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污泥热水解+厌氧消化技术将占据污泥处理工程“C”位?

时间:2018-09-11 09:59

来源:净水技术

作者:薛重华 孔祥娟等

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近年来,随着我国污泥问题的凸显和国家对环境保护的日渐重视,城镇污泥的减量化、稳定化、无害化处理处置被提上了日程,一批污泥处理处置设施得到了建设。在污泥处理处置的各技术中,厌氧消化由于能在实现污泥常规处理处置的同时,实现能源化(产甲烷),被列入我国政府主推的几种污泥处理处置主导技术。在我国污泥厌氧消化设施的实际运行中,污泥处理处置设施运行效率受制于低有机质、高含砂量等泥质特性的影响,整体运行和产甲烷效率明显低于欧美发达国家同等规模的厌氧消化设施。为保证污泥厌氧消化系统的高效运行,实现污泥的稳定化和无害化,合理的预处理技术势在必行。污泥热水解技术作为污泥厌氧消化主要的预处理技术之一,能够实现污泥的破壁、有机物的溶出和病原体的杀灭,在实际工程中得到了广泛应用。

本文在综述污泥厌氧消化和高温热水解技术特征的基础上,对当前工业中主流的装备进行了分析,并结合实际案例对装备运行效能进行了分析,以期为实际污泥厌氧消化设施的运行提供技术支撑。

1  技术原理及特点

1.1污泥热水解技术

污泥热水解技术的工作原理是将脱水污泥(一般含水率在85%~90%左右)和温度为150~260℃、压力为1.4~2.6MPa的饱和蒸汽加入密闭的反应釜,通过蒸汽对污泥进行间接加热,使污泥菌胶团、内部微生物和有机物水解破壁,从而使细胞失活,同时胞内部分有机物如蛋白质和多糖等,得以释放并进入上清液。

该技术起源于20世纪30年代,起初用于改善污泥脱水性能;70年代末开始用于污泥预处理,以提高污泥厌氧消化性能;90年代后被开发用于反硝化碳源的获取和活性污泥的减量研究;1995年Cambi公司在挪威哈马尔的HIAS污水处理厂首次建造热水解装置作为污泥处理工艺的一部分,在此基础上形成了污泥热水解——厌氧消化技术体系。需要说明的是,热水解技术自身能够实现污泥的无害化、减量化、稳定化:热水解使污泥含固率提高、脱水性能增强,从而实现污泥处理的减量化;高温高压过程使病原菌灭活,实现污泥处理的无害化;热水解后有机物通过固液分离转移至滤液中,使得干污泥中可生化降解的有机物减少50%以上,从而达到稳定化。

污泥热水解过程包括固体物质溶解液化和有机物水解两个过程。污泥经热水解处理后,污泥上清液中的溶解性物质浓度大幅提高,尤其以污泥中蛋白质和糖类的溶出最为突出,能改善污泥的脱水性能和厌氧消化性能。相较于传统的超声和臭氧氧化法,热水解技术对污泥有机物胞外聚合物的破壁能力更强,有利于后续的污泥生化处理,热水解后污泥通过固液分离装置分离为干化污泥和滤液。

1.2污泥厌氧消化技术

污泥厌氧消化是指利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应,分解污泥中有机质的一种处理工艺。厌氧消化一般包括水解、酸化和产甲烷等阶段。通过厌氧消化,污泥体积减少为原来的30%~50%,脱水效果提高,水分与固体易于分离,稳定性增强,无明显的恶臭;同时厌氧消化过程能有效减少有毒病菌并产生大量的甲烷气体。衡量污泥的厌氧消化性能和产气性能的2个指标:单位质量挥发性固体(VS)产气量和分解单位质量挥发性固体产气量,美国污水处理厂设计手册中这2项指标的最佳范围分别为0.5~0.75L/g和0.75~1.12L/g,国内无明确规定。虽然污泥厌氧消化过程具有有效降解污泥有机物、杀死污泥中病原体、减小污泥体积及回收能源等优势,但厌氧消化系统在运行过程中存在着水力停留时间长(10~20d)和有机物去除率较低(20%~40%)等缺陷。

2  工艺配套装备

2.1污泥热水解装备

目前污泥热水解常用的装备为水热反应釜,水热反应釜大多为圆柱形罐体,内部设换热装置和机械搅拌装置等。长沙市污泥处理处置工程采用污泥热水解-厌氧消化系统,其中热水解的关键设施为污泥浆化装备,主要包括1套污泥浆化罐、8套污泥热水解罐(图1(a))、1套混合及储泥罐和2套热交换器。各装置规格如下:污泥浆化罐流量为20m3/h;污泥循环泵4台,流量为20m3/h(2用2备);污泥热水解罐直径1.6m,高4m;热交换器2套,电机功率为5.0kW,混合及储泥罐电机功率为7.5+22kW。

各装备运行示意如图2所示,具体运行过程及参数如下。

(1)浆化装备——污泥从料仓柱塞泵提升至浆化装备,在浆化装备中利用闪蒸蒸汽加热浆化至70~80℃,然后泵送至热水解反应罐。浆化装备运行时为连续进料、连续出料,反应罐产生的闪蒸蒸汽通过浆化装备内部分配管和阀门通至浆化装备的不同部位。在浆化装置内部,通过压力表、安全阀、安全水封等动态调整保证浆化装备内的压力安全。

(2)热水解反应罐——热水解反应罐中利用锅炉蒸汽加热至130~150℃,保压一段时间后泄压,泄压蒸汽进入闪蒸蒸汽罐后再进入浆化装备预热生泥,泄压后反应罐内的污泥通过出浆泵排至热交换器。热水解反应罐一个周期为90min,分为进泥(15min)、加热(15min)、保压(30min)、泄压(15min)、排泥(15min)5个过程,各反应罐可联动工作。

2.2污泥厌氧消化装备

污泥厌氧消化装备主要包括污泥厌氧消化池(罐)主体(图1(b))、进料系统、搅拌系统、沼气收集装备、沼气净化装备和沼气安全装备。各装备的主要特征如下。

(1)消化池(罐)——可分为常规混凝土建造设施和一体化装备。

常规的混凝土建造设施一般由池底、池体和池顶三部分组成,池底为倒圆锥形;池体主要有圆柱形、卵形和龟甲形等几种(圆柱形应用最广泛);池顶可分为固定盖式和浮动盖式两种。整体而言,柱形消化池的反应罐直径在6~40m之间,罐体内有一坡度为15%的锥底以及一个位于反应罐中心的排泥出口,运行时需保证罐体的污泥深度最低达到7.5m,以保证反应器内物料的充分混合,部分消化池也会配置格子状的底部来减少罐体底部的不均匀沉砂,进而减少反应器的清洗次数。相对应的,卵形污泥消化器是一种改进的池形,该形状的池体可降低砂石和浮渣积累,缺点为基建费较高,且缺少足够的气体贮存空间。

编辑:汪茵

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