1. 厭氧消化技術(shù)概述
厭氧消化是利用兼氧菌和厭氧菌進行厭氧生化反應,分解污泥中有機質(zhì)的一種污泥處理工藝。
1881年法國Mouras凈化器是污水(污泥)厭氧生物處理的雛形;1905年,德國的Imhoff池的出現(xiàn),第一次將泥水分離進行厭氧處理;1927年,首次在厭氧消化池中加上了加熱裝置,使產(chǎn)氣速率顯著提高;隨后,又增加了機械攪拌器,反應速率進一步提高;20世紀50年代初又出現(xiàn)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置。多種形式的厭氧消化池形成了現(xiàn)代污泥厭氧消化技術(shù)的核心工藝體系。
1.2技術(shù)原理
厭氧消化的作用機理有兩段論、三段論、四段論之分,就兩段論可以分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段,其中產(chǎn)酸階段又可細分為水解階段、酸化階段、酸性衰退階段。
水解酸化階段(酸性發(fā)酵):污水中不溶性大分子有機物,如多糖、淀粉、纖維素、烴類(烷、烯、炔等)水解,主要產(chǎn)物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸;緊接著氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪水解生成氨和胺、多肽等。
產(chǎn)甲烷階段(堿性發(fā)酵):產(chǎn)甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質(zhì)通過不同途徑轉(zhuǎn)化為甲烷,其中最主要的基質(zhì)為乙酸。
全部反應可以概括為:
淀 粉——水解——葡萄糖——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷
脂 肪——水解——甘 油——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷
蛋白質(zhì)——水解——氨基酸——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷
1.3厭氧消化池分類
厭氧消化池從構(gòu)造上一般分為池頂、池體和池底三部分:池頂主要起到收集沼氣的作用;池體主要起到容納作用;池底一般主要起到排泥的作用。
按照消化池形狀可以分為:圓柱形、橢圓形(卵形)和龜甲形等。
按照池頂結(jié)構(gòu)形式可以分為:固定蓋式和移動蓋式。
按照攪拌形式可以分為:機械攪拌和沼氣攪拌兩種形式;機械攪拌又分為泵攪拌、槳葉攪拌、水射器攪拌等;沼氣攪拌又可分為氣提式攪拌、豎管式攪拌和氣體擴散式攪拌等。
1.4國內(nèi)應用情況
2000年,建設(shè)部、國家環(huán)保局、科技部聯(lián)合發(fā)布《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》規(guī)定:“處理能力達于10萬m3/d的污水處理二級設(shè)施產(chǎn)生的污泥,宜采取厭氧消化工藝進行處理”。截至2011年,國內(nèi)已建成市政污水處理廠3078座,其中配套建設(shè)厭氧消化系統(tǒng)的50余座,這其中穩(wěn)定正常運行不超過10座。2010、2011年污泥處理處置十大推薦案例中共列入6個厭氧消化項目,其中還包括當時“尚未進行24小時連續(xù)運行和冬季運行”的上海市白龍崗污水廠污泥處理工程。
以下主要依據(jù)中國水網(wǎng)2010、2011年度污泥處理處置推薦案例評選資料及部分國內(nèi)公開發(fā)表文獻資料摘錄列舉國內(nèi)正常運行的主要厭氧消化工程實例情況:
1.4.1大連東泰夏家河污泥處理廠
夏家河項目占地2.47公頃,日處理市政污泥600噸。采用LIIP消化罐12個(圓柱形平底形式),直徑16m,高度15m,有效高度11.2m,單位有效容積2230m3,污泥停留時間22~25d,進泥含固率10%,污泥投配率4~5%,消化溫度37℃,沼氣日產(chǎn)量30000-32000 m3,池容產(chǎn)氣率1.12~1.20m3/m3,經(jīng)提純處理后CH4日產(chǎn)量16500立方米供應市政燃氣。電耗15000~18000 kW.h/d(攪拌強度19.5W/m3)。沼渣脫水后含水率降至70%左右,送至垃圾填埋場晾曬填埋;沼液排至夏家河污水處理廠處理排放。
項目工程總投資14913萬元,運行成本130-150 元/噸。
項目于2007年開工建設(shè),2009年4月正式運行。
1.4.2青島麥島污水廠污泥處理項目
麥島項目為青島麥島140,000 m3/d污水處理廠擴建工程配套子項目,污水廠占地3.9公頃,污泥系統(tǒng)處理規(guī)模48tDS/d(相當于含水率80%脫水污泥240t/d)。采用圓柱形消化池2座,直徑29.3m,高度25.7m,有效高度18m,單位有效容積12700m3,污泥停留時間20d,進泥含固率3.8~4%,污泥投配率1.9kgDS/m3.d,消化溫度35±2℃,沼氣日產(chǎn)量14400~15000 m3,池容產(chǎn)氣率0.59m3/m3,產(chǎn)品首先用于4臺500kVA沼氣發(fā)電機能源,剩余的沼氣通過火炬燃燒。攪拌強度0.9W/m3。沼渣脫水后含水率降至78%以下,送至垃圾填埋場或堆肥處理;沼液由污水處理廠處理排放。
項目于2008年6月正式運行。
1.4.3北京小紅門污水廠污泥處理項目
小紅門項目為北京小紅門600,000 m3/d污水處理廠工程配套子項目,污泥系統(tǒng)處理規(guī)模132.5tDS/d(相當于含水率80%脫水污泥662.5t/d)。采用卵形消化池5座,單位有效容積12300m3,污泥停留時間20d,進泥含固率3.2%,污泥投配率5%,消化溫度35℃,沼氣日產(chǎn)量30000m3,池容產(chǎn)氣率0.49m3/m3,產(chǎn)品用于沼氣拖動鼓風機。攪拌強度3W/m3。沼渣脫水后含水率降至83%左右,送至石灰干化車間干化外運填埋;沼液由污水處理廠處理排放。
項目工程總投資20000萬元,運行費用1464萬元/年。
項目于2008年11月竣工正式投入運行。
1.4.4上海白龍崗污水廠污泥處理項目
白龍崗項目為上海白龍崗污水廠2,000,000 m3/d污水處理廠升級改造工程配套子項目,污泥系統(tǒng)處理規(guī)模204tDS/d(相當于含水率80%脫水污泥1020t/d)。采用卵形消化池8座,池體最大直徑25m,垂直高度44m(地上32m,地下12m),單位有效容積12400m3,設(shè)計污泥停留時間24.3d,進泥含固率5%,污泥投配率4.1%,消化溫度33~35℃,沼氣日產(chǎn)量44512m3,池容產(chǎn)氣率0.45m3/m3,產(chǎn)品用于消化池加熱保溫和后續(xù)污泥干化。攪拌強度4.7W/m3。沼渣脫水后含水率降至75%左右,送至流化床干化工序處理至含固率70%外運;沼液由污水處理廠處理排放。
項目工程總投資63000萬元,運行成本約120 元/噸脫水污泥。
項目于2010年10月建成,2011年4月12日進入調(diào)試運行。
1.4.5新疆烏魯木齊河東污水廠污泥消化及熱電聯(lián)產(chǎn)項目
新疆烏魯木齊河東污水廠污泥消化及熱電聯(lián)產(chǎn)項目為新疆烏魯木齊河東污水廠原污泥厭氧消化系統(tǒng)維修改造項目。污泥系統(tǒng)處理規(guī)模79tDS/d(相當于含水率80%脫水污泥395t/d)。采用圓柱形消化池4座,直徑20m,高度30.2m,期中柱體高度20m,單位有效容積7164m3,污泥停留時間16d,進泥含固率4%,消化溫度35℃,沼氣日產(chǎn)量41225 m3。產(chǎn)品首先用于沼氣發(fā)電機能源,剩余的沼氣通過火炬燃燒。電耗60000kW.h/d(攪拌強度0.94W/m3)。沼渣脫水后含水率降至78%左右,送至垃圾填埋場或堆肥處理;沼液由污水處理廠處理排放。
注:按照0.85Nm3/kgVSS產(chǎn)氣率估算,上述污泥系統(tǒng)處理規(guī)模與沼氣日產(chǎn)量對應100%的有機質(zhì)含量和60%的降解率,顯然失實。
項目于2006年由于設(shè)備問題停用,2009年經(jīng)改造后恢復運行使用,2010年底開始4座消化池正常運行。
1.4.6鄭州王新莊污水廠污泥厭氧消化及沼氣利用項目
鄭州王新莊污水廠污泥厭氧消化及沼氣利用項目為鄭州王新莊污水廠工程配套子項目,污泥系統(tǒng)處理規(guī)模相當于含水率80%脫水污泥330t/d。采用圓柱形消化池,一級3座,二級1座,直徑28.8m,高度20.2m,期中柱體高度14.5m,單位有效容積10000m3,污泥總停留時間24d,進泥含固率5%,污泥投配率5%,消化溫度35±1℃,沼氣日產(chǎn)量20000 m3左右,池容產(chǎn)氣率0.5m3/m3,經(jīng)提純處理后CH4日產(chǎn)量10000立方米供應市政燃氣。沼渣脫水后含水率降至78%左右,送至垃圾填埋場或堆肥處理;沼液由污水處理廠處理排放。
項目于2001年正式運行,根據(jù)2006.3.14~3.23運行數(shù)據(jù)記錄(平均值):生污泥量1205m3/d,進泥含水率94.89%,沼氣產(chǎn)量17625m3/d,基本達到設(shè)計指標。
表1.1厭氧消化典型案例主要技術(shù)參數(shù)對比
|
夏家河 |
麥島 |
小紅門 |
白龍崗 |
河東 |
王新莊 |
DS處理量 |
120 |
48 |
132.5 |
204 |
79 |
66 |
消化池類型 |
圓柱形(平底) |
圓柱形 |
卵形 |
卵形 |
圓柱形 |
圓柱形 |
單池有效容積 |
2230 |
12700 |
12300 |
12400 |
7164 |
10000 |
消化池數(shù)量 |
12 |
2 |
5 |
8 |
4 |
4 |
一級消化SRT |
22-25 |
20 |
20 |
24.3 |
16 |
18 |
二級消化SRT |
—— |
—— |
—— |
—— |
—— |
6 |
含固率 |
10 |
3.8-4 |
3.2 |
5 |
4 |
5 |
投配率 |
4-5 |
5 |
5 |
4.1 |
|
5 |
消化溫度 |
37 |
35 |
35 |
33-35 |
35 |
35 |
沼氣總產(chǎn)量 |
27600 |
14400 |
30000 |
44512 |
——
|
20000 |
容積沼氣產(chǎn)率/m3.d |
1.12 |
0.59 |
0.49 |
0.45 |
——
|
0.5 |
污泥沼氣產(chǎn)率/tDS.d |
10.5 |
15.0 |
11.3 |
8.9 |
—— |
12.6 |
攪拌強度 |
19.5 |
0.9 |
3 |
4.7 |
|
|
脫水沼渣含水率 |
70 |
78 |
83 |
75 |
78 |
78 |
工程投資 |
14913 |
—— |
20000 |
63000 |
—— |
—— |
折合運行成本 |
130-150 |
—— |
60-70 |
約120 |
—— |
—— |
運行時間 |
2009.4 |
2008.6 |
2008.11 |
2011.4 |
2010.4 |
2001 |
2.處理過程應注意的問題
2.1泥質(zhì)
中國城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)與發(fā)達國家存在差異,在污水處理工藝選擇和優(yōu)化方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗,在污泥處理處置方面同樣可以借鑒污水處理經(jīng)驗,在充分分析掌握中國泥質(zhì)特點的前提下,引入國外成熟技術(shù)時,應在本土化改良后謹慎適度推廣,否則將只能是事倍功半,甚至無功而返。
2.1.1有機質(zhì)含量
中國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥有機質(zhì)含量呈現(xiàn)地域和季節(jié)不均勻特點,總體水平較發(fā)達國家明顯偏低。我國2001年抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)較美國2000年統(tǒng)計數(shù)據(jù)低28%,這主要是由于我國市政污水進水濃度偏低造成的;2009年抽樣數(shù)據(jù)較2001年低25%,這主要是由于新建大量中小污水處理廠,較大中城市污水處理廠進水濃度更低。下表清楚地反映了上述情況。
表2.1城市污水處理廠有機質(zhì)含量統(tǒng)計表(單位:g/kg)
項目 |
消化池 |
有機質(zhì) |
TN |
TP |
TP |
北京高碑店污水廠 |
圓柱形 |
482 |
29.4 |
7.1 |
7.0 |
太原楊家堡污水廠 |
圓柱形 |
281 |
14.2 |
4.7 |
3.4 |
杭州四堡污水廠 |
卵 形 |
318 |
11.0 |
11.5 |
7.4 |
無錫蘆村污水廠 |
圓柱形 |
333 |
21.7 |
10.5 |
5.8 |
天津紀莊子污水廠 |
圓柱形 |
414 |
32.6 |
14.0 |
9.1 |
西安第四污水廠 |
圓柱形 |
222 |
15.2 |
9.6 |
—— |
上海白龍崗污水廠 |
卵 形 |
530 |
—— |
—— |
—— |
2001年平均 (樣本數(shù):29) |
|
384 |
27.1 |
14.3 |
6.9 |
2009年平均 (樣本數(shù):98) |
|
287 |
28.5 |
21.5 |
5.42 |
美國2000年平均 |
|
534 |
26.0 |
8.1 |
4.0 |
HRT=20d的情況下,如果按照50%的有機物降解率和0.85Nm3/kgVSS的產(chǎn)氣率估算,本文1.4節(jié)所列舉的項目有機質(zhì)含量平均應達到55%以上,方可實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)氣率目標;按照45%的有機物降解率和0.8Nm3/kgVSS的產(chǎn)氣率估算,本文1.4節(jié)所列舉的項目有機質(zhì)含量平均應達到65%以上,方可實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)氣率目標;而如果按照40%的有機物降解率和0.7Nm3/kgVSS的產(chǎn)氣率估算,則這一指標必須達到83%以上方可實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)氣率目標。
因此,有機質(zhì)含量低將直接影響厭氧消化過程的產(chǎn)氣率指標,從而影響系統(tǒng)能耗和運行成本,這也是我國大部分厭氧消化池停運的主要原因之一。保守粗略估計,有機質(zhì)含量低于60%的污泥很難在日后運行過程中實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)濟指標。
2.1.2含砂量
污泥中有機質(zhì)成分偏低對應著無機成分偏高,從側(cè)面反映出污水處理廠進水含砂量偏高。究其原因原因主要有:雨污分流系統(tǒng)不完善、污水管道受損、人為因素等。
根據(jù)設(shè)計規(guī)范:城市污水的含砂量可按10萬m3污水沉砂30m3計算(注:合流制污水的含砂量應根據(jù)實際情況確定),但有些污水處理廠進水口水樣檢測高于上述值,甚至是設(shè)計含砂量的2~3倍。
目前污水廠所采用的沉砂系統(tǒng)主要用于去除污水中粒徑大于0.2mm,密度大于2.65t/立方米的砂粒,以保護管道、閥門等設(shè)施免受磨損和阻塞。因此即使在除砂系統(tǒng)正常工作的前提下部分砂粒也會隨污泥進入到污水生化反應系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)中。在污泥處理系統(tǒng)中,由于砂粒具有流動性差、易沉積的特點,會引起污泥管道堵塞、消化池底部積砂,從而影響消化池的正常運行和沼氣產(chǎn)量,并且磨損設(shè)備尤其是機械式攪拌器。
解決消化池沉砂的辦法有二:一是的加大攪拌動力和延長攪拌時間,避免砂沉降并使之隨污泥排出池外;二是定期清理消化池;前者意味著運行成本的提高和設(shè)備磨損的加快,后者意味著無法連續(xù)運行并可能需要清空消化池。此外優(yōu)化改善污水處理中沉砂系統(tǒng)的去除效果也是不失為有效辦法。
2.1.3營養(yǎng)與碳氮比
消化池的營養(yǎng)由投配污泥供給,營養(yǎng)配比中最重要的是C/N比。C/N比太高,細菌氮量不足,消化液緩沖能力降低,pH值容易下降;C/N比太低,含氮量過多,pH值可能上升到8.0以上,脂肪酸的銨鹽發(fā)生積累,使有機物分解受到抑制。
據(jù)研究,對于污泥消化處理來說, C/N比以10~20較合適,因此,初沉污泥的消化較好,剩余污泥C/N比約為5~10,不宜單獨進行消化處理。近期建設(shè)的污水處理廠很多省略了初沉系統(tǒng),因此應關(guān)注C/N對于厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的不利影響。
2.2池形的選擇
目前在國內(nèi)有應用案例的,主要按照形狀分為如下兩類:
(1)圓柱形消化池
圓柱形消化池的形狀是圓柱狀中部,圓錐形底部和頂部。這種池形的優(yōu)點是設(shè)計簡便,易選擇攪拌系統(tǒng)。但底部面積大,易造成粗砂的堆積,因此需要定期進行停池清理。更重要的是在形狀變化的部分存在尖角,應力很容易聚集在這些區(qū)域,使結(jié)構(gòu)處理較困難。底部和頂部的圓錐部分,在土建施工澆鑄時混凝土難密實,易產(chǎn)生滲漏。在傳統(tǒng)圓柱形消化池基礎(chǔ)上,近些年發(fā)展出平底圓圓柱形消化池,是一種土建成本較低的池形,它要求池形與裝備和功能之間要有更好的相互協(xié)調(diào)。
。2)卵形消化池
卵形消化池在德國從1956年就開始采用,應用較普遍。其優(yōu)點可以總結(jié)為以下幾點:
、倨涑匦文艽龠M混合攪拌的均勻,單位面積內(nèi)可獲得較多的微生物。用較小的能量既可達到良好的混合效果。
、诼研蜗氐男螤钣行У叵舜稚昂透≡亩逊e,池內(nèi)一般不產(chǎn)生死角,可保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。
③卵形消化池表面積小,耗熱量較低,很容易保持系統(tǒng)溫度。
④生化效果好,分解率高。
、萆喜棵娣e少,不易產(chǎn)生浮渣,即使生成也易去除。
⑥卵形消化池的殼體形狀使池體結(jié)構(gòu)受力分部均勻,結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很大優(yōu)勢,可以做到消化池單池池容的大型化。
卵形消化池的缺點是土建施工費用比傳統(tǒng)消化池高,因此對大體積消化池采用卵形池更能體顯其優(yōu)點。
表2.2卵形與圓柱形消化池的定性比較
名稱
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圓柱形
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卵形
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混合效果
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低效的混合性,為了混合得更均勻需要很大的外加能量。
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較好的混合性,需要能量低。
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淤砂問題
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底部面積大,易沉淀粗砂和污泥,需要定期清理。浪費的空間導致消化物的消化水平較差。
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底部面積小,可有效地消除粗砂和污泥的沉淀,使微小顆粒與污泥充分混合。
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浮渣問題
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因泥液面較大,浮渣的堆積層不能被有效和永久性得到解決。
|
污泥液面積大大減少,能有效地控制浮渣的形成和排出。
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維護
與保養(yǎng)
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一般情況下需對全池進行清理,重新啟動系統(tǒng)和整個處理裝置需要幾個月的時間。維護費用較高。
|
不需要定期清理,可連續(xù)運行。
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運行
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底部的死角很容易被粗砂和其它沉淀物所堆積,而頂部的無效空間又極易堆積浮渣,從而使消化處理效果較差。
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穩(wěn)定地減少易揮發(fā)性有機物且穩(wěn)定、連續(xù)地產(chǎn)生沼氣,形成有效的運行處理過程。
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容積
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受結(jié)構(gòu)和工藝條件的限制,單池容積不易很大。因此占地面積大。
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結(jié)構(gòu)和工藝條件較好,單池處理能力大故而所占地面積小,因此在地面積有限或土地價格昂貴的地方成為必然的選擇。
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運行溫度
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表面積與處理污泥量的比例較大,使運行費用高且能量消耗較大。
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表面積與污泥處理量的比例較小。優(yōu)異的混合性能保證了系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定。
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攪拌費用
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高
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低
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土建費用
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相對較低
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高
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產(chǎn)氣量
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較低
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較高
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能量消耗
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較高
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較低
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適用情況
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中小型厭氧消化設(shè)施
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大型厭氧消化設(shè)施 |
消化池是實現(xiàn)厭氧消化工藝目的的核心構(gòu)筑物,但僅起到“工具”和“手段”的作用,并非項目成敗的“關(guān)鍵”。結(jié)合項目規(guī)模和現(xiàn)場實際情況,選擇適宜的池型即可,就如同污水工藝選擇氧化溝還是傳統(tǒng)曝氣池一樣。
2.3溫度與無害化程度
厭氧消化代謝溫度在35~38℃和50~65℃存在兩個反應高峰,因此厭氧發(fā)酵?刂圃谶@兩個溫度區(qū)間內(nèi),以獲得盡可能高的降解速度和產(chǎn)氣率。相應地,厭氧消化被分為高溫消化(55°C左右)和中溫消化(35°C左右)。 實際上,在10-60℃的范圍內(nèi),產(chǎn)甲烷菌并沒有特定的溫度限制,然而在一定溫度范圍內(nèi)被馴化以后,小幅度溫度升降即可嚴重影響消化進程;研究表明:在污泥厭氧消化過程中,溫度發(fā)生±3℃變化時,就會抑制污泥消化速度;溫度發(fā)生±5℃變化時,就會突然停止產(chǎn)氣,使有機酸發(fā)生大量積累而破壞厭氧消化;尤其是高溫消化,對溫度變化更為敏感。因此,在厭氧消化操作運行過程中,應盡量保持溫度不變。
圖2.1厭氧消化溫度-時間關(guān)系曲線
高溫消化的反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍,產(chǎn)氣率也較高,消化時間短,可取得較好的衛(wèi)生效果,消化后污泥的脫水性能也較好。但由于高溫消化加熱污泥所消耗的熱量大,能耗高,運行管理要求嚴格,在國內(nèi)外多采用中溫厭氧消化形式。
中溫厭氧消化在無害化方面存在以下問題:
(1)主要細菌、病毒、寄生蟲卵致死溫度均在50℃以上,因此中溫消化緊靠溫度無法實現(xiàn)無害化處理過程。
表2.3主要細菌、病毒、寄生蟲卵滅活溫度
名稱 |
致死溫度(℃) |
殺滅所用時間(min) |
蠅蛆 |
51 |
1 |
蛔蟲卵 |
50-55 |
5-10 |
鉤蟲卵 |
50 |
3 |
饒蟲卵 |
50 |
1 |
痢疾桿菌 |
60 |
10-20 |
傷寒桿菌 |
60 |
10 |
大腸桿菌 |
55 |
60 |
結(jié)核桿菌 |
60 |
30 |
炭宜桿菌 |
50-55 |
60 |
霍亂菌 |
55 |
30 |
赤痢菌 |
45-50 |
5 |
白喉菌 |
55 |
45 |
病毒 |
70 |
25 |
牛流產(chǎn)菌 |
55 |
60 |
豬丹毒桿菌 |
70 |
15 |
豬瘟病蟲 |
55 |
|
(2)厭氧消化確實能夠較大程度殺滅細菌和寄生蟲卵,但殺菌機理目前尚不完全清楚,且無害化處理的可靠性存在質(zhì)疑。謝秀蘭關(guān)于中溫(37℃)沼氣發(fā)酵對四種細菌殺滅效果研究證明:沼氣發(fā)酵對不同的病原菌殺滅效果不一致,其中傷寒沙門氏菌10d方能完全殺滅,福氏志賀菌30d仍不能完全殺滅。
(3)厭氧消化池運行模式?jīng)Q定,新投配污泥有可能在沒有滿足停留時間的情況下隨出泥排出池外,無法完成反應過程,同時也無法完成無害化處理過程。
徹底解決上述問題的辦法有二:一是增加前處理工序并考慮無害化措施,如高溫高壓熱水解預處理等;二是除機械脫水外增加后處理工序,如高溫好氧堆肥、熱干化等。
2.4污泥含固率與攪拌動力
進入消化池的物料含水率應盡量少,一方面可以減少消化池容積,降低耗熱量,另一方面可以提高污泥中甲烷菌濃度,加速并提前生化反應。李禮等對含固率(TS)分別為2%、6%、10%和14%的4組牛糞溶液進行厭氧消化實驗,系統(tǒng)運行48 d,結(jié)果表明,進料TS是影響厭氧消化產(chǎn)氣效果的重要因素,調(diào)節(jié)進料TS至10%?梢允蛊鋮捬跸@得最佳的產(chǎn)氣效果,產(chǎn)氣率225cm3/g,產(chǎn)氣中甲烷含量為56.1%;而TS為6%時,產(chǎn)氣率117.8cm3/g,產(chǎn)氣中甲烷含量為53.4 %。
但由于濃縮系統(tǒng)和輸送攪拌系統(tǒng)的限制,污泥含固率設(shè)計值一般采用3~5%,目前最大可行的污泥含固率范圍為10~12%。本文1.4中列舉的五個案例采用了3~5%含固率,只有夏家河項目采用了10%含固率,主要因為該項目處理對象為含水率80%左右的脫水污泥,其他項目處理對象均為濃縮污泥,含水率很難提高到5%。但從夏家河項目的數(shù)據(jù)可以看出兩個問題:
(1)含水率80%的脫水污泥運入廠內(nèi)后需添加相同質(zhì)量的水稀釋到90%含水率方可進入消化池,造成資源能源的重復消耗;
(2)由于消化池固含量高,夏家河項目需付出需相對于其他項目平均水平6.8倍的攪拌動力消耗。
3. 處置過程應注意的問題
根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南(試行)》(住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委,2011.3)給出了厭氧消化相關(guān)推薦處置技術(shù)路線:
(1)厭氧消化→脫水→自然干化(或好氧發(fā)酵)→土地利用(用于改良土壤、園林綠化、限制性農(nóng)用);
(2)脫水→厭氧消化→脫水→自然干化(或好氧發(fā)酵)→土地利用(用于改良土壤、園林綠化、限制性農(nóng)用);
(3)厭氧高溫好氧發(fā)酵(好氧堆肥)消化(或脫水后厭氧消化)→罐車運輸→直接注入土壤(改良土壤、限制性農(nóng)用)。
罐車運輸+直接注入土壤是多年前被實踐驗證過的技術(shù)路線,在此不作深入分析。此外,厭氧消化后污泥進入土地前需在兩道后處理工序中選擇其一。自然干化面臨占地面積、氣候影響、二次污染等諸多因素影響,因此高溫好氧發(fā)酵(好氧堆肥)作為后處理工序從技術(shù)和風險控制方面最具優(yōu)勢。
對比高溫好氧發(fā)酵(好氧堆肥)相關(guān)推薦處置技術(shù)路線:
(1)脫水→高溫好氧發(fā)酵→土地利用(用于土壤改良、園林綠化、限制性農(nóng)用);
(2)脫水→高溫好氧發(fā)酵→園林綠化等分散施用。
不難發(fā)現(xiàn),好氧發(fā)酵+土地利用與厭氧消化+好氧發(fā)酵+土地利用技術(shù)路線部分重合。因此必須考慮處理對象的有機質(zhì)濃度:若厭氧消化正常運行后大幅度降低,會明顯影響好氧發(fā)酵的進程;若厭氧消化運行效果欠佳,則單位投資高于好氧發(fā)酵的厭氧消化系統(tǒng)建設(shè)的必要性將受到質(zhì)疑。
4.經(jīng)濟性分析
根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南(試行)》(環(huán)境保護部, 2010.2)給出參考數(shù)據(jù):
投資成本與系統(tǒng)的構(gòu)成、污泥性質(zhì)、自動化程度、設(shè)備質(zhì)量等因素相關(guān)。一般情況下,厭氧消化系統(tǒng)的工程投資約為20~40 萬元/t 污泥(含水率80%)(不包括濃縮和脫水)。若采用更多進口設(shè)備,投資成本將會增加。從本文1.4所列舉的六個案例數(shù)據(jù)分析,工程投資25~60萬元/噸。全過程工程投資估算結(jié)果:按照厭氧消化系統(tǒng)平均單位投資35萬元/ t污泥(含水率80%).d;減量30%;脫水與好氧發(fā)酵等后處理平均單位投資30萬元/ t污泥(含水率80%).d;合計約56萬元/ t污泥(含水率80%).d。
厭氧消化直接運行成本約60~120 元/t 污泥(含水率80%)(不包括濃縮和脫水),從本文1.4所列舉的六個案例數(shù)據(jù)分析,60~150元/噸。直接運行費用全成本估算結(jié)果:按照厭氧消化過程減量30%;脫水與好氧發(fā)酵等后處理平均100元/ t 污泥(含水率80%);合計約130~190元/噸,并且運行成本指標必須在泥質(zhì)條件良好的前提下方能實現(xiàn)(詳見本文2.1分析)。
5.結(jié)語
厭氧消化技術(shù)是一項成熟的技術(shù),但在中國的應用情況來看并不穩(wěn)定,主要原因有污泥有機質(zhì)含量較低、含砂量較高等客觀原因,也存在運行管理等主觀因素。如果將厭氧消化技術(shù)放在一個處理工序客觀看待,可以部分實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化,同時為資源化提供了良好的載體CH4;但厭氧消化并不是一個完整過程,就如同厭氧生化處理工序在污水處理工序中的位置一樣,必須與其它工藝聯(lián)合方可發(fā)揮自身特點,彌補先天不足。
此外,厭氧消化技術(shù)的經(jīng)濟性和運行管理水平要求處理規(guī)模應該是大型處理項目,并且下游完善可靠的最終處置和沼氣資源化利用渠道也是項目順利實施的重要保障。
最后,能源回收固然重要,但如果能使物質(zhì)按照最接近自然的方法循環(huán)起來,更有意義,這方面我們完全可以參照污水處理發(fā)展所走過的道路。
來源: 甘肅經(jīng)濟信息網(wǎng)