薛 前，孫 旭，朱 凡，劉智鴻，鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

基于厭氧發(fā)酵原理的植入式船舶生活污水處理裝置的研究

薛 前，孫 旭，朱 凡，劉智鴻，鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

為解決現(xiàn)有船舶生活污水處理裝置存在的不足，并且在環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展以及節(jié)能減排的思想之下，在充分分析現(xiàn)有污水處理裝置的基礎(chǔ)之上，設(shè)計出一種基于厭氧發(fā)酵的植入式船舶污水處理回收裝置。采用陸用沼氣池厭氧發(fā)酵的原理，經(jīng)過效率計算、軟件建模及優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計出一套整體嵌入式的污水處理裝置，替代現(xiàn)有的裝置。嵌入后裝置所產(chǎn)生的沼氣又可以利用，作為替代能源來對船舶現(xiàn)有能源進(jìn)行補充，污物在經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理達(dá)標(biāo)后，可直接排放。

厭氧發(fā)酵;船舶生活污水;沼氣;節(jié)能減排

目前，由于生活污水大量的排放，導(dǎo)致江湖海的水體污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，雖然在國際國內(nèi)公約船舶污水排放標(biāo)準(zhǔn)限制下，仍存在非法亂排的現(xiàn)象。目前船用污水處理方法主要有囤積消毒法、生化法以及物化法，他們均未回收利用污水中所含的有機質(zhì)化學(xué)能，將大量殘余有機質(zhì)排放到江河湖海中，造成能源的浪費，也會加劇水體的富營養(yǎng)化，污染環(huán)境[1]。

該裝置與傳統(tǒng)的船舶污水處理相比，簡化了傳統(tǒng)的污水處理的流程，節(jié)省了在處理過程之中所需要的費用，所產(chǎn)生的沼氣也帶來了相應(yīng)的經(jīng)濟效應(yīng)，在經(jīng)厭氧中溫處理之后，有機物轉(zhuǎn)化成無機物的轉(zhuǎn)化率得到提高，達(dá)到相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)查閱相關(guān)的資料顯示，目前在國內(nèi)外船舶市場中，還沒有較成熟的設(shè)備，因此該裝置具有良好的市場前景。通過二級厭氧發(fā)酵技術(shù)，進(jìn)一步降低排放污水中的有機質(zhì)含量，減少對環(huán)境的污染，并利用發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣氣體，將廢棄物中的能源進(jìn)行二次利用進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)的綜合效益，也符合可持續(xù)發(fā)展的理念，綠色環(huán)保。

1 裝置的設(shè)計方案

1.1整體裝置預(yù)覽

整體的裝置的概貌如圖1所示。

1-污水進(jìn)料口；2-第二艙室(產(chǎn)甲烷艙室)；3-循環(huán)水泵；4-出渣口；5-第一艙室(緩沖與產(chǎn)酸艙室)；6-固液分離裝置；7-污水排出口；8-紫外線消毒裝置。圖1 整體裝置三維模型圖

1.2裝置的設(shè)計尺寸與規(guī)格

裝置整體的設(shè)計的參數(shù)如表1所示。

表1 裝置整體的設(shè)計參數(shù)

1.3裝置整體運行的流程圖

整個裝置的運行模式如圖2所示。

圖2 運行流程圖

2 裝置的模塊介紹

2.1固液分離裝置模塊

2.1.1 固液分離裝置引入的原因及優(yōu)勢

由于直接從衛(wèi)生間和廚房收集來的糞便污水和餐廚垃圾中含有大量的水，這些水分不僅會增加處理裝置運行的負(fù)載，而且還會減少反應(yīng)底物的濃度，從而影響發(fā)酵速率和最終裝置的處理效果[2]。但是這些水分可以通過物理的方式進(jìn)行初步的固液分離，在綜合考慮了市場上成品的固液分離裝置之后，決定采用KP-250型螺旋式固液分離機，并在此裝置上進(jìn)行一定的改進(jìn)[3]。引入改進(jìn)式螺旋固液分離機可以很大程度上對反應(yīng)的而底物進(jìn)行濃縮，糞便污水在經(jīng)螺旋固液分離器分離之后濃度可由之前的1.5%提升到7%左右，濃縮后污物的反應(yīng)速率得到了很大程度的提升。

2.1.2 固液分離裝置的設(shè)計圖

螺旋式固液分離裝置三維效果圖如圖3、圖4所示。

圖3 固液分離裝置三維效果圖

圖4 固液分離裝置內(nèi)部示意圖

整個裝置長2.5 m，底面半徑0.15 m。當(dāng)來自衛(wèi)生間的污水和餐廚垃圾經(jīng)進(jìn)料口流入固液分離裝置，在可變螺距的螺旋刀片擠壓作用下，污水中的水分經(jīng)包裹在分離軸外圍的篩網(wǎng)進(jìn)行初步過濾，然后再由包裹在外層的圓柱形超濾膜進(jìn)一步過濾，使得過濾效果更加明顯。裝置還將厭氧發(fā)酵后的沼液引入此過濾系統(tǒng)進(jìn)行深度的過濾，過濾后的水經(jīng)廢水排水管與經(jīng)過厭氧發(fā)酵后過濾的廢水一起排入紫外線殺菌消毒裝置，進(jìn)行消毒后達(dá)標(biāo)排放。

2.2緩沖與產(chǎn)酸模塊

2.2.1 緩沖產(chǎn)酸模塊引入的原因及優(yōu)勢

由于整個系統(tǒng)借鑒的是陸用沼氣兩步發(fā)酵的原理，兩步發(fā)酵是將整個厭氧發(fā)酵過程分為水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)沼氣階段。這樣會很大程度上提升整個發(fā)酵的效率和產(chǎn)甲烷的量，縮短了反應(yīng)的周期。

由于在船舶上存在著污水產(chǎn)生量的高峰期，為了減輕裝置的超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，為此設(shè)計了緩沖艙室來減輕高峰期的影響。緩沖艙的污水流入產(chǎn)酸艙室后，經(jīng)艙室中的微生物在適宜的條件下發(fā)酵反應(yīng)水解產(chǎn)酸，為后面的產(chǎn)甲烷階段準(zhǔn)備了充足的原料[4]。

2.2.2 緩沖與產(chǎn)酸模塊的設(shè)計圖

緩沖與產(chǎn)酸艙室如圖5、圖6所示。

圖5 緩沖與產(chǎn)酸艙室三維圖

1-電動閥門；2-電加熱棒；3-攪拌器；4-冷卻水循環(huán)加熱管。圖6 艙室內(nèi)部的三維圖

污水經(jīng)過螺旋固液分離裝置后，先流入緩沖艙，然后流入產(chǎn)酸艙室，在產(chǎn)酸艙室中我們設(shè)計了攪拌裝置和溫控裝置，攪拌的頻率為每0.5 h攪拌10次，這樣可以防止糞便在艙內(nèi)結(jié)殼，溫控裝置保證產(chǎn)酸發(fā)酵的溫度維持在微生物活性最高的時期，經(jīng)相關(guān)資料驗證，產(chǎn)酸的溫度約為35～37 ℃，在反應(yīng)物中還添加一定量的微量元素，來提高微生物的活性。污水在經(jīng)過水解產(chǎn)酸艙室之后，原有的有機質(zhì)被轉(zhuǎn)化為醋酸等有機酸，以及后續(xù)發(fā)酵所需的氫離子和二氧化碳。發(fā)酵后的污水經(jīng)水泵排入后一級的處理艙室，并且艙室的底部設(shè)計為漏斗型，使得不完全排放，為后續(xù)反應(yīng)留下足夠的微生物。艙室底部還設(shè)有出渣口，當(dāng)沼渣的量積累較多時，可以排去。

2.3厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣模塊

2.3.1 產(chǎn)沼氣模塊分艙設(shè)計的原因及優(yōu)勢

目前已有很多學(xué)者對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的過程進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果顯示，在沼氣兩步厭氧發(fā)酵中，在各部分均達(dá)到適宜的條件之下，反應(yīng)所需的時間約為9 d左右[5]，部分學(xué)者的研究結(jié)果見圖7所示。

圖7 最佳條件下沼氣成分的變化

為了縮短厭氧反應(yīng)時間，加快反應(yīng)的速率，在查閱了大量的資料并且綜合了目前成熟的陸用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)后，決定在原有的一罐式發(fā)酵的基礎(chǔ)之上，增加2個隔板，使得艙室分為3個小艙室，這樣在相同的環(huán)境之下就可以很大程度上的縮短反應(yīng)所需的周期。

2.3.2 產(chǎn)甲烷艙室三維效果圖

產(chǎn)甲烷艙室分艙后的三維效果圖如圖8、圖9所示。

圖8 產(chǎn)甲烷艙室的三維效果圖

1-攪拌器；2-冷卻水循環(huán)加熱管；3-電加熱棒；4-電動閥門。圖9 分艙后的艙室內(nèi)部三維圖

當(dāng)經(jīng)過產(chǎn)酸艙室處理之后的污水由水泵泵入第一個產(chǎn)甲烷的艙室之中，該艙室高為0.743 m，半徑為1 m，進(jìn)入艙室中的污水在甲烷桿菌的分解作用下發(fā)生初步的發(fā)酵反應(yīng)，在反應(yīng)2 d后，一半的反應(yīng)液排入第二個沼氣發(fā)酵艙，剩下的一半為后續(xù)的底物留下足夠的微生物，然后再處理2 d后排入第三個沼氣發(fā)酵艙，再反應(yīng)2 d后廢液由泵抽入固液分離裝置的過濾系統(tǒng)，過濾消毒后排放。

由圖9可以看出，在整個的第二艙室內(nèi)設(shè)計了由引入外界鍋爐水溫控裝置，以及由電加熱棒組成的輔助溫控設(shè)施，可以維持整個艙室的溫度在35～37 ℃[5]，在加之由電機驅(qū)動的攪拌系統(tǒng)，攪拌頻率和產(chǎn)酸艙室一致，可防止結(jié)殼，使發(fā)酵底物與菌種充分混合。在各艙室的頂端，設(shè)置有壓力閥門，接通沼氣收集裝置。當(dāng)壓力大于之前設(shè)定的值時，沼氣可自動排出到儲存裝置中去。

2.4輔助設(shè)備系統(tǒng)(見表2)

表2 輔助設(shè)備的參數(shù)

續(xù)表2 輔助設(shè)備的參數(shù)

3 創(chuàng)新點

3.1處理回收甲烷，綠色可持續(xù)

整個裝置采用厭氧發(fā)酵，在處理污水的同時，將有機質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為沼氣中的化學(xué)能存儲起來，將那些被浪費掉的能源進(jìn)行二次利用。而且產(chǎn)生的甲烷氣體可以用于燃燒、發(fā)電等，甲烷燃燒后的產(chǎn)物主要是二氧化碳和水，屬于環(huán)境友好型能源[6]。因此這種將能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化后存儲的方式，符合目前一直倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展的理念，綠色環(huán)保，節(jié)能減排。

3.2采用兩步發(fā)酵的原理處理效率高

設(shè)計的這套植入式船舶污水處理裝置，基于兩步厭氧發(fā)酵的原理[6-7]，對收集來的污水進(jìn)行處理。兩步發(fā)酵是將傳統(tǒng)的一罐式發(fā)酵分為2個階段，水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)沼氣階段，經(jīng)大量的實驗研究驗證，兩步發(fā)酵的處理方式比傳統(tǒng)的處理方式所需的時間更短，對有機質(zhì)的處理效果更加顯著，基本上可以除去95%左右的有機質(zhì)[6-7]。而且設(shè)計的裝置在產(chǎn)沼氣艙室內(nèi)進(jìn)行了人為的分艙處理，并且加入一定量的微量元素，使得反應(yīng)處理的周期更短，處理效率更高[8]。

3.3利用船舶余熱，實現(xiàn)能量循環(huán)

在該裝置中加入了恒溫系統(tǒng)，利用船舶發(fā)動機冷卻水以及其他部位的船舶余熱水進(jìn)行水循環(huán)，這些熱水經(jīng)一定的管道流經(jīng)發(fā)酵罐時與發(fā)酵罐中的污水進(jìn)行熱量交換，來達(dá)到給微生物反應(yīng)提供一個適宜的溫度[9]。

4 性能評估及可行性分析

該裝置在經(jīng)調(diào)整優(yōu)化之后，1 d可處理的廢水約為25 m3[10-11]，經(jīng)查閱相關(guān)的資料后，計算知道，在預(yù)計的滿載客量為300人的客船之上，1 d產(chǎn)生的廢水經(jīng)厭氧發(fā)酵之后產(chǎn)生的沼氣量約為24.6 m3，然而1 m3的沼氣完全燃燒所產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于0.88 kg的煤完全燃燒所產(chǎn)生的熱能量，因此1 d可以節(jié)約大約24.6×0.88 kg,即21.65 kg的煤，根據(jù)目前煤的市場價可知1 kg煤約為1.2 元，扣除運行所需的電力成本，1 d大約可以節(jié)約26元。

目前初步的估計裝置的成本價格約1.7萬元，與目前的市場上所出售的船舶生活污水處理裝置成本相當(dāng)，但是我們的裝置更加的環(huán)境友好，處理效果也更為顯著。

在建造工藝方面，首先整個設(shè)備的建造工藝比較簡單，沒有需要特殊處理的地方，由傳統(tǒng)的焊接技術(shù)以及鋼板成型技術(shù)即可完成；裝置輔助的構(gòu)件都很普通，大部分在市場上均可以購買到，而且價格比較實惠；對于裝置密封性能的保證，我們在處理輔助設(shè)備與罐體的連接時均采用密封器件，而且在裝置內(nèi)部還進(jìn)行了防腐蝕的處理，使得裝置的密封性能可以得到保證；對于裝置安全性能的要求，在裝置外部增設(shè)了報警裝置，可以時時地檢測甲烷的濃度，防止因甲烷泄露而帶來的危害。

5 結(jié)束語

本植入式船舶污水處理裝置，不僅可以高效快速的處理船舶生活污水，使排放的污水達(dá)標(biāo)，而且可以回收利用廢物中的化學(xué)能，使得能量可以進(jìn)行二次利用，符合可持續(xù)發(fā)展的基本國策，沼氣的燃燒產(chǎn)物也是環(huán)境友好型，因此整個的裝置綠色、節(jié)能、減少廢棄物的排放和能量的浪費。整套裝置不僅可以實現(xiàn)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，而且可以安裝在港口碼頭，收集過往船舶中的糞便污水，使得污水不隨意排入江湖海，而且可以利用沼氣帶來一定的附加值，有著很好的利用前景。目前市場上還沒有和本裝置相同的處理裝置，因此也具有著很好的市場前景。

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In order to solve inadequate sewage-treatment apparatus, an implanted sewage-treatment apparatus is designed based on anaerobic fermentation with the thoughts of environmental protection,sustainable development and energy saving amp; discharge reducing.with the principle of anaerobic fermentation in land used methane-generating pit,a set of implanted sewage-treatment apparatus will be designed to replace the old one in the vessel,especially,the passenger ship through efficiency calculation,software model-setting and optimized regulation.Methane produced from the apparatus can be reused for supplement of the energy in the ship.And the wastes can be discharged directly when anaerobic fermentation reachs the proper standard.

anaerobic fermentation;marine sewage;methane;energy saving and discharge reducing

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.009

薛前(1993-)，男，湖北襄陽人，在讀本科。

2014-09-11