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(jì)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(guò)效率計(jì)算、軟件建模及優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計(jì)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(lái)對(duì)船舶現(xiàn)有能源進(jìn)行補(bǔ)充，污物在經(jīng)過(guò)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(guó)際國(guó)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(jī)質(zhì)化學(xué)能，將大量殘余有機(jī)質(zhì)排放到江河湖海中，造成能源的浪費(fèi)，也會(huì)加劇水體的富營(yíng)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(jiǎn)化了傳統(tǒng)的污水處理的流程，節(jié)省了在處理過(guò)程之中所需要的費(fèi)用，所產(chǎn)生的沼氣也帶來(lái)了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，在經(jīng)厭氧中溫處理之后，有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)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(guó)內(nèi)外船舶市場(chǎng)中，還沒(méi)有較成熟的設(shè)備，因此該裝置具有良好的市場(chǎng)前景。通過(guò)二級(jí)厭氧發(fā)酵技術(shù)，進(jìn)一步降低排放污水中的有機(jī)質(zhì)含量，減少對(duì)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(jì)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(jì)尺寸與規(guī)格

裝置整體的設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1所示。

表1 裝置整體的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3裝置整體運(yùn)行的流程圖

整個(gè)裝置的運(yùn)行模式如圖2所示。

圖2 運(yùn)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(shì)

由于直接從衛(wèi)生間和廚房收集來(lái)的糞便污水和餐廚垃圾中含有大量的水，這些水分不僅會(huì)增加處理裝置運(yùn)行的負(fù)載，而且還會(huì)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(guò)物理的方式進(jìn)行初步的固液分離，在綜合考慮了市場(chǎng)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(jī)，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(jī)可以很大程度上對(duì)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(jì)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(gè)裝置長(zhǎng)2.5 m，底面半徑0.15 m。當(dāng)來(lái)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(guò)濾，然后再由包裹在外層的圓柱形超濾膜進(jìn)一步過(guò)濾，使得過(guò)濾效果更加明顯。裝置還將厭氧發(fā)酵后的沼液引入此過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行深度的過(guò)濾，過(guò)濾后的水經(jīng)廢水排水管與經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后過(guò)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(shì)

由于整個(gè)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(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程分為水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)沼氣階段。這樣會(huì)很大程度上提升整個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)，為此設(shè)計(jì)了緩沖艙室來(lái)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(jì)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(dòng)閥門(mén)；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(guò)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?cè)O(shè)計(jì)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(shí)期，經(jīng)相關(guān)資料驗(yàn)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(lái)提高微生物的活性。污水在經(jīng)過(guò)水解產(chǎn)酸艙室之后，原有的有機(jī)質(zhì)被轉(zhuǎn)化為醋酸等有機(jī)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(jí)的處理艙室，并且艙室的底部設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)的原因及優(yōu)勢(shì)

目前已有很多學(xué)者對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的過(guò)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(shí)間約為9 d左右[5]，部分學(xué)者的研究結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(gè)隔板，使得艙室分為3個(gè)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(dòng)閥門(mén)。圖9 分艙后的艙室內(nèi)部三維圖

當(dāng)經(jīng)過(guò)產(chǎn)酸艙室處理之后的污水由水泵泵入第一個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)濾系統(tǒng)，過(guò)濾消毒后排放。

由圖9可以看出，在整個(gè)的第二艙室內(nèi)設(shè)計(jì)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(gè)艙室的溫度在35～37 ℃[5]，在加之由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mén)，接通沼氣收集裝置。當(dāng)壓力大于之前設(shè)定的值時(shí)，沼氣可自動(dòng)排出到儲(chǔ)存裝置中去。

2.4輔助設(shè)備系統(tǒng)(見(jiàn)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(diǎn)

3.1處理回收甲烷，綠色可持續(xù)

整個(gè)裝置采用厭氧發(fā)酵，在處理污水的同時(shí)，將有機(jī)質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為沼氣中的化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，將那些被浪費(fèi)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(chǔ)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(jì)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(duì)收集來(lái)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(gè)階段，水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)沼氣階段，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證，兩步發(fā)酵的處理方式比傳統(tǒng)的處理方式所需的時(shí)間更短，對(duì)有機(jī)質(zhì)的處理效果更加顯著，基本上可以除去95%左右的有機(jī)質(zhì)[6-7]。而且設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)與發(fā)酵罐中的污水進(jìn)行熱量交換，來(lái)達(dá)到給微生物反應(yīng)提供一個(gè)適宜的溫度[9]。

4 性能評(píng)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(jì)算知道，在預(yù)計(jì)的滿(mǎn)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(chǎng)價(jià)可知1 kg煤約為1.2 元，扣除運(yùn)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(jì)裝置的成本價(jià)格約1.7萬(wàn)元，與目前的市場(chǎng)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(gè)設(shè)備的建造工藝比較簡(jiǎn)單，沒(méi)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(chǎng)上均可以購(gòu)買(mǎi)到，而且價(jià)格比較實(shí)惠；對(duì)于裝置密封性能的保證，我們?cè)谔幚磔o助設(shè)備與罐體的連接時(shí)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(duì)于裝置安全性能的要求，在裝置外部增設(shè)了報(bào)警裝置，可以時(shí)時(shí)地檢測(cè)甲烷的濃度，防止因甲烷泄露而帶來(lái)的危害。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(guó)策，沼氣的燃燒產(chǎn)物也是環(huán)境友好型，因此整個(gè)的裝置綠色、節(jié)能、減少?gòu)U棄物的排放和能量的浪費(fèi)。整套裝置不僅可以實(shí)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(guò)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(lái)一定的附加值，有著很好的利用前景。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有和本裝置相同的處理裝置，因此也具有著很好的市場(chǎng)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(yáng)人，在讀本科。

2014-09-11