基于厭氧發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，鄭衛剛

(武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

基于厭氧發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，鄭衛剛

(武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

為解決現有船舶生活污水處理裝置存在的不足，并且在環境保護、可持續發展以及節能減排的思想之下，在充分分析現有污水處理裝置的基礎之上，設計出一種基于厭氧發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酵的原理，經過效率計算、軟件建模及優化調整，設計出一套整體嵌入式的污水處理裝置，替代現有的裝置。嵌入后裝置所產生的沼氣又可以利用，作為替代能源來對船舶現有能源進行補充，污物在經過厭氧發酵處理達標后，可直接排放。

厭氧發酵;船舶生活污水;沼氣;節能減排

目前，由于生活污水大量的排放，導致江湖海的水體污染現象日益嚴重，雖然在國際國內公約船舶污水排放標準限制下，仍存在非法亂排的現象。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化學能，將大量殘余有機質排放到江河湖海中，造成能源的浪費，也會加劇水體的富營養化，污染環境[1]。

該裝置與傳統的船舶污水處理相比，簡化了傳統的污水處理的流程，節省了在處理過程之中所需要的費用，所產生的沼氣也帶來了相應的經濟效應，在經厭氧中溫處理之后，有機物轉化成無機物的轉化率得到提高，達到相關的排放標準，經查閱相關的資料顯示，目前在國內外船舶市場中，還沒有較成熟的設備，因此該裝置具有良好的市場前景。通過二級厭氧發酵技術，進一步降低排放污水中的有機質含量，減少對環境的污染，并利用發酵產生的沼氣氣體，將廢棄物中的能源進行二次利用進而達到節能減排與環境保護的綜合效益，也符合可持續發展的理念，綠色環保。

1 裝置的設計方案

1.1整體裝置預覽

整體的裝置的概貌如圖1所示。

1-污水進料口；2-第二艙室(產甲烷艙室)；3-循環水泵；4-出渣口；5-第一艙室(緩沖與產酸艙室)；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裝置的設計尺寸與規格

裝置整體的設計的參數如表1所示。

表1 裝置整體的設計參數

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勢

由于直接從衛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載，而且還會減少反應底物的濃度，從而影響發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，并在此裝置上進行一定的改進[3]。引入改進式螺旋固液分離機可以很大程度上對反應的而底物進行濃縮，糞便污水在經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，濃縮后污物的反應速率得到了很大程度的提升。

2.1.2 固液分離裝置的設計圖

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 固液分離裝置內部示意圖

整個裝置長2.5 m，底面半徑0.15 m。當來自衛生間的污水和餐廚垃圾經進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，污水中的水分經包裹在分離軸外圍的篩網進行初步過濾，然后再由包裹在外層的圓柱形超濾膜進一步過濾，使得過濾效果更加明顯。裝置還將厭氧發酵后的沼液引入此過濾系統進行深度的過濾，過濾后的水經廢水排水管與經過厭氧發酵后過濾的廢水一起排入紫外線殺菌消毒裝置，進行消毒后達標排放。

2.2緩沖與產酸模塊

2.2.1 緩沖產酸模塊引入的原因及優勢

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

由于在船舶上存在著污水產生量的高峰期，為了減輕裝置的超負荷運轉，為此設計了緩沖艙室來減輕高峰期的影響。緩沖艙的污水流入產酸艙室后，經艙室中的微生物在適宜的條件下發酵反應水解產酸，為后面的產甲烷階段準備了充足的原料[4]。

2.2.2 緩沖與產酸模塊的設計圖

緩沖與產酸艙室如圖5、圖6所示。

圖5 緩沖與產酸艙室三維圖

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

污水經過螺旋固液分離裝置后，先流入緩沖艙，然后流入產酸艙室，在產酸艙室中我們設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結殼，溫控裝置保證產酸發酵的溫度維持在微生物活性最高的時期，經相關資料驗證，產酸的溫度約為35～37 ℃，在反應物中還添加一定量的微量元素，來提高微生物的活性。污水在經過水解產酸艙室之后，原有的有機質被轉化為醋酸等有機酸，以及后續發酵所需的氫離子和二氧化碳。發酵后的污水經水泵排入后一級的處理艙室，并且艙室的底部設計為漏斗型，使得不完全排放，為后續反應留下足夠的微生物。艙室底部還設有出渣口，當沼渣的量積累較多時，可以排去。

2.3厭氧發酵產沼氣模塊

2.3.1 產沼氣模塊分艙設計的原因及優勢

目前已有很多學者對厭氧發酵產沼氣的過程進行了大量的研究，研究結果顯示，在沼氣兩步厭氧發酵中，在各部分均達到適宜的條件之下，反應所需的時間約為9 d左右[5]，部分學者的研究結果見圖7所示。

圖7 最佳條件下沼氣成分的變化

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

2.3.2 產甲烷艙室三維效果圖

產甲烷艙室分艙后的三維效果圖如圖8、圖9所示。

圖8 產甲烷艙室的三維效果圖

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

當經過產酸艙室處理之后的污水由水泵泵入第一個產甲烷的艙室之中，該艙室高為0.743 m，半徑為1 m，進入艙室中的污水在甲烷桿菌的分解作用下發生初步的發酵反應，在反應2 d后，一半的反應液排入第二個沼氣發酵艙，剩下的一半為后續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酵艙，再反應2 d后廢液由泵抽入固液分離裝置的過濾系統，過濾消毒后排放。

由圖9可以看出，在整個的第二艙室內設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施，可以維持整個艙室的溫度在35～37 ℃[5]，在加之由電機驅動的攪拌系統，攪拌頻率和產酸艙室一致，可防止結殼，使發酵底物與菌種充分混合。在各艙室的頂端，設置有壓力閥門，接通沼氣收集裝置。當壓力大于之前設定的值時，沼氣可自動排出到儲存裝置中去。

2.4輔助設備系統(見表2)

表2 輔助設備的參數

續表2 輔助設備的參數

3 創新點

3.1處理回收甲烷，綠色可持續

整個裝置采用厭氧發酵，在處理污水的同時，將有機質中的化學能轉化為沼氣中的化學能存儲起來，將那些被浪費掉的能源進行二次利用。而且產生的甲烷氣體可以用于燃燒、發電等，甲烷燃燒后的產物主要是二氧化碳和水，屬于環境友好型能源[6]。因此這種將能源進行轉化后存儲的方式，符合目前一直倡導的可持續發展的理念，綠色環保，節能減排。

3.2采用兩步發酵的原理處理效率高

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

3.3利用船舶余熱，實現能量循環

在該裝置中加入了恒溫系統，利用船舶發動機冷卻水以及其他部位的船舶余熱水進行水循環，這些熱水經一定的管道流經發酵罐時與發酵罐中的污水進行熱量交換，來達到給微生物反應提供一個適宜的溫度[9]。

4 性能評估及可行性分析

該裝置在經調整優化之后，1 d可處理的廢水約為25 m3[10-11]，經查閱相關的資料后，計算知道，在預計的滿載客量為300人的客船之上，1 d產生的廢水經厭氧發酵之后產生的沼氣量約為24.6 m3，然而1 m3的沼氣完全燃燒所產生的熱量相當于0.88 kg的煤完全燃燒所產生的熱能量，因此1 d可以節約大約24.6×0.88 kg,即21.65 kg的煤，根據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，但是我們的裝置更加的環境友好，處理效果也更為顯著。

在建造工藝方面，首先整個設備的建造工藝比較簡單，沒有需要特殊處理的地方，由傳統的焊接技術以及鋼板成型技術即可完成；裝置輔助的構件都很普通，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，我們在處理輔助設備與罐體的連接時均采用密封器件，而且在裝置內部還進行了防腐蝕的處理，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，使排放的污水達標，而且可以回收利用廢物中的化學能，使得能量可以進行二次利用，符合可持續發展的基本國策，沼氣的燃燒產物也是環境友好型，因此整個的裝置綠色、節能、減少廢棄物的排放和能量的浪費。整套裝置不僅可以實現在船舶領域的應用，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