申请日2014.04.23
公开(公告)日2015.01.28
IPC分类号C02F3/34; C02F11/12
摘要
本发明提供了一种用于使用通过混合污泥与高浓度有机废水引起的生物蒸发对高浓度有机废水进行处理的方法。污泥是经生物干燥的污泥，其通过包括以下步骤的方法来制备：制备由经带压的污泥和经干燥的污泥组成的污泥混合物;和收集最后在室温稳定的污泥混合物。高浓度有机废水包含被粉碎为直径小于1mm的细颗粒的食品废弃物。污泥中包含的微生物分解有机物质，产生蒸发水的代谢热。在这种情况下，微生物的代谢为需氧代谢。
权利要求书
1.一种用于通过生物蒸发对高浓度有机废水进行零排放处理的方法， 其中通过混合污泥与高浓度有机废水来进行所述处理。
2.权利要求1所述的方法，其中所述污泥为经生物干燥的污泥。
3.权利要求2所述的方法，其中所述经生物干燥的污泥具有55重量% 至70重量%的含水量。
4.权利要求2所述的方法，其中通过包括以下步骤的方法制备所述经 生物干燥的污泥：
制备由经带压的污泥和经干燥的污泥组成的污泥混合物;和
当污泥混合物的温度稳定至室温时，收集所述污泥混合物。
5.权利要求4所述的方法，其中所述污泥混合物具有55重量%至70重 量%的含水量。
6.权利要求1所述的方法，其中所述高浓度有机废水具有120g/L或更高 的挥发性固体浓度。
7.权利要求1所述的方法，其中所述高浓度有机废水是包含食品废弃物 的废水。
8.权利要求7所述的方法，其中所述食品废弃物是具有1mm或更小的直 径的经粉碎的小颗粒的形式。
9.权利要求1所述的方法，其中通过以下步骤进行所述处理：利用所 述污泥中包含的微生物通过代谢来分解挥发性固体，然后通过由分解所述 挥发性固体产生的代谢热使水蒸发。
10.权利要求9所述的方法，其中所述污泥是污水污泥，所述微生物是 所述污水污泥中存在的那些微生物。
11.权利要求9所述的方法，其中所述代谢是需氧代谢。
12.权利要求1所述的方法，其中在反应器内进行所述处理。
13.权利要求12所述的方法，其中通过绝热材料使所述反应器与外部 绝热。
14.权利要求12所述的方法，其中向所述反应器供给空气。
15.权利要求14所述的方法，其中除去所述空气的水分。
16.权利要求14所述的方法，其中以0.03m3/kgTS·小时至0.2m3/kgTS·小 时的速率供给所述空气。
17.权利要求1所述的方法，其中在搅拌所述污泥与高浓度有机废水的 混合物时进行所述处理。
18.权利要求1所述的方法，其中进行所述处理，直到所述污泥与高浓 度有机废水的混合物的温度在因代谢热而升高后回到室温而变得稳定。
说明书
用于利用生物蒸发对高浓度有机废水进行零排放处理的方法
技术领域
本发明一般涉及一种用于通过生物蒸发对高浓度有机废水进行零排放 处理的方法，更具体地，涉及一种用于通过混合污泥与高浓度有机废水凭 借生物蒸发对高浓度有机污水进行零排放处理的方法。
背景技术
如本领域中众所周知的，从食品、皮革、化学品和造纸工业排放的废 水一般包含高浓度有机物质。高浓度有机废水通常通过产生黏液、增加排 水区域中有毒物质的浓度而由此严重影响当地的水生生态系统来破坏环境 的美好。此外，高浓度有机废水是堵塞废水管道的主要原因之一。
常规的活性污泥处理方法简单且成本效益好，因此已经被广泛用于处 理各种类型的废水。然而，活性污泥处理方法具有以下缺点：其处理限于 低浓度有机废水，即使使用恰当改造的微生物也是如此。相应地，厌氧生 物学处理如厌氧消化已经被广泛地用于处理高浓度有机废水。然而，厌氧 消化还有以下缺点：该方法需要至少8至12周的启动时间，产甲烷菌易受 各种毒性物质伤害，在厌氧消化过程中通常存在控制问题等。另外，厌氧 消化产生厌氧污泥和废水，而由于高含量的生化需氧量(BOD)、悬浮固体 (SS)、总氮(TN)、总磷(TP)和其中包含的其他经还原的物质，该废水 需要另外的处理。
已知一种改善的厌氧处理如升流式厌氧污泥床(UASB)对处理具有高 BOD的废水有效。然而，该方法还具有以下缺点：在有限水解作用条件下 的高固体含量延迟污泥形成，因此严重地抑制了微生物代谢。
由于在有机物质的需氧分解期间产生的热量，自热式高温好氧消化 (ATAD)工艺可以维持50℃至60℃的高温。由于高温，ATAD工艺可以 使挥发性固体(下文中称为“VS”)的含量减少35%至45%，并且还在3至 6天的短期水力停留时间(HRT)内降低废水的BOD。另外，因为ATAD 工艺使得能够通过高温进行巴氏杀菌，所以其可以产生等级A的生物固体。 然而，ATAD工艺具有缺点，如与用于脱水污泥的聚合物和曝气有关的供电 所需要的高费用。
膜分离工艺如反渗透、超滤和微过滤根据膜的孔径将水与污染物分离， 而经浓缩的废水会作为副产物留下。然而，高浓度废水需要大量的能量用 于执行工艺，因此，难以通过膜分离工艺获得洁净的水。
为了解决上述问题，可以蒸发废水代替获得清洁水。如果可以用最少 的能量消耗除去废水中存在的水和有机物质，则该方法会是处理废水而不 产生排放的最理想途径。
本文中所使用的术语“蒸发”指的是将水从液体转变成气体的过程。另 外，本文中所使用的术语“蒸发热”指的是在物质从液体到气体的转变期间， 每单位质量的物质的热吸收量。水蒸发的热量受大气压力下水表面的水分 子扩散以及水表面的水分子对流传输影响。水蒸汽的扩散速率是由水的饱 和蒸汽压与水的实际蒸汽压之差确定的。此外，水的饱和蒸汽压是根据水 表面的温度和大气温度确定的。
本文中所使用的术语“热力干燥”指的是通过连续地向湿的废弃物提供 用燃料产生的热来从湿的废弃物中蒸发水的方法。热力干燥是用于处理湿 的废弃物的常用方法之一。在此，湿的废弃物被干燥，直至它们达到预定 的含水量(MC)。因为关于燃料消耗的经济不可行性，所以实际上不可能 蒸发湿的废弃物中包含的所有水分。然而，在不需要消耗昂贵燃料的热供 应的情况下，热力干燥可以用作用于处理废水的方法之一。
本文中所使用的术语“代谢热”指的是在微生物代谢期间所产生的热，其 中用于给定微生物的培养条件中底物的浓度越高，其产生的代谢热的量越 大。在需氧代谢与厌氧代谢之间所产生能量的量之间存在区别。在厌氧代 谢中，每摩尔葡萄糖产生2摩尔ATP，而在需氧代谢中每摩尔葡萄糖产生38 摩尔ATP。相应地，通过需氧代谢的给定微生物的耗氧量越大，微生物的活 性和产热率越高。
在微生物生长期间所产生的代谢热可以通过底物和细胞物质的燃烧热 来计算。这是因为底物的燃烧热与由微生物产生的代谢热和由细胞物质新 合成的燃烧热的总量相同。如果维持代谢存在而没有新的合成，则底物的 燃烧热可以以代谢热的形式被100%释放。
在进行堆肥和生物干燥的过程中，由生物可降解的挥发性固体(下文 中称为“BVS”)的生物氧化所产生的热会升高环境温度，并引起水蒸发。另 外，在ATAD工艺中，已知代谢热为能够将反应器维持在高温下的因素之一。 此外，在堆肥过程期间观察到的温度升高也是由有机物质通过微生物分解 期间所产生的代谢热引起的。将在联合堆肥过程期间所产生的废水与肥料 混合以控制含水量并提供生物可降解的有机物质。进行该过程主要为了稳 定固体废弃物而不是蒸发废水。
发明内容
相应地，本发明是在考虑到现有技术中存在的上述问题的情况下做出 的，并且本发明的一个目的是提供一种用于对高浓度有机废水进行零排放 处理的方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于通过生物蒸发对高浓度有机废水 进行零排放处理的方法。
本发明的又一个目的是提供用于通过生物蒸发对高浓度有机废水进行 零排放处理的方法，其中所述生物蒸发是由混合污泥与高浓度有机废水引 起的。
本发明的再一个目的是提供用于通过由混合经生物干燥的污泥与高浓 度有机废水引起的生物蒸发对高浓度有机污水进行零排放处理的方法。
为了实现以上目的，本发明的发明人继续努力寻找用于将利用微生物 的代谢热的热力干燥应用至废水处理同时解决上述处理高浓度有机废水中 的问题的方法，最终成功开发了“一种用于通过生物蒸发对高浓度有机废水 进行零排放处理的方法”并完成了本发明，其中所述生物蒸发利用废水中包 含的BVS分解期间所产生的微生物的代谢热。
本发明提供一种用于通过生物蒸发对高浓度有机废水进行零排放处理 的方法，其中通过混合污泥与高浓度有机废水来处理所述废水。
本文中所使用的术语“污泥”指的是作为水底的沉淀物收集的水中的漂 浮物质，并且作为污水和工业废水的副产物大量地产生。污泥一般通过废 水处理期间的固液分离产生。然而，当例如在活性污泥处理中一样处理包 含有机物质的废水时，所述污泥会包含在处理有机物质时产生的微生物。
本文中所使用的术语“经干燥的污泥”指的是已经被干燥的污泥。本文中 所使用的术语“经生物干燥的污泥”指的是通过由污泥中包含的微生物对有 机物质进行需氧分解期间产生的热来干燥的污泥。
由于污泥中包含的各种微生物，在将污泥与高浓度有机废水混合时， 污泥中包含的微生物被活化并分解有机废水中包含的BVS，同时在分解过 程期间释放代谢热。这样，污泥主要提供分解有机废水的微生物。
污泥优选是经生物干燥的污泥。在生物蒸发过程中，当有机废水浓度 增加时代谢热产生的量也增加。相应地，应该使通过混合所产生有机废水 与污泥引起的所产生有机废水的浓度降低最小化。含水量比未经干燥的污 泥低的经生物干燥的污泥可以在其与有机废水混合时使混合的有机废水的 浓度降低最小化。另外，当添加水时，经生物干燥的污泥中的微生物与经 干燥的污泥中的微生物相比可以更快地活化。优选地，经生物干燥的污泥 应当具有55重量%至70重量%的含水量。当含水量高于70重量%时，其会进 一步降低由经生物干燥的污泥和高浓度有机废水组成的混合物的浓度，并 且在递送用于高浓度有机废水的有氧氧化的氧方面会是不利的。相反地， 当含水量低于55重量%时，微生物的活化延迟，这是不期望的。
优选地，可以通过包括以下步骤的方法制备经生物干燥的污泥：制备 由经带压的污泥和经干燥的污泥组成的污泥混合物，然后供给空气;和当 污泥混合物的温度通过回到室温而变得稳定时，收集污泥混合物。当制备 经带压的污泥和经干燥的污泥的混合物然后供给空气时，随着BVS分解， 污泥床的温度从约73℃升高至75℃，然后回到室温。
当BVS分解几乎完成时，污泥中的水开始部分地蒸发，这表明污泥温 度的稳定。一旦最后稳定至室温，收集混合的污泥并将其用作经生物干燥 的污泥。优选地，经带压的污泥和经干燥的污泥的混合物应当具有55重量% 至70重量%的含水量。优选地，高浓度有机废水的浓度应当为120g/L或更高。 这是因为当高浓度有机废水的浓度为120g/L或更高时，有机废水中包含的所 有水可以通过由其中包含的微生物产生的代谢热蒸发。
高浓度有机废水可以是包含食品废弃物的废水。然而，经浓缩的有机 废水可以不必包含食品废弃物，而且可以包含任何有机废弃物，如污水、 农业废弃物、家畜废弃物、工业废弃物等。
优选地，食品废弃物可以是具有1mm或更小的直径的经粉碎的小颗粒 形式。当高浓度有机废水中包含的食品废弃物被粉碎成小颗粒时，食品废 弃物与其中包含的微生物接触的表面积增加，由此加速微生物的代谢速率 和食品废弃物的消耗。当经粉碎的食品废弃物的颗粒的尺寸变得更小时， 微生物的代谢速率变得更快，但是将食品废弃物粉碎成更小颗粒需要多得 多的能量。
通过以下步骤进行处理：利用污泥中包含的微生物通过代谢分解VS， 然后是通过由有机物质分解产生的代谢热引起的水蒸发。污泥中包含的微 生物使高浓度有机废水中包含的VS代谢。在此，代谢产生代谢热，所述代 谢热用于蒸发有机废水中包含的水。
在微生物生长期间所产生的代谢热可以通过底物和细胞物质的燃烧热 来计算。这是因为底物的燃烧热与由微生物产生的代谢热和由细胞物质新 合成的燃烧热的总量相同。如果维持代谢存在而没有新的合成，则底物的 燃烧热可以以代谢热的形式被100%释放。
污泥可以是污水污泥，微生物可以是污水污泥中所包括的那些微生物。 然而，微生物不限于此，而是可以使用有机废水中包含的能够分解VS的任 何微生物。
代谢优选为需氧代谢。需氧代谢和厌氧代谢所产生能量的量之间存在 区别。在厌氧代谢中，每摩尔葡萄糖产生2摩尔ATP，而在需氧代谢中每摩 尔葡萄糖产生38摩尔ATP。就这一点而言，当利用需氧代谢时，给定微生物 的活性和产热率可以更大。相应地，为了通过利用由微生物产生的代谢热 的生物蒸发过程来蒸发有机废水，优选利用具有更高产热率的需氧代谢。
可以在反应器中进行处理。特别地，可以利用绝热材料来使反应器与 热隔离。绝热反应器可以使热损失最小化，由此增加生物蒸发的速率。优 选地，向反应器供给空气。这是因为用于生物蒸发的微生物代谢是需要连 续供氧的需氧代谢。
优选地，空气可以是经除湿的空气，这是因为经除湿的空气可以使反 应器中蒸发水的效果最大化。优选地，可以以0.03m3/kgTS·小时至 0.2m3/kgTS·小时的速率供给空气。如果空气供给快于上限，会增加能量消耗， 这是不期望的;而当空气供给低于下限时，由于反应器内不充足的氧气， 需氧代谢会被抑制。
优选地，可以在搅拌污泥与高浓度有机废水的混合物时进行处理。通 过搅拌混合污泥和高浓度有机废水可以防止微生物代谢的抑制。
优选地，可以进行处理直到污泥与高浓度有机废水的混合物的温度在 因代谢热而升高后回到室温而变得稳定。
污泥与高浓度有机废水的混合物的温度回到室温表明通过微生物进行 的有机废水的代谢过程已经完成。
有益效果
本发明提供一种用于通过新的生物蒸发工艺对高浓度有机废水进行零 排放处理的方法。通过微生物的需氧代谢，可以分解高浓度有机废水中包 含的BVS，并且在代谢期间产生代谢热。代谢热除去有机废水中包含的水。 当葡萄糖和食品废弃物粉末的VS浓度为120g/L时，可以实现从有机废水中 完全除去水。另外，也可以完全除去有机废水中包含的BVS。
相应地，利用生物蒸发工艺的本发明的方法具有以下优点：其可以使 处理有机废水中的能量消耗最小化，使得能够对有机废水进行零排放处理， 并且该方法是环境友好的。
