基于厌氧发酵原理的植入式船舶生活污水处理装置的研究

薛 前，孙 旭，朱 凡，刘智鸿，郑卫刚

(武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

基于厌氧发酵原理的植入式船舶生活污水处理装置的研究

薛 前，孙 旭，朱 凡，刘智鸿，郑卫刚

(武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

为解决现有船舶生活污水处理装置存在的不足，并且在环境保护、可持续发展以及节能减排的思想之下，在充分分析现有污水处理装置的基础之上，设计出一种基于厌氧发酵的植入式船舶污水处理回收装置。采用陆用沼气池厌氧发酵的原理，经过效率计算、软件建模及优化调整，设计出一套整体嵌入式的污水处理装置，替代现有的装置。嵌入后装置所产生的沼气又可以利用，作为替代能源来对船舶现有能源进行补充，污物在经过厌氧发酵处理达标后，可直接排放。

厌氧发酵;船舶生活污水;沼气;节能减排

目前，由于生活污水大量的排放，导致江湖海的水体污染现象日益严重，虽然在国际国内公约船舶污水排放标准限制下，仍存在非法乱排的现象。目前船用污水处理方法主要有囤积消毒法、生化法以及物化法，他们均未回收利用污水中所含的有机质化学能，将大量残余有机质排放到江河湖海中，造成能源的浪费，也会加剧水体的富营养化，污染环境[1]。

该装置与传统的船舶污水处理相比，简化了传统的污水处理的流程，节省了在处理过程之中所需要的费用，所产生的沼气也带来了相应的经济效应，在经厌氧中温处理之后，有机物转化成无机物的转化率得到提高，达到相关的排放标准，经查阅相关的资料显示，目前在国内外船舶市场中，还没有较成熟的设备，因此该装置具有良好的市场前景。通过二级厌氧发酵技术，进一步降低排放污水中的有机质含量，减少对环境的污染，并利用发酵产生的沼气气体，将废弃物中的能源进行二次利用进而达到节能减排与环境保护的综合效益，也符合可持续发展的理念，绿色环保。

1 装置的设计方案

1.1整体装置预览

整体的装置的概貌如图1所示。

1-污水进料口；2-第二舱室(产甲烷舱室)；3-循环水泵；4-出渣口；5-第一舱室(缓冲与产酸舱室)；6-固液分离装置；7-污水排出口；8-紫外线消毒装置。图1 整体装置三维模型图

1.2装置的设计尺寸与规格

装置整体的设计的参数如表1所示。

表1 装置整体的设计参数

1.3装置整体运行的流程图

整个装置的运行模式如图2所示。

图2 运行流程图

2 装置的模块介绍

2.1固液分离装置模块

2.1.1 固液分离装置引入的原因及优势

由于直接从卫生间和厨房收集来的粪便污水和餐厨垃圾中含有大量的水，这些水分不仅会增加处理装置运行的负载，而且还会减少反应底物的浓度，从而影响发酵速率和最终装置的处理效果[2]。但是这些水分可以通过物理的方式进行初步的固液分离，在综合考虑了市场上成品的固液分离装置之后，决定采用KP-250型螺旋式固液分离机，并在此装置上进行一定的改进[3]。引入改进式螺旋固液分离机可以很大程度上对反应的而底物进行浓缩，粪便污水在经螺旋固液分离器分离之后浓度可由之前的1.5%提升到7%左右，浓缩后污物的反应速率得到了很大程度的提升。

2.1.2 固液分离装置的设计图

螺旋式固液分离装置三维效果图如图3、图4所示。

图3 固液分离装置三维效果图

图4 固液分离装置内部示意图

整个装置长2.5 m，底面半径0.15 m。当来自卫生间的污水和餐厨垃圾经进料口流入固液分离装置，在可变螺距的螺旋刀片挤压作用下，污水中的水分经包裹在分离轴外围的筛网进行初步过滤，然后再由包裹在外层的圆柱形超滤膜进一步过滤，使得过滤效果更加明显。装置还将厌氧发酵后的沼液引入此过滤系统进行深度的过滤，过滤后的水经废水排水管与经过厌氧发酵后过滤的废水一起排入紫外线杀菌消毒装置，进行消毒后达标排放。

2.2缓冲与产酸模块

2.2.1 缓冲产酸模块引入的原因及优势

由于整个系统借鉴的是陆用沼气两步发酵的原理，两步发酵是将整个厌氧发酵过程分为水解产酸阶段和产沼气阶段。这样会很大程度上提升整个发酵的效率和产甲烷的量，缩短了反应的周期。

由于在船舶上存在着污水产生量的高峰期，为了减轻装置的超负荷运转，为此设计了缓冲舱室来减轻高峰期的影响。缓冲舱的污水流入产酸舱室后，经舱室中的微生物在适宜的条件下发酵反应水解产酸，为后面的产甲烷阶段准备了充足的原料[4]。

2.2.2 缓冲与产酸模块的设计图

缓冲与产酸舱室如图5、图6所示。

图5 缓冲与产酸舱室三维图

1-电动阀门；2-电加热棒；3-搅拌器；4-冷却水循环加热管。图6 舱室内部的三维图

污水经过螺旋固液分离装置后，先流入缓冲舱，然后流入产酸舱室，在产酸舱室中我们设计了搅拌装置和温控装置，搅拌的频率为每0.5 h搅拌10次，这样可以防止粪便在舱内结壳，温控装置保证产酸发酵的温度维持在微生物活性最高的时期，经相关资料验证，产酸的温度约为35～37 ℃，在反应物中还添加一定量的微量元素，来提高微生物的活性。污水在经过水解产酸舱室之后，原有的有机质被转化为醋酸等有机酸，以及后续发酵所需的氢离子和二氧化碳。发酵后的污水经水泵排入后一级的处理舱室，并且舱室的底部设计为漏斗型，使得不完全排放，为后续反应留下足够的微生物。舱室底部还设有出渣口，当沼渣的量积累较多时，可以排去。

2.3厌氧发酵产沼气模块

2.3.1 产沼气模块分舱设计的原因及优势

目前已有很多学者对厌氧发酵产沼气的过程进行了大量的研究，研究结果显示，在沼气两步厌氧发酵中，在各部分均达到适宜的条件之下，反应所需的时间约为9 d左右[5]，部分学者的研究结果见图7所示。

图7 最佳条件下沼气成分的变化

为了缩短厌氧反应时间，加快反应的速率，在查阅了大量的资料并且综合了目前成熟的陆用沼气发酵系统后，决定在原有的一罐式发酵的基础之上，增加2个隔板，使得舱室分为3个小舱室，这样在相同的环境之下就可以很大程度上的缩短反应所需的周期。

2.3.2 产甲烷舱室三维效果图

产甲烷舱室分舱后的三维效果图如图8、图9所示。

图8 产甲烷舱室的三维效果图

1-搅拌器；2-冷却水循环加热管；3-电加热棒；4-电动阀门。图9 分舱后的舱室内部三维图

当经过产酸舱室处理之后的污水由水泵泵入第一个产甲烷的舱室之中，该舱室高为0.743 m，半径为1 m，进入舱室中的污水在甲烷杆菌的分解作用下发生初步的发酵反应，在反应2 d后，一半的反应液排入第二个沼气发酵舱，剩下的一半为后续的底物留下足够的微生物，然后再处理2 d后排入第三个沼气发酵舱，再反应2 d后废液由泵抽入固液分离装置的过滤系统，过滤消毒后排放。

由图9可以看出，在整个的第二舱室内设计了由引入外界锅炉水温控装置，以及由电加热棒组成的辅助温控设施，可以维持整个舱室的温度在35～37 ℃[5]，在加之由电机驱动的搅拌系统，搅拌频率和产酸舱室一致，可防止结壳，使发酵底物与菌种充分混合。在各舱室的顶端，设置有压力阀门，接通沼气收集装置。当压力大于之前设定的值时，沼气可自动排出到储存装置中去。

2.4辅助设备系统(见表2)

表2 辅助设备的参数

续表2 辅助设备的参数

3 创新点

3.1处理回收甲烷，绿色可持续

整个装置采用厌氧发酵，在处理污水的同时，将有机质中的化学能转化为沼气中的化学能存储起来，将那些被浪费掉的能源进行二次利用。而且产生的甲烷气体可以用于燃烧、发电等，甲烷燃烧后的产物主要是二氧化碳和水，属于环境友好型能源[6]。因此这种将能源进行转化后存储的方式，符合目前一直倡导的可持续发展的理念，绿色环保，节能减排。

3.2采用两步发酵的原理处理效率高

设计的这套植入式船舶污水处理装置，基于两步厌氧发酵的原理[6-7]，对收集来的污水进行处理。两步发酵是将传统的一罐式发酵分为2个阶段，水解产酸阶段和产沼气阶段，经大量的实验研究验证，两步发酵的处理方式比传统的处理方式所需的时间更短，对有机质的处理效果更加显著，基本上可以除去95%左右的有机质[6-7]。而且设计的装置在产沼气舱室内进行了人为的分舱处理，并且加入一定量的微量元素，使得反应处理的周期更短，处理效率更高[8]。

3.3利用船舶余热，实现能量循环

在该装置中加入了恒温系统，利用船舶发动机冷却水以及其他部位的船舶余热水进行水循环，这些热水经一定的管道流经发酵罐时与发酵罐中的污水进行热量交换，来达到给微生物反应提供一个适宜的温度[9]。

4 性能评估及可行性分析

该装置在经调整优化之后，1 d可处理的废水约为25 m3[10-11]，经查阅相关的资料后，计算知道，在预计的满载客量为300人的客船之上，1 d产生的废水经厌氧发酵之后产生的沼气量约为24.6 m3，然而1 m3的沼气完全燃烧所产生的热量相当于0.88 kg的煤完全燃烧所产生的热能量，因此1 d可以节约大约24.6×0.88 kg,即21.65 kg的煤，根据目前煤的市场价可知1 kg煤约为1.2 元，扣除运行所需的电力成本，1 d大约可以节约26元。

目前初步的估计装置的成本价格约1.7万元，与目前的市场上所出售的船舶生活污水处理装置成本相当，但是我们的装置更加的环境友好，处理效果也更为显著。

在建造工艺方面，首先整个设备的建造工艺比较简单，没有需要特殊处理的地方，由传统的焊接技术以及钢板成型技术即可完成；装置辅助的构件都很普通，大部分在市场上均可以购买到，而且价格比较实惠；对于装置密封性能的保证，我们在处理辅助设备与罐体的连接时均采用密封器件，而且在装置内部还进行了防腐蚀的处理，使得装置的密封性能可以得到保证；对于装置安全性能的要求，在装置外部增设了报警装置，可以时时地检测甲烷的浓度，防止因甲烷泄露而带来的危害。

5 结束语

本植入式船舶污水处理装置，不仅可以高效快速的处理船舶生活污水，使排放的污水达标，而且可以回收利用废物中的化学能，使得能量可以进行二次利用，符合可持续发展的基本国策，沼气的燃烧产物也是环境友好型，因此整个的装置绿色、节能、减少废弃物的排放和能量的浪费。整套装置不仅可以实现在船舶领域的应用，而且可以安装在港口码头，收集过往船舶中的粪便污水，使得污水不随意排入江湖海，而且可以利用沼气带来一定的附加值，有着很好的利用前景。目前市场上还没有和本装置相同的处理装置，因此也具有着很好的市场前景。

[1]郭江. 船舶生活污水排放要求的法律界定[J]. 世界海运,2014(1)：34-36.

[2]王晓中. 船舶生活污水的排放规范及处理方式[J]. 科技资讯,2011(2)：119.

[3]胡勇克,戴莉莉,皮亚南. 螺旋输送器的原理与设计[J]. 南昌大学学报(工科版),2000(4)：29-33，91.

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[5]白韬光. 船舶污水处理技术及其发展趋势[J]. 上海造船,2006(2)：44-45.

[6]徐洁泉. 沼气两步发酵法[J]. 中国沼气,1983(1)：48-51.

[7]Raphael M.Jingura,RutendoMatengaifa. Optimization of biogas produ ction by anaerobic digestion for sustainable energy development in Zimbabwe[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(5)：1116-1120.

[8]张万钦,吴树彪,郎乾乾,等. 微量元素对沼气厌氧发酵的影响[J]. 农业工程学报,2013(10)：1-11.

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[11]郑永菊,陈洪斌,何群彪. 黑水处理与资源化进展[J]. 中国沼气,2008(5)：9-13,25.

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，湖北襄阳人，在读本科。

2014-09-11