1 原理与作用/ c% t) I3 w/ p1 T* R
% o# n4 k0 f5 g- h( _; N# L5 w
; J2 D+ F ?6 D1 s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 N' S1 y7 m( ]7 R' W q% V, A5 O1 Q$ U# G7 I. }: P
(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;
" D0 f/ U y3 g2 W2 W3 [& o7 |2 e% y% ]: j
(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;$ @( K0 P5 i' b, C+ N% ^! t/ K
0 `+ ^' j4 q( Z4 u8 B
(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。
, ^; k8 o5 s3 Q$ j) u/ t" I! l8 j3 S- M7 S7 u8 h
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。
\% y$ q" O0 m# |/ U9 F8 W7 J$ `& `# k& m) d9 P
2 应用原则
; [8 L# m% i/ B+ j0 r: S. ?9 T' K/ ^, C* o) C
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。) n% ~0 O3 c8 g' _5 c
8 \+ c7 ?9 I, w% B) R. i6 X: C4 f+ t. E3 厌氧消化工艺: C* E% d: g$ u3 |. k$ m
2 q6 B" T/ k4 o2 ?: A& x; {
3.1 厌氧消化的分类
. N/ Q6 z4 k8 z9 l3 N4 N
7 k# Y9 j. F& x% A1) 中温厌氧消化3 K+ R0 `7 C' ]8 i
9 J* S+ ?3 j7 T# x9 P/ I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)。- D" @5 B+ b! R# b' ~8 ]
. K5 W3 P- d _
R/ n7 D) P$ n# l
0 V6 I% V! G! X8 y; g" X( x% l
+ a) L2 N4 E% f/ {2 d2) 高温厌氧消化6 g! C3 ~& Q* w1 D2 Y+ a
o& I. {6 f2 x' {# @! L8 c' T7 }
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。
5 V7 P2 |; m' V5 n) \- l/ o8 i- j" w. f/ g9 C5 Q! F) Z& N
3.2 传统厌氧消化工艺流程与系统组成
" {) y& d( s; j" p( |" |: z: K' {0 k% H L
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。
* S/ {, X9 d+ A/ O p4 G
^! F9 Y$ F8 j
& A1 W' H8 |. C r; s0 T/ h- m
" y. [* F w; ]) r6 I
: |3 P# |: r$ L+ S# j& L
! j( R+ n" Z3 K3 K1 X
' h4 u' q" N( w R
$ }# F2 n6 v* K8 i3 z r! x: g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。
7 g. ]; Y9 n: q. {& h% y
( {/ P3 x* Y* k7 s+ E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。) s5 Q- u4 C9 _' l
7 `% Q* i. \' X9 S* H5 h
3.3 厌氧消化新技术
: u! B1 S7 l+ h# s$ f" C2 m; w; h7 u) @5 V6 k2 B% q, q7 W- M
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。
2 t, T7 |" Q& w" x
D7 A5 l, y2 |1 @* r8 O: E" w1) 基于高温热水解(THP)预处理的高含固污泥厌氧消化技术$ G( z. q9 c$ R4 ~
8 B: M: V O) Q9 z* r; q# A( P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。! {8 ~5 Z) l7 l. l
* g9 u# J. R: j. f' X! V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。
/ Q5 s @1 n8 x' P0 G9 j: m" d* v5 v% R) l# V: T0 a# a% U
4 q/ h9 y- G, ?1 j, o) v: ^1 h b
, B$ i+ K; t5 s6 v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
. \6 C# O2 L' Y5 S- U" t( v0 T9 t0 d4 g! n/ T. ~2 q
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:( r- n" z9 M% V
o! w& E$ V4 Y2 {' e6 ]0 |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。
7 \: ]# I: U7 f( P' ]; \
: n( I& A- R" h( E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。% A5 t2 |# {4 o: f
2 ]/ b3 U: ?+ D. @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。1 o- C, k5 z4 U& Q* D' C0 I
# [4 U& |8 l, w! o
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。" |. \5 t+ Q! F) ^0 v( [
p5 c7 P0 V1 j. a0 {' y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。/ L/ ] z) U( K6 D4 h9 G
1 @' G* z0 B' c, `% K
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。3 S: h l: u( S; s/ D- i6 [7 N0 c
; T! L( Z* g4 S6 r g" _4 沼气的收集、贮存及利用5 J6 J% Q8 j e z" r* V6 c- z1 s: z
- T) Y" x$ A3 v8 {3 z4 p+ t
4.1 沼气的性质
3 K% E' K5 g: F6 g- Y4 f8 S$ X+ Z9 }& a4 i* A. C; x
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。" E6 v8 d, Z8 H* Q/ o
& Y A# g* A+ \# A7 A4.2 沼气收集、净化与纯化
- `. u& |0 L$ X4 r3 f5 I7 |
. I) I* Y( o3 ?4 s1 |1)沼气的收集与储存9 t9 O a; J$ l. b$ { d( u
; t" [$ |4 T- T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。
2 u& M7 f O; M8 B7 c
) z- H# ~& T$ s$ s* ]% ?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。
8 F( x3 J% D$ B7 n0 E+ ?2 _
7 y% [: S! Q! H# I# |' Y* O2)沼气净化
/ G8 ?7 t) V9 U) W y) r/ u5 I W! O) {6 S; p/ D
沼气在利用之前,需进行去湿、除浊和脱硫处理。9 m$ B8 \% J" S& p( A p/ u6 W
5 P8 ^0 q5 j' a$ y- \% L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。
5 g- A7 J. C2 B0 `+ \: q7 |' [7 F/ L& s
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。2 m$ `! z+ V) H0 E* h- Z2 N
! C, o x9 D- ^( h4 l3)沼气纯化
; Z) j o* ^7 u# ^% q4 g5 O5 h1 u% \, ^2 s
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。* h) A! n' ]& b" ^8 X
" R4 q$ K8 f, ^! h" H7 M
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。: |! ]/ {- Q( S5 I4 x
/ V7 s `1 n+ i2 E
4.3 沼气利用
; K, o) x8 \7 B8 e$ M4 w3 [1 B3 ?0 \2 E' q6 d0 b5 \
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。3 G: W, P6 c- |/ R3 [& o. x
% f& F- r" X1 ~; J' A, u5 h M
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。
' d5 R6 N; `( u
) B6 X/ M/ W1 r/ F; H
) T: R% b( K& S& a5 厌氧消化系统的运行控制和管理要点' n& @' R! M5 Z. ~+ X3 A
9 `8 ?" e" {) |0 ]- p! r
5.1 运行控制要点9 B. V* `- w6 J5 k" }" @
$ L7 _/ e0 ]/ J1)系统启动. e0 Q; [; u+ z$ S+ ?0 T S t
- c3 b) {- M* V2 Z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。
% H' w& h& c$ [' `, C9 P- `- c
' A4 y9 I9 J. h; X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。
- U- j k1 l! L( d% ]& ?+ l% @: X: z: B; w
2)进出料控制! n2 b4 ^5 M* q% g. \
, z6 X+ ?6 A c$ ~+ F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。7 D6 m; k0 P b
. y Q' X$ R! U V4 f6 y3)温度% x5 V. y9 a; s# D* J- j4 [% s
/ ~% @. S/ v, N/ b r0 d; C
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。, O# [6 w5 ?7 A8 O, u
9 q; H* j1 h( a7 [5 R
4)碱度和挥发酸
n6 \1 b- I5 A' M) ^
6 p! J1 M. e# a* ~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。* | \* h2 Z. [' M/ Q- Y
+ {5 u r+ F# f/ E. g' D g9 a* q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。
# y" E) L9 u7 o2 _" I
( e! [7 U [* s1 x5)pH值
1 A6 `0 U" M/ Q1 w
$ W$ T, i5 s: R2 T" Y! j$ 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。/ l) X- v" W% j W" [, `
* u6 u" z, L. M4 K& A+ o& h5 r
6) 毒性) J" {6 o @6 ^6 H& _
, O# l7 Q! j" e
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。
7 a! ~, V- s6 R7 n. }. n" ~) B( `. ^" t9 n: D
5.2 安全管理
) R% ]- b$ a" k6 U6 t7 Z; f2 | V7 r# B: P! J$ u4 _8 [5 W
为了防止沼气爆炸和H2S中毒,需注意以下事项:
; d; t$ l8 p, z' T7 c7 X8 S( r$ ^( f& _
(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;
6 V( u% g+ w, G3 I9 a1 _( ~6 G2 u+ |0 l
(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;- @# q5 P, \; i6 p, G
: J4 \3 }6 E7 ^$ n* {8 }
(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;
2 V' \/ v" M/ I
7 n3 n8 ~) T) O4 b* {- r+ C(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;0 X6 r! R! b3 E: Q& W
+ Y) c8 `. U0 B1 K# E(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;9 R2 w p( i1 F1 A; c; d
% p1 r! A' O. z) o9 b- d% f) g# Z(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;+ W H2 K2 Z& a9 m6 m* _
' m, [6 g5 y6 P1 B(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;
# @7 S2 C- V$ L. ~- W7 A
8 T& q8 w$ s) Z) z4 b! T5 c8 ^/ a(8) 沼气系统区域周围一般应设防护栏、建立出入检查制度;! [1 [/ \' T0 _+ D+ I- K4 I# w2 \+ d
8 R# T8 D0 R; N4 ?(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。
9 }* R: n+ B6 d" Z! d' e9 g4 R. M+ Y5 c. p
6 二次污染控制和要求
4 l9 `$ Z7 N$ n- t; e: d1 _
, y1 h- X' X) \6 A+ P6 q& j6.1 消化液的处理与磷的回收利用2 J. [ E. @# d+ W+ S
3 `7 e0 J; L8 d! b, h9 t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。" `1 h- M; \1 l+ `! W/ H1 B( _ y
* s) T/ n& z4 {6 @: U8 L
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。
# l$ u2 P9 n" h0 Z$ J' R. i1 S5 W6 h. m# M/ W" i9 c( m5 q
6.2 消化污泥中重金属的钝化耦合5 g; M; `5 c E5 g' K
3 e$ R. e% G" ]- m' T) i" {
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。
/ Y3 a0 e7 W* O% K7 J/ T
, P: _; F, T! W4 W$ u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。+ B- Y1 `% B: z/ E
) H* A" P/ a. Y3 l' }5 ^9 x
6.3 臭气、烟气、沼气和噪声处理
% O% @# |4 A, \- J D% i" Z, \
! l+ V& t9 a* [& F# V# V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。
# w K% K3 I% H# f; X4 [. M: Q
' W0 i# h% w2 e# M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。* R+ H" O& J" _, S
1 Z8 M* z, f/ r! P# R$ v2 X0 o# j3 O- c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。
' P! s2 u7 h- k: W4 R S. _7 L. E( r3 g% {- o
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。3 A u6 V3 M* }! e4 W6 ]4 V
5 B0 ?4 p j& [/ S. I. V+ K
7 投资与成本的评价及分析) I( N7 _2 q: N+ Y
8 H6 S. ]* H# ^
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。
3 X: H1 {' s- Q/ ^+ h9 q2 \0 k8 Z6 c
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。, J) A6 F e0 Y1 |/ V) H5 N# j! s
1 r- A2 T, n. \9 O# x/ a( F5 v$ |$ }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。- Z$ Q7 s/ e3 ~& v0 l
6 W! Y% ?! m: Z A! P) h
|
© 声明:本文仅表作者或发布者个人观点,与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实,对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。
|