典型城市污泥厭氧消化技術(shù)工藝探討

典型城市污泥厭氧消化技術(shù)工藝探討在眾多的污泥處理處置方法中，厭氧消化由于具備回收潛在能量和降低環(huán)境危害的功能成為目前國際上應(yīng)用最為廣泛的污泥穩(wěn)定化和資源化的處理方法。通過直接厭氧消化或預(yù)處理后厭氧消化，可以極大降低污泥中有機(jī)質(zhì)含量，使污泥穩(wěn)定、易于脫水，并適合作為有機(jī)肥用于土壤改良、園林綠化;產(chǎn)生的沼氣經(jīng)提純后可廣泛應(yīng)用于居民用氣、并網(wǎng)發(fā)電、車用氣體等，削減日益緊缺煤、石油、自然?氣等有限資源的消耗。我國典型城市污泥有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低，大部分在30%~60%，因此現(xiàn)階段主要采納衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥、資源化利用(如制水泥、磚等)污泥處置方式。但是，隨著近年來國家環(huán)保部頒發(fā)的《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》建議必要時將厭氧消化技術(shù)作為污泥處置首選工藝，同時國內(nèi)部分厭氧消化工程有所起色，厭氧消化正漸漸成為我國城市污泥處理處置技術(shù)的熱點(diǎn)討論對象。因此文章將針對我國典型城市污泥厭氧消化處理工藝進(jìn)行分析與探討。1厭氧消化概述1.1技術(shù)簡介1.1.1直接厭氧消化直接厭氧消化即傳統(tǒng)厭氧消化，通常不經(jīng)過任何前期處理而直接進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)的一種處理模式，多用于處理有機(jī)質(zhì)較高的人畜糞便、秸稈等有機(jī)廢物，后期也用于市政污泥處理，但通常適用于有機(jī)質(zhì)較高的污泥或摻有高有機(jī)質(zhì)廢物的混合污泥。厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)物質(zhì)的一種污泥處理工藝。依據(jù)厭氧消化過程中甲烷菌的相宜溫度范圍，污泥厭氧消化可以分為中溫(35~40℃)和高溫消化過程(50~60℃)，高溫消化速度快、負(fù)荷高、容積小，國外較多使用，而我國受經(jīng)濟(jì)水平所限更多使用中溫消化。依據(jù)厭氧消化的工藝運(yùn)行形式，分為兩相消化(兩個反應(yīng)器)和兩級消化(一個反應(yīng)器兩環(huán)節(jié))，現(xiàn)階段國內(nèi)外仍以兩級厭氧消化運(yùn)行為主。1.1.2預(yù)處理+厭氧消化由于傳統(tǒng)厭氧消化普遍存在消化速率低、停留時間長(20~30d)、處理效率低(揮發(fā)性固體VS的去除率30%~40%)等不足，為改善這種現(xiàn)狀，近年來人們對污泥的預(yù)處理技術(shù)開展大量討論。厭氧消化的過程一般包括水解、產(chǎn)酸發(fā)酵和產(chǎn)甲烷3個步驟，其中水解過程是限速步驟，水解過程將顆粒有機(jī)物變?yōu)榭扇芙庥袡C(jī)物，污泥預(yù)處理的目的是加速和提高水解效率。污泥的預(yù)處理方法包括加熱處理、熱化學(xué)處理、堿處理和超聲處理等。污泥高溫預(yù)處理技術(shù)具有強(qiáng)化污泥降解、殺滅部分病原菌的功能，具有良好的應(yīng)用前景。Hariklia等采納70℃高溫預(yù)處理討論發(fā)覺，中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷速率最高可達(dá)145%、甲烷產(chǎn)量提高20%~26%;Li等發(fā)覺活性污泥的最佳熱處理條件是170℃加熱60min，小試試驗結(jié)果表明經(jīng)熱解污泥只需5d停留時間COD去除率即可達(dá)到60%;Stuckey等發(fā)覺活性污泥的最佳熱解溫度在175℃左右，溫度再高效果會消失下降。但是高溫預(yù)處理技術(shù)能耗高、運(yùn)行管理較簡單，有待進(jìn)一步完善。此外，林志高等、Cai等發(fā)覺，在污泥中加入NaOH或Ca(OH)可以改善污泥的消化性能，通常污泥固體濃度為0.5%~2%，堿的用量為8~16gNaOH/100TS;曹秀芹等在試驗室條件下討論得出：污泥經(jīng)超聲處理后，污泥絮體被分解，絮體尺寸變小，超聲波處理30min，SCOD/TCOD提高3倍左右;英國COSTechnik公司研發(fā)的BiogestCrown污泥降解系統(tǒng)是一種通過利用壓力差來溶解污泥的設(shè)備，可使污泥降解程度提高20%，產(chǎn)氣量提高30%，該反應(yīng)器處理污泥的濃度范圍為3%~8%。1.2國內(nèi)外進(jìn)展歷程1.2.1國外進(jìn)展?fàn)顩r目前在整個歐洲共有超過36000座厭氧消化反應(yīng)器，對污泥的處理量占?xì)W洲總產(chǎn)泥量的40%~50%。其中歐盟對厭氧消化技術(shù)最為推崇，厭氧消化也是該地區(qū)最為常見的處理方式，如表1所示。德國每年產(chǎn)生污泥(干重)220萬t且大于5000t的污水廠均設(shè)厭氧消化處理，英國和法國每年產(chǎn)生的污泥近120萬t和85萬t。依據(jù)美國環(huán)保局1998年的調(diào)查，厭氧消化是美國污水廠采納最普遍的污泥穩(wěn)定方法，占60%。日本大多數(shù)污水處理廠也是采納厭氧消化來處理污泥，而且近年不斷改進(jìn)消化技術(shù)，如通過機(jī)械濃縮產(chǎn)生更高濃度污泥進(jìn)行厭氧消化以及對攪拌技術(shù)和熱效的改善等。厭氧消化技術(shù)在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛，除了有機(jī)質(zhì)含量(60%~80%)和分解率較高外，另一個重要緣由就是沼氣利用途徑較為發(fā)達(dá)，其中沼氣發(fā)電更是受到廣泛重視和樂觀推廣，如美國的能源農(nóng)場、德國的可再生能源促進(jìn)法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等，而且早在20世紀(jì)80年月，發(fā)達(dá)國家的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣轉(zhuǎn)化的電能即可滿意污水廠處理時所需電力的33%~100%。美國波士頓鹿島污水廠、馬里蘭州后河污水廠、華盛頓藍(lán)原高級污水廠等均對污泥采納“厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)，取得重大的經(jīng)濟(jì)效益，其中馬里蘭州后河污水廠年產(chǎn)電力近300萬kW，相當(dāng)于該廠30%以上的基本電負(fù)荷。1.2.2國內(nèi)進(jìn)展?fàn)顩r我國污泥厭氧消化技術(shù)起步較早，但技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展較慢，與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。目前建立污泥厭氧消化系統(tǒng)的污水處理廠數(shù)量并不多，僅在北京、上海、天津、重慶、青島、石家莊、鄭州、沈陽、南京、濟(jì)南、襄陽等城市的約50座大中型污水處理廠中建設(shè)了一批污泥消化設(shè)施，目前仍可使用的只有20余處(部分典型污泥厭氧消化項目如表2所示)，其中運(yùn)行效果較為突出的有上海白龍港污泥厭氧消化工程、大連東泰夏家河污泥處理工程、青島麥島中溫厭氧消化工程、襄陽污泥綜合處置示范工程等，其它大部分未運(yùn)行或中途停運(yùn)。究其緣由，除了消化污泥土地利用政策和管理支撐力度不足、沼氣利用缺少激勵機(jī)制外，我國已建污水廠多采納低負(fù)荷處理工藝(泥質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量低)也是重要影響因素。2我國城市污泥厭氧消化現(xiàn)狀分析2.1問題分析污泥厭氧消化處理系統(tǒng)投資很高，在我國通常占污水廠總投資的1/3~1/2，據(jù)相關(guān)調(diào)查表明我國污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)建成未運(yùn)行或停運(yùn)的比例達(dá)到37.5%。其主要緣由如下。2.1.1泥質(zhì)分析方面污泥泥質(zhì)直接打算著污泥厭氧消化的效果，不同污泥的消化性能存在較大的差異。經(jīng)調(diào)查，多數(shù)污水廠設(shè)計前期及運(yùn)行過程中并沒有對污水水質(zhì)以及泥質(zhì)進(jìn)行具體調(diào)研，通常產(chǎn)生后果：(1)厭氧消化工程建設(shè)帶有盲目性，許多投資巨大的消化系統(tǒng)直接照搬國外技術(shù)，而沒有考慮自身泥質(zhì)含量與國外的差距，因此從開頭便無法正常運(yùn)行;(2)多數(shù)污水廠無法明確污泥有機(jī)質(zhì)含量與分解率的關(guān)聯(lián)，故無法依據(jù)實際運(yùn)行狀況作出評價和改良。因而污水廠在上馬厭氧消化技術(shù)前有必要對進(jìn)水水質(zhì)和泥質(zhì)做全面系統(tǒng)的考察和監(jiān)測。2.1.2系統(tǒng)運(yùn)行管理方面(1)污泥厭氧消化工藝操作簡單，運(yùn)行管理難度大。整個工藝涉及到污泥厭氧消化、沼氣收集和利用等多個環(huán)節(jié)，對多工種技術(shù)水平和協(xié)作協(xié)調(diào)力量要求高，且關(guān)鍵設(shè)備大多精密度較高或來自于國外，自控和修理相對比較簡單昂貴，因此對運(yùn)行管理水平要求較高。(2)運(yùn)行費(fèi)用不足。由于我國現(xiàn)階段仍處于污水處理設(shè)施運(yùn)營由政府負(fù)擔(dān)向市場經(jīng)濟(jì)機(jī)制過渡的階段，部分污水廠的運(yùn)行費(fèi)用不能保證整個系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加之厭氧運(yùn)行初期沼氣量少、回報率低，所以往往污泥處理設(shè)施被擱置。(3)存在消防隱患。沼氣是一種易燃易爆氣體，平安儲存要求較高，當(dāng)部分污水廠靠近居民區(qū)時，消防平安問題成為最大隱患。2.1.3政策指引方面盡管近年來我國政府出臺了較多的關(guān)于污泥處理處置的技術(shù)指南或規(guī)程，但受制于早期建廠時所形成的“重水輕泥”的傳統(tǒng)思維及自身運(yùn)營成本的考量，再加上冒然采納污泥厭氧消化等新技術(shù)需要擔(dān)當(dāng)巨大生產(chǎn)風(fēng)險(如早期產(chǎn)氣不穩(wěn)定導(dǎo)致沼氣收益不足以抵消其運(yùn)行費(fèi)用)等因素，大部分污水廠仍習(xí)慣于采納“污泥濃縮-外運(yùn)處理”的老方法。因而需要政府通過逐步提高污水處理費(fèi)的征收水平、財政上賜予適當(dāng)補(bǔ)貼或減免沼氣發(fā)電或并入城市煤氣管網(wǎng)的稅收等方式落實污泥處理處置費(fèi)用，使污水廠扭轉(zhuǎn)虧損局面并進(jìn)入良性循環(huán)。2.2勝利案例解析2.2.1大連東泰夏家河污泥處理廠大連夏家河污泥處理廠項目引進(jìn)德國利浦公司的高濃度厭氧消化技術(shù)，于2009年4月29日~2010年4月30日共處理污泥及其它可降解有機(jī)廢物65000t，其中包括工業(yè)類似污泥8380t、糞便130t、餐飲垃圾90t及海關(guān)查沒食品50t。產(chǎn)沼氣394萬m3、外售自然?氣110萬m3;產(chǎn)沼渣2.5萬t，外售腐殖土1.5萬t。計算可知該廠污泥產(chǎn)氣率高達(dá)60.6m3沼氣/t濕泥，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)厭氧消化產(chǎn)氣率。而城市污泥與工業(yè)類似污泥混合有機(jī)質(zhì)含量約40%~60%，由此可知在污泥中添加少量有機(jī)質(zhì)含量較高的餐廚、糞便等有機(jī)廢物將極大提高污泥厭氧消化效率。2.2.2襄陽污泥處理廠襄陽污泥處理廠采納高溫?zé)崴忸A(yù)處理和厭氧消化工藝技術(shù)，每天處理100t積累污泥(有機(jī)質(zhì)含量35%~45%)和200t污水廠污泥(有機(jī)質(zhì)含量40%~60%)，每天產(chǎn)生沼氣約16500m3、一部分用于自身污泥加熱系統(tǒng)，其余沼氣經(jīng)提純后制作車用CNG。計算可知，該廠污泥產(chǎn)氣率可達(dá)到55m3沼氣/t濕泥，在有機(jī)質(zhì)含量相對較低的狀況下已屬不易。而高溫?zé)崴忸A(yù)處理的目的是利用高溫高壓使污泥結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生變化以提高其生物可降解性。因此，高溫?zé)崴庖彩翘岣呶勰鄥捬跸囊粋€重要技術(shù)手段。2.3應(yīng)用啟示鑒于國內(nèi)城市污泥有機(jī)質(zhì)較低的現(xiàn)狀，結(jié)合以上勝利案例，厭氧消化工藝可參考以下技術(shù)路線：(1)通過向污泥中摻加部分餐廚、糞便等有機(jī)垃圾以提高污泥整體有機(jī)質(zhì)含量及養(yǎng)分比值，從而得到較高的消化效率，但需政府大力支持及統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，難度較大;(2)由于污泥固體的生物可降解性低(30%~50%)，污泥固體細(xì)胞分解和胞內(nèi)生物分子水解是厭氧消化的限速步驟，因此提高厭氧消化效率的一個主要途徑是促進(jìn)污泥細(xì)胞的分解、增加其生物可降解性，常用技術(shù)包括熱水解、機(jī)械破裂、超聲波破裂、酶處理及酸、堿處理。作為討論最多的污泥預(yù)處理技術(shù)，高溫?zé)崴庥捎诰邆涓咝У乃庑?、良好的滅菌除臭效果及充分的能量來源等?yōu)勢，成為新型厭氧消化工藝重要組成而得到廣泛推崇。而對于我國典型城市污水廠而言，污泥有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低是一個固有事實，污泥處理處置走向市場化也是一個必定趨勢，因而通過預(yù)處理提高厭氧降解率以實現(xiàn)資源利潤最大化就顯得尤為重要。3“高溫預(yù)處理+厭氧消化”工藝經(jīng)濟(jì)性探討目前國內(nèi)污泥厭氧消化工程多采納“中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝，一則可以發(fā)電用于廠內(nèi)生產(chǎn)節(jié)能或并網(wǎng)產(chǎn)生效益，二則也能利用發(fā)電余熱保溫提高厭氧消化效率。依據(jù)國外相關(guān)工程閱歷，高溫?zé)崴庾鳛橐粋€行之有效的預(yù)處理方法應(yīng)用較多，故嘗試將該工藝改進(jìn)為“高溫?zé)崴?中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”，其中一部分沼氣用于鍋爐熱水解供熱，剩余用作發(fā)電，發(fā)電余熱再回補(bǔ)于鍋爐。文章以南方某污水廠污泥為例進(jìn)行“熱電聯(lián)產(chǎn)”能量衡算。假設(shè)條件：污泥(含水率80%、有機(jī)質(zhì)含量50%)處理速率1t/h，沼氣(CH4含量60~65%)產(chǎn)量約為50m3/h，沼氣發(fā)電力量1.6~1.9度/m3沼氣(計算取1.6)，發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率26%~33%(計算取30%)，1t污泥熱水解需約210kg高溫水蒸氣(沼氣鍋爐供應(yīng))，沼氣能量2.3×104kJ/m3。設(shè)當(dāng)xm3用于發(fā)電、(50-x)m3用于沼氣鍋爐時，能量剛好達(dá)到最佳平衡，計算過程如下。沼氣鍋爐連續(xù)運(yùn)行需求熱量(常溫水為25℃，鍋爐熱效率為80%)：Q總={210×[4.2×75+(2767.1-419.1)]+20×4.2×75}/0.8=7.07×105kJ/h沼氣燃燒供應(yīng)熱量：Q1=(50-x)×2.3×104=2.3×104(50-x)kJ/h發(fā)電可利用余熱：(1)煙氣可利用熱量占總熱量24%~30%(取27%)，Q余1=2.3×104x×27%=6.20×103xkJ/h(進(jìn)鍋爐);(2)冷卻水可利用熱量占總熱量20%，Q余2=2.3×104x×20%=4.6×103xkJ/h(進(jìn)到230kg鍋爐補(bǔ)充水)，提升溫度△t=4.6×103x/(230×4.2)=4.76x(當(dāng)常溫水為25℃時，△t≤65℃)。Q總=Q1+Q余1+Q余27.07×105=2.3×104(50-x)+6.2×103x+4.6×103xx=36.3≈36m3校驗：當(dāng)x=36m3時，△t=17165℃，故可知Q余2僅有一部分熱量可用，即為將常溫水加熱至90℃的熱量Q余2(可用)=230×4.2×(90-25)=6.28×104kJ/h，重新列計算式如下。7.07×105=2.3×104(50-x)+6.2×103x+6.28×104故校正后，x=30m3綜上所述，每處理1t有機(jī)質(zhì)含量50%的濕污泥