1 原理与作用
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厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应,分解污泥中有机物质,实现污泥稳定化非常有效的一种污泥处理工艺。污泥厌氧消化的作用主要体现在:4 @+ g; l( l# x1 p; j
& ` y6 A) H; h; u% J4 L(1) 污泥稳定化。对有机物进行降解,使污泥稳定化,不会腐臭,避免在运输及最终处置过程中对环境造成不利影响;
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. x. @$ _' e" W1 M/ t(2) 污泥减量化。通过厌氧过程对有机物进行降解,减少污泥量,同时可以改善污泥的脱水性能,减少污泥脱水的药剂消耗,降低污泥含水率;
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$ l9 _9 W+ u8 ~9 W(3) 消化过程中产生沼气。它可以回收生物质能源,降低污水处理厂能耗及减少温室气体排放。: m7 t7 r$ o- K7 i7 Z G
4 J5 D9 p( I& ?$ X; _厌氧消化处理后的污泥可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918中污泥稳定化相关指标的要求。
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2 应用原则
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! `/ l1 u$ u4 S9 N( O! \6 v# x污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化,减少温室气体排放。该工艺可以用于污水厂污泥的就地或集中处理。它通常处理规模越大,厌氧消化工艺综合效益越明显。
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3 \! z3 R# ?8 Z" D3 厌氧消化工艺
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7 x8 X* P: i3 J+ |' n0 W9 N/ [3.1 厌氧消化的分类- r+ m$ ^' K0 I3 x7 @
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1) 中温厌氧消化
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中温厌氧消化温度维持在35℃±2℃,固体停留时间应大于20d,有机物容积负荷一般为2.0~4.0 kg/m3⋅d,有机物分解率可达到35%~45%,产气率一般为0.75~1.10Nm3/kgVSS(去除)。 u/ o; `5 H( F) E4 ?$ ]5 E. {+ m
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2) 高温厌氧消化) ~+ c P& X3 u: M8 A! x7 t
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高温厌氧消化温度控制在55℃±2℃,适合嗜热产甲烷菌生长。高温厌氧消化有机物分解速度快,可以有效杀灭各种致病菌和寄生虫卵。一般情况下,有机物分解率可达到35%~45%,停留时间可缩短至10~15d。缺点是能量消耗较大,运行费用较高,系统操作要求高。
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; m9 Q2 u3 D J3 z G5 o# Y7 y7 L3.2 传统厌氧消化工艺流程与系统组成3 Y J' d3 ?0 L u
2 f/ K7 V8 p( \传统厌氧消化系统的组成及工艺流程,如图4-1所示。当污水处理厂内没有足够场地建设污泥厌氧消化系统时,可将脱水污泥集中到其他建设地点,经适当浆液化处理后再进行污泥厌氧消化,其系统的组成及工艺流程图,如图4-2所示。5 H; @5 Y5 F+ u
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传统污泥厌氧消化系统主要包括:污泥进出料系统、污泥加热系统、消化池搅拌系统及沼气收集、净化利用系统。( E0 I2 ~" G7 W6 C
1 o) n- X; ~( |: U0 v& z* |3 G( r7 o消化池通常有蛋形和柱形等池形,可根据搅拌系统、投资成本及景观要求来选择。池体可采用混凝土结构或钢结构。在全年气温高的南方地区,消化池可以考虑不设置保温措施,节省投资。沼气搅拌系统可根据系统的要求选择沼气搅拌或机械搅拌。
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6 I9 L s# N c) I& ?( L0 S3.3 厌氧消化新技术
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" ]" r. X* B4 ?7 o& ^0 A5 Z' T2 R2 W在污泥消化过程中,可通过微生物细胞壁的破壁和水解,提高有机物的降解率和系统的产气量。近年来,开发应用较多的污泥细胞破壁和强化水解技术,主要是物化强化预处理技术和生物强化预处理技术。
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1) 基于高温热水解(THP)预处理的高含固污泥厌氧消化技术
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% ]/ M4 t% X8 t' j8 f) n该工艺是通过高温高压热水解预处理(Thermal Hydrolysis Pre-Treatment),以高含固的脱水污泥(含固率15%~20%)为对象的厌氧消化技术。工艺采用高温(155℃~170℃)、高压(6bar)对污泥进行热水解与闪蒸处理,使污泥中的胞外聚合物和大分子有机物发生水解、并破解污泥中微生物的细胞壁,强化物料的可生化性能,改善物料的流动性,提高污泥厌氧消化池的容积利用率、厌氧消化的有机物降解率和产气量,同时能通过高温高压预处理,改善污泥的卫生性能及沼渣的脱水性能、进一步降低沼渣的含水率,有利于厌氧消化后沼渣的资源化利用。. ]( a/ v, T5 m
+ y, R( c6 ?% d) x7 g$ G% Z9 {该工艺处理流程,如图 4-3 所示。此工艺已在欧洲国家得到规模化工程应用。
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图4-3 基于高温高压热水解预处理的高含固城市污泥厌氧消化流程图- S- _, x0 G' k; s9 d8 u1 m( o
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2) 其他强化厌氧消化预处理技术其它强化厌氧消化预处理技术有:7 P2 R/ k" R* N! a' m! Z
" k# r" R1 u0 z$ j4 _) t- O生物强化预处理技术。它主要利用高效厌氧水解菌在较高温度下,对污泥进行强化水解或利用好氧或微氧嗜热溶胞菌在较高温下,对污泥进行强化溶胞和水解。
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6 S) @: H, Q) B5 z! h1 y3 @超声波预处理技术。它利用超声波“空穴”产生的水力和声化作用破坏细胞,导致细胞内物质释放,提高污泥厌氧消化的有机物降解率和产气率。: n) z$ M* a7 e) O/ S
1 g0 P$ P8 N7 \4 k" ?+ g碱预处理技术。它主要是通过调节pH,强化污泥水解过程,从而提高有机物去除效率和产气量。
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# ?: y# }# ]# c# s0 X6 @# G" W/ k化学氧化预处理技术。它通过氧化剂如臭氧等,直接或间接的反应方式破坏污泥中微生物的细胞壁,使细胞质进入到溶液中,增加污泥中溶解性有机物浓度,提高污泥的厌氧消化性能。( ?- i6 B, \9 [
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高压喷射预处理技术。它是利用高压泵产生机械力来破坏污泥内微生物细胞的结构,使得胞内物质被释放,从而提高污泥中有机物的含量,强化水解效果。
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微波预处理技术。微波预处理是一种快速的细胞水解方法,在微波加热过程中表面会产生许多“热点”,破坏污泥微生物细胞壁,使胞内物质溶出,从而达到分解污泥的目的。
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! C9 I2 n4 X) n" p4 沼气的收集、贮存及利用( R/ u9 a% i( \+ ~3 S
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4.1 沼气的性质( b t! ~- K6 V! k% z
& n" ^" h/ H8 h4 ~6 D沼气成份包括CH4、CO2和H2S等气体。甲烷的含量为60%~70%,决定了沼气的热值;CO2含量为30%~40%;H2S含量一般为 0.1~10g/Nm3,会产生腐蚀及恶臭。沼气的热值一般为21000~25000kJ/Nm3,约5000~6000kcal/m3及6.0~7.0kWh/Nm3,经净化处理后可作为优质的清洁能源。! a- F9 A$ x- h" y. `
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4.2 沼气收集、净化与纯化( N, J- v% P! J: G& ]+ |
# B, t9 [9 b$ b9 O9 `1)沼气的收集与储存
5 F4 a( _8 z( E+ ]" R3 t3 y) w( {1 y
& `! A: m+ H% f+ `9 V沼气是高湿度的混合气,具有强烈的腐蚀性,收集系统应采用高防腐等级的材质。" o t$ |9 _7 [% O; _5 r3 U
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沼气管道应沿气流方向设置一定的坡度,在低点、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备的沼气管线入口、干式气柜的进口和湿式气柜的进出口处都需设置冷凝水去除装置。在消化池和贮气柜适当位置设置水封罐。由于沼气产量的波动以及沼气利用的需求,沼气系统需设置沼气贮柜来调节产气量的波动及系统的压力。沼气贮柜有高压(~10bar),低压(30~50mbar)和无压三种类型。沼气贮柜的体积应根据沼气的产量波动及需求波动来选择。储存时间通常为6~24h。为了保证,可根据沼气利用单元的压力要求,在沼气收集系统中设置压力提升装置。
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6 d* A( L/ _7 C7 ?, R2)沼气净化
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沼气在利用之前,需进行去湿、除浊和脱硫处理。
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9 G" G, W+ Y0 g* D5 B: O0 _7 m& m去湿和除浊处理常采用沉淀物捕集器和水沫分离器(过滤器)来去除沼气中的水沫和沉淀物。
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应根据沼气利用设备的要求选择沼气脱硫方法。脱硫有物化法和生物法两类。物化法脱硫主要有干法和湿法两种。干式脱硫剂一般为氧化铁。湿法吸收剂主要为NaOH或Na2CO3溶液。生物脱硫是在适宜的温度、湿度和微氧条件下,通过脱硫细菌的代谢作用将H2S转化为单质硫。3 H7 w: f: j7 k1 I4 e% _2 Q& N
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3)沼气纯化
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厌氧消化产生的沼气含有60%~70%的甲烷,经过提纯处理后,可制成甲烷浓度90%~95%以上的天然气,成为清洁的可再生能源。
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& S x5 x: C7 p; J沼气纯化过程一般沼气经初步除水后,进入脱硫系统,脱硫除尘后的气体在特定反应条件下,全部或部分除去二氧化碳、氨、氮氧化物、硅氧烷等多种杂质,使气体中甲烷浓度达到90%~95%以上。. Z* {" J; F9 |
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4.3 沼气利用
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! e' y- |: Y# f2 f0 I消化产生的沼气一般可以用于沼气锅炉、沼气发电机和沼气拖动。沼气锅炉利用沼气制热,热效率可达90%~95%;沼气发电机是利用沼气发电,同时回收发电过程中产生的余热。通常1Nm3的沼气可发电1.5~2.2kWh,补充污水处理厂的电耗;内燃机热回收系统可以回收40%~50%的能量,用于消化池加温。沼气拖动是利用沼气直接驱动鼓风机,用于曝气池的供氧。
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- ^" L _) z1 n6 l* R将沼气进行提纯后,达到相当于天然气品质要求,可作为汽车燃料、民用燃气和工业燃气。
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5 厌氧消化系统的运行控制和管理要点
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5.1 运行控制要点
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: S x R+ _' u* L z1)系统启动% a" z8 o- u% V0 J4 u4 L2 o
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消化池启动可分为直接启动和添加接种污泥启动两种方式。通过添加接种污泥可缩短消化系统的启动时间,一般接种污泥量为消化池体积的10%。通常厌氧消化系统启动需2~3个月时间。2 {1 d- X9 u5 Q
( S$ v7 r1 H3 ?/ J& t; Q
消化系统启动时先将消化池充满水,并加温到设计温度,然后开始添加生污泥。在初始阶段生污泥添加量一般为满负荷的五分之一,之后逐步增加到设计负荷。在启动阶段需要加强监测与测试,分析各参数以及参数关系的变化趋势,及时采取相应措施。
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2)进出料控制: B7 H4 E$ G6 e D+ Z
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连续稳定的进出料操作是消化池运行的重要环节。进料浓度、体积及组成的突然变化都会抑制消化池性能。理想的进出料操作是24h稳定进料。
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3)温度! Y0 G# u! o: ^4 h# v! ^
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温度是影响污泥厌氧消化的关键参数。温度的波动超过2℃就会影响消化效果和产气率。因此,操作过程中需要控制稳定的运行温度,变化范围宜控制在±1℃内。
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4)碱度和挥发酸
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消化池总碱度应维持在2000~5000mg/L,挥发性有机酸浓度一般小于500mg/L。 i* i" C+ F* T* I4 v4 g$ b1 b- v' S
C% k' k. [; L挥发性有机酸与碱度反映了产酸菌和产甲烷菌的平衡状态,是消化系统是否稳定的重要指标。8 S0 u& r+ u# S" M Z( \% b
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5)pH值+ N/ ?* N/ g3 v3 o- C! q
4 z/ i0 U9 g. i7 ?- y5 h8 C t厌氧消化过程pH值受到有机酸和游离氨,以及碱度等的综合影响。消化系统的pH值应在6.0~8.0之间运行,最佳pH值范围为6.8~7.2。当pH值低于6.0或者高于8.0时,产甲烷菌会受到抑制,影响消化系统的稳定运行。
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6) 毒性
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由于H2S、游离氨及重金属等对厌氧消化过程有抑制作用。因此,厌氧消化系统的运行要充分考虑此类毒性物质的影响。
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' C- L) \- N3 W; C( y. J5.2 安全管理
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. d" D6 F4 Q+ d2 G4 ?. W, [, J( J为了防止沼气爆炸和H2S中毒,需注意以下事项:% S% t5 ^1 H# L/ n+ \! `+ S- a
# I- U1 d% X" }(1) 甲烷(CH4)在空气中的浓度达到 5%~14%(体积比)区间时,遇明火就会产生爆炸。所以,在贮气柜进口管线上、所有沼气系统与外界连通部位以及沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机等设备的进出口处、废气燃烧器沼气管进口处都需要安装消焰器。同时,在消化池及沼气系统中还应安装过压安全阀、负压防止阀等,避免空气进入沼气系统;
& T: L: z+ K4 T/ O f% F. N# }+ t0 y: P: ?0 h5 I
(2) 沼气系统的防爆区域应设置CH4/CO2 气体自动监测报警装置,并定期检查其可靠性,防止误报;
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(3) 消化设施区域应按照受限空间对待。参照行业标准《化学品生产单位受限空间作业安全规范》AQ 3028 执行;- B# t" h! G/ H6 I
6 k2 C$ c5 b5 V3 C7 `0 W! p(4) 定期检查沼气管路系统及设备的严密性,发现泄漏,应迅速停气检修;: o E4 J/ H& \0 k
3 t) C7 ^( h' C. R(5) 沼气贮存设备因故需要放空时,应间断释放,严禁将贮存的沼气一次性排入大气;放空时应认真选择天气,在可能产生雷雨或闪电的天气严禁放空。另外,放空时应注意下风向有无明火或热源;
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(6) 沼气系统防爆区域内一律禁止明火,严禁烟火,严禁铁器工具撞击或电焊操作。防爆区域内的操作间地面应敷设橡胶地板,入内必须穿胶鞋;+ Q( _' o( a5 b/ M* ~4 p& D
5 X) s& B! E0 K1 L3 l9 l8 w6 v% I$ Z" Y(7) 防爆区域内电气装置设计及防爆设计应遵循《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058 相关规定;' ?& i/ G& s% X4 K, S
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(8) 沼气系统区域周围一般应设防护栏、建立出入检查制度;
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( Z9 [4 o o- ^* q J(9) 沼气系统防爆区域的所有厂房、场地应符合国家规定的甲级防爆要求设计。具体遵循《建筑设计防火规范》GB 50016,并可参照《石油化工企业设计防火规范》GB 50160 相关条款。
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6 二次污染控制和要求
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( O5 ], m. Z/ \6 I6.1 消化液的处理与磷的回收利用- z- y+ O& w E8 O
# S+ Z6 ]. w6 V) u: q) j+ B/ e污泥消化上清液(沼液)中含有高浓度的氮、磷(氨氮300~2000mg/L,总磷70~200mg/L)。沼液肥效很高,有条件时,可作为液态肥进行利用。
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( ?/ q' }3 @6 Y& c) p0 w6 k针对污泥上清液中高氮磷、低碳源的特点,可采用基于磷酸铵镁(鸟粪石)法的磷回收技术和厌氧氨氧化工艺的生物脱氮技术,对污泥消化上清液进行处理,以免加重污水处理厂水处理系统的氮磷负荷,影响污水处理厂的正常运行。' c# }5 \+ ~& U
9 z' E$ I. j- c9 I& l5 m0 B6.2 消化污泥中重金属的钝化耦合; }; J3 A% h; r; v5 h# [2 o
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污泥中的重金属主要以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态五种形态存在。其中,前三种为不稳定态,容易被植物吸收利用;后两种为稳定态,不易释放到环境中。污泥中锌和镍主要以不稳定态的形式存在;铜主要以硫化物及有机结合态存在;铬主要以残渣态存在;汞、镉、砷、铅等毒性大的金属元素几乎全部以残渣态存在。
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6 Q! d$ r0 e1 l) L) Q0 F4 z在污泥的厌氧消化过程中,硫酸盐还原菌、酸化细菌等能促使污泥中硫酸盐的还原和含硫有机质的分解,而生成S2-离子。所生成的硫离子能够与污泥中的重金属反应生成稳定的硫化物,使铜、锌、镍、铬等重金属的稳定态含量升高,从而降低对环境造成影响。另外,温度、酸度等环境条件的变化,CO32-等无机物以及有机物与重金属的络合;微生物的作用,同样可以引起可交换的离子态向其他形态的转化,使重金属的形态分布趋于稳定态。从而它们可以达到稳定、固着重金属的作用。
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6.3 臭气、烟气、沼气和噪声处理
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j8 |% \; g+ w# `厌氧消化池是一个封闭的系统,通常不会有臭气逸出,但是污泥在输送和贮存过程会有臭气散发。对厌氧消化系统内会散发臭气的点应进行密闭,并设排风装置,引接至全厂统一的除臭装置中进行处理。
( L7 ~. N$ q7 b4 K9 c. z3 J' D0 w9 e8 |3 T- D0 a
沼气燃烧尾气污染物主要为 SO2 和 NOx,排放浓度应遵守相关标准的要求。. Q' r$ D& O/ A+ I0 A4 c
4 g/ k1 d6 v$ L) I& J当沼气产生量高于沼气利用量时或沼气利用系统未工作时,沼气应通过废气燃烧器烧掉。' W f$ C( f& o, ?% E$ }" A
2 p4 F: F- J' ?% J; R& M, C: c沼气发电和沼气拖动设备会产生噪声,产生噪声的设备应设在室内,建筑应采用隔音降噪处理。人员进入时,需戴护耳罩。8 E. ]+ e+ @4 ?& I( l; \2 `8 z
: G, p. Z$ n4 C7 G7 投资与成本的评价及分析
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0 O) w% _3 {! h/ z国内污泥消化系统运行好的项目较少,采用的关键设备和配套设施主要依赖进口。因此,目前的投资与运行费用统计尚不具有典型性。/ C: \* M6 ` t; N- L. a
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投资成本与系统的构成、污泥性质、自动化程度、设备质量等因素相关。一般情况下,厌氧消化系统的工程投资约为20~40万元/t污泥(含水率80%)(不包括浓缩和脱水)。若采用更多进口设备,投资成本将会增加。
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6 u0 i# _* u( E# F% s厌氧消化直接运行成本约60~120元/t污泥(含水率80%)(不包括浓缩和脱水),折合吨水处理成本约0.05~0.10元/t。考虑沼气回收利用后,可节省部分运行成本。% V8 i0 b$ V0 A6 a( g& u6 ?
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