动或酶扩散，增大启动难度；(3)搅拌阻力大，能耗高。前两个问题会导致反应时间延长，从而部分抵消污泥高含固率所带来的反应器体积减少的优势。另外，搅拌单元是厌氧消化过程中影响产气率非常关键的一部分，同时也是耗能最多的步骤，其电耗占整个沼气工程运行电耗50%左右，搅拌能耗的攀升也可能部分抵消高含固率污泥厌氧消化的工艺经济性优势。北京建筑工程学院曹秀琴等利用中试的研究结果证明，即使是含固率从8%升高到10%，要达到相同的混合效果，搅拌强度也需要大幅的增加。专利N0.201010504997.6提出了一种对污泥进行机械预脱水的高浓度污泥厌氧消化处理工艺，缩减了污泥厌氧消化反应器的体积，提高了污泥的有机负荷，但是在厌氧反应的初期污泥含固率高达10%以上，对于厌氧反应的启动是不利的，同时含固率的升高也使得搅拌耗能大大增加。与反应启动和初始进料阶段相比，随着高含固率污泥厌氧消化反应的进行，污泥的流变性能会改善，粘度会降低，从而使得搅拌能耗、传质、能量传递等问题得到改善。因此，高含固率污泥在厌氧消化反应的中后期可能不会造成运行困难或搅拌能耗升高。由此可见，如何在厌氧消化反应器启动及运行过程中实现含固率的合理调控(即在反应初期或进料阶段控制含固率较低，以达到良好的搅拌/传质性能，而在反应中后期或反应器末端污泥流变性能较好时提高含固率以实现高容积负荷和良好工艺经济性)，是克服上述种种冋题的关键。调控含固率可通过将水力停留时间(HRT)与固体停留时间(SRT)分离来实现。对于厌氧消化反应来说，将HRT与SRT分开，会带来有机物去除率提升等方面的优势。传统的污泥厌氧消化一般是在完全混合反应器(CSTR)中进行的，无法实现HRT和SRT的分开。专利N0.201010623418.X公开了一种分离并回流活性污泥的生物质高固体厌氧消化工艺，采用对厌氧消化系统出料污泥离心然后回流的方式实现了 HRT与SRT的分离，但是离心消耗能量较大，而且回流的方式对于消化系统的有机负荷冲击较大不利于稳定的厌氧消化反应的进行。Meabe等使用超滤膜的厌氧膜-生物反应器可以使厌氧消化过程的HRT与SRT分开，但试验结果显示，这类反应器并不能实现真正意义上的高含固率污泥厌氧消化。在进料污泥含固率2%的情况下，2个月运行稳定后，高温和中温反应器内污泥含固率均仅维持在7%左右。污泥含固率再升高可能会导致压力驱动的超滤膜膜污染进一步恶化。使用超滤膜的膜-污泥厌氧消化工艺稳定运行的通量低，能耗大，膜材料清洗或更换所带来的运行成本相应的较高。厌氧消化液对多孔膜的高污染性能是导致超滤膜工艺失败的主要原因。与此相对，Holloway等利用正渗透(Forward osmosis, F0)工艺对厌氧消化后污泥的脱水液进行浓缩时，正渗透膜(致密膜，非压力驱动)的污染状况要轻的多，且基本均为可逆污染。正渗透指在选择性透过膜两侧渗透压差的驱动下，水从渗透压较低一侧流向较高一侧的自然现象。F0工艺由F0膜单元和汲取液再生单元组成。在F0膜单元，具高渗透压的汲取液与待处理溶液在渗透膜两侧形成渗透压差，水从待处理溶液扩散过渗透膜后进入汲取液。稀释后的汲取液被输送到再浓缩单元，在这里汲取液与水分离，浓缩后的汲取液重新循环回到F0单元。虽然早在近40年前即有F0应用于工业废水的浓缩，但限于正向渗透膜材料的性能、以及汲取液再生的效率利能耗等问题，直到2005年以后才逐渐成为脱盐、污水处理等方面的研究热点。截止2015年，随着膜材料的进步，研究者已经开展了 F0工艺在多种领域应用的可行性研究。膜蒸馈(Membrane distillat1n,MD)是目前新兴膜分离技术中的一种，是利用疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差作为传质推动力的一种膜分离的过程。其原理为，当温度较高的原水溶液流过微孔疏水膜的一边时，因为膜具有疏水性能，原水溶液是不能通过膜孔的，但是因为温度高的热流体侧的原水溶液和膜的界面上的水蒸汽压比另一边高，水蒸汽可以通过膜孔从一边进到另外一边，进而可以被冷侧流体进行冷凝，这样就完成了对原水的浓缩同时也得到了纯净的水。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于双膜系统同步脱水实现可调式高含固率的污泥厌氧消化-高干脱水工艺的装置及方法，本专利技术的双膜系统主要包括正渗透含固率调节单元和膜蒸馏汲取液浓缩单元。浓缩后的剩余污泥经预处理后进入正渗透厌氧消化反应器，在反应过程中通过F0-MD组合技术将部分水分从反应体系内除去，浓缩脱水后的消化污泥进入下一步消化后污泥高干脱水单元，被稀释的汲取液在膜蒸馏汲取液浓缩单元进行浓缩后重新输送到正渗透含固率调节单元或者消化后污泥高干脱水单元。本专利技术的装置是正渗透耦合膜蒸馏的污泥厌氧消化装置，主要包括污泥厌氧消化反应单元、正渗透含固率调节单元、膜蒸馏汲取液浓缩单元和消化后污泥高干脱水单元。污泥厌氧消化反应单元与正渗透含固率调节单元通过正渗透膜组成正渗透厌氧消化反应器。前者与消化后污泥高干脱水单元通过阀门与管路相连。正渗透含固率调节单元、消化后污泥高干脱水单元与膜蒸馏汲取液浓缩单元通过阀门与管路相连。整个系统含有如下部件:原污泥池1:用于储存剩余污泥并对其进行预浓缩；正渗透厌氧消化反应器2:用于污泥的厌氧反应并同步脱水；膜蒸馏组件3:用于对正渗透汲取液的浓缩；膜蒸馏驱动液恒温循环槽4:用于储存膜蒸馏过程中产生的清水；高干脱水正渗透反应器5:用于对厌氧消化后的污泥进行进一步脱水；原污泥栗6:用于将原污泥栗入正渗透污泥厌氧反应器2的污泥池；正渗透汲取液循环栗7:用于将被稀释的汲取液栗入膜蒸馏组件进行浓缩；膜蒸馏驱动液循环栗8:用于将膜蒸馏的驱动液栗入清水池；高干脱水汲取液循环栗9:用于将被稀释的汲取液栗入膜蒸馏组件进行浓缩；气体收集装置10:用于收集厌氧消化反应产生的气体。本专利技术的方法为，是一种利用双膜系统同步脱水实现可调式高含固率的污泥厌氧消化-高干脱水的方法，主要步骤和工作原理为: (1)污水处理厂的剩余污泥10排放进入原污泥池1中进行预浓缩达到一定含固率后，再通过原污泥栗6栗入正渗透厌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双膜系统同步脱水实现可调式高含固率的污泥厌氧消化‑高干脱水工艺主要包括污泥厌氧消化反应单元、正渗透含固率调节单元、膜蒸馏汲取液浓缩单元和消化后污泥高干脱水单元。所述污泥厌氧消化反应单元包括：原污泥池、原污泥泵、正渗透厌氧消化反应器污泥池和搅拌/温控等部件；原污泥池、原污泥泵和正渗透厌氧消化反应器污泥池的进料口通过管路与阀门相连；所述正渗透含固率调节单元包括：正渗透厌氧消化反应器汲取液池、正渗透膜组件、正渗透汲取液循环泵以及流量监测控制部件；正渗透厌氧消化反应器汲取液池出口、正渗透汲取液循环泵和膜蒸馏热侧进口通过管路和阀门相连；所述膜蒸馏汲取液浓缩单元包括：膜蒸馏组件，膜蒸馏驱动液循环泵、膜蒸馏驱动液恒温循环槽以及温度和流量监测控制组件；膜蒸馏组件热侧出口与正渗透厌氧消化反应器汲取液池进口通过阀门与管路相连；膜蒸馏组件冷侧出口和膜蒸馏驱动液恒温循环槽通过管路和阀门相连；所述消化后污泥高干脱水单元包括：高干脱水正渗透反应器和高干脱水汲取液循环泵组件；正渗透厌氧消化反应器污泥池的出口与高干脱水正渗透反应器的进料口通过管路与阀门相连，高干脱水正渗透反应器汲取液池的出口与膜蒸馏热侧进口通过阀门与管路相连；正渗透汲取液循环泵与膜蒸馏组件热侧进口通过阀门与管路相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱洪涛，赵京，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11