熱水解+高級厭氧消化系統(tǒng)處理脫水泥餅的工程化運(yùn)用及效果分析

王之敏

(北京排水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100029)

目前大部分污水處理廠的污水處理工藝為A2O活性污泥法,此種工藝會產(chǎn)生大量初沉污泥與剩余污泥,其主要成分有糖類、脂肪、蛋白質(zhì)[1]。污水處理廠的污泥處理模式多為濃縮、脫水、外運(yùn),污泥處理量大且成本高[2]。污泥中含有未降解的有機(jī)物、氮、磷等污染物質(zhì),也含有病菌、病毒和寄生蟲卵、重金屬等,處理處置不當(dāng)會給水體、土壤和大氣帶來二次污染,對生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成威脅[3]。

熱水解(THP)+高級厭氧消化技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)污泥處置“減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化”的有效途徑之一,目前已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。污泥經(jīng)THP處理后可大幅縮短厭氧消化的污泥停留時(shí)間[4],并使有機(jī)物降解率、沼氣產(chǎn)量提升[5]。此外,THP能殺滅污泥中的病菌,實(shí)現(xiàn)污泥的安全處理處置[6]118?；诖?本研究以北京市某污水處理廠的THP+高級厭氧消化系統(tǒng)為研究對象,對系統(tǒng)啟動方案及穩(wěn)定運(yùn)行后的能效情況進(jìn)行分析,可為污水處理廠新建污泥處理項(xiàng)目提供參考數(shù)據(jù)。

1 工程概況

1.1 原污泥處理工藝流程

該污水處理廠原污泥處理工藝流程見圖1。污水處理廠水區(qū)二沉池的剩余污泥排入泥區(qū)生物儲泥池(污泥含水率99.34%)緩存,日均排放量為4 879.0 m3,經(jīng)濃縮脫水后污泥含水率降至95%～97%,然后通過螺桿泵送入混合儲泥池,與經(jīng)過旋流除砂的初沉污泥混合,此時(shí)混合污泥含水率在95%～97%,再利用脫水機(jī)預(yù)脫水,將污泥含水率降至80%左右,最后利用柱塞泵將含水率為80%的泥餅送入污泥料倉(有效容積約300 m3)中集中外運(yùn),泥餅日產(chǎn)量約為230 t。

圖1 污水處理廠原污泥處理工藝流程Fig.1 Original process flow chart of mud treatment technology of the sewage treatment plant

1.2 新污泥處理工藝流程

圖2為污水處理廠加裝THP+高級厭氧消化系統(tǒng)后的新污泥處理工藝流程。在原有污泥處理工藝的基礎(chǔ)上,污泥料倉中的脫水泥餅通過料倉螺桿泵進(jìn)入THP系統(tǒng),經(jīng)THP處理后的出泥通過熱交換系統(tǒng)進(jìn)行降溫并稀釋至含水率約92%,然后進(jìn)入高級厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行厭氧消化,消化后的污泥經(jīng)板框壓濾脫水機(jī)脫水后破碎外運(yùn),污泥濾液進(jìn)入水區(qū)格柵間。高級厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣氣柜,經(jīng)過脫硫處理后為沼氣鍋爐提供燃料產(chǎn)生蒸汽,產(chǎn)生的蒸汽用于THP系統(tǒng),多余沼氣在脫硫后送入廢氣燃燒器燃燒,或在冬季通過沼氣鍋爐燃燒為廠區(qū)暖氣管線供暖。新增的THP+高級厭氧消化系統(tǒng)污泥日均處理能力54.3 t/d(以絕干泥(DS)處理量計(jì),下同),峰值處理能力可達(dá)78.0 t/d,經(jīng)板框壓濾脫水機(jī)脫水處理后,污水處理廠污泥含水率降至60%,外運(yùn)量降至92 t。

2 新增構(gòu)筑物及工藝控制參數(shù)

2.1 THP系統(tǒng)

THP系統(tǒng)設(shè)置1座漿化罐(有效容積46.4 m3),4座反應(yīng)罐(單罐有效容積13.5 m3),1座閃蒸罐(有效容積64.0 m3)。

THP系統(tǒng)通過控制壓力和溫度實(shí)現(xiàn)污泥的分步加熱和冷卻,整個(gè)過程包含5個(gè)主要步驟：(1)料倉污泥輸送到漿化罐。料倉中的泥餅經(jīng)由螺桿泵持續(xù)注入漿化罐,利用污泥循環(huán)管線和稀釋水管線進(jìn)行調(diào)質(zhì)使污泥含水率控制在83%～87%,并分批向反應(yīng)罐輸送,每批送泥量約8 m3(折合DS約為1.2 t)。(2)漿化罐加熱。向漿化罐中注入來自于反應(yīng)罐和閃蒸罐的回流蒸汽對污泥進(jìn)行預(yù)熱。(3)反應(yīng)罐中THP處理。預(yù)熱后的污泥被分批注入反應(yīng)罐,并注入鍋爐蒸汽進(jìn)行THP處理。反應(yīng)罐壓力控制在0.6 MPa左右,溫度在165 ℃左右,保壓時(shí)間30 min。保壓期間嚴(yán)格控制保壓溫度,避免超過170 ℃使污泥發(fā)生美德拉反應(yīng)[6]117。(4)閃蒸罐降壓。打開反應(yīng)罐回流蒸汽閥使反應(yīng)罐壓力降至0.28 MPa,關(guān)閉反應(yīng)罐回流蒸汽閥并打開出泥閥,控制閃蒸罐壓力在0.01 MPa以下,使污泥通過壓力差由反應(yīng)罐流入閃蒸罐,控制閃蒸罐溫度在107 ℃左右。(5)污泥的輸送。閃蒸罐中的污泥通過螺桿泵送入熱交換系統(tǒng)進(jìn)行降溫、調(diào)質(zhì)與投藥。

2.2 熱交換系統(tǒng)

熱交換系統(tǒng)設(shè)置管式換熱器1臺(設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度80～90 ℃,設(shè)計(jì)出口溫度50～55 ℃),換熱器污泥循環(huán)泵1臺(功率18.5 kW,轉(zhuǎn)速1 425 r/min),鐵鹽加藥罐1座(有效容積25.0 m3),鐵鹽加藥泵3臺(最大流量130 L/h,最大揚(yáng)程100 m,1用2備),消化池進(jìn)泥泵2臺(功率22 kW,轉(zhuǎn)速1 475 r/min,1用1備),稀釋水泵2臺(流量20 m3/h,揚(yáng)程68 m,1用1備),稀釋水罐1座(有效容積30.0 m3)。

圖2 污水處理廠新污泥處理工藝流程Fig.2 New process flow chart of mud treatment technology of the sewage treatment plant

熱交換系統(tǒng)的主要作用有3點(diǎn)：一是利用管式換熱器與污泥循環(huán)泵將THP系統(tǒng)的出泥溫度降至50～55 ℃;二是利用稀釋水泵將污泥含水率提升至90%～93%,以控制消化池中的游離氨濃度;三是利用鐵鹽加藥泵投加鐵鹽(氯化鐵)以提升消化系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量[7]126。

2.3 高級厭氧消化系統(tǒng)

高級厭氧消化系統(tǒng)設(shè)置消化池2座(單池有效容積11 450.0 m3),池體最大內(nèi)徑27.7 m,最大水深19.0 m,消化池采用底部進(jìn)泥頂部溢流排泥方式,每池內(nèi)設(shè)立軸式槳葉攪拌器1臺(轉(zhuǎn)速17 r/min),管式換熱器1臺,消化池池溫控制在(41.0±0.5) ℃。此外,設(shè)置污泥循環(huán)泵2臺(功率18.5 kW,轉(zhuǎn)速1 425 r/min,1用1備)。

2.4 鍋爐系統(tǒng)

鍋爐系統(tǒng)設(shè)置沼氣鍋爐2座(單爐熱負(fù)荷4.2 MW,蒸發(fā)量6 t/h,1用1備),軟化水制備器2座(單座樹脂容量875 kg,1用1備),雙紋管換熱器2座(換熱量1.97 MW,1用1備)。

沼氣鍋爐控制蒸汽壓力為1.15 MPa,為THP系統(tǒng)提供蒸汽,冬季運(yùn)行時(shí)可利用雙紋管換熱器為污水處理廠區(qū)供暖,供熱面積1.6萬m2,總供熱負(fù)荷2 812 kW。

2.5 其 他

設(shè)置沼氣氣柜3座,單座最大容積5 000.0 m3,直徑19.7 m,高度17.1 m。每個(gè)沼氣氣柜配備2臺氣柜風(fēng)機(jī)(最大流量858 m3/h,最大壓力30 kPa,1用1備),沼氣氣柜內(nèi)壓力控制為600 Pa。設(shè)置廢氣燃燒器2臺,每臺廢氣燃燒器最大沼氣燃燒量為500 m3/h。設(shè)置脫硫塔4座(單塔脫硫劑填裝量4 t,2用2備),脫硫塔內(nèi)部填充氧化鐵脫除沼氣中的硫化氫。沼氣管線上設(shè)置11座冷凝水收集器,用來收集與排出沼氣中的冷凝水。

3 高級厭氧消化系統(tǒng)啟動

3.1 污泥接種

高級厭氧消化系統(tǒng)污泥接種時(shí),先啟動第一座消化池(以下簡稱1#消化池),再利用兩座消化池間連接的底部排泥環(huán)管為第二座消化池(以下簡稱2#消化池)接種。消化污泥具體接種步驟為：(1)對1#消化池及全廠沼氣管線進(jìn)行氮?dú)庵脫Q,將管線內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至3%以下,以防止接種及消化池負(fù)荷提升過程中甲烷含量提升至爆炸濃度而帶來的安全隱患。(2)向1#消化池注入約3 000 m3再生水,并通過消化池自帶的板式換熱器與廠區(qū)內(nèi)的暖氣管線相連,將消化池罐體內(nèi)的溫度控制在40.5～41.5 ℃,為接種污泥創(chuàng)造適宜的溫度環(huán)境。(3)利用消化池的浮渣井及浮渣管線為消化池注入接種污泥,接種污泥為其他污水處理廠的消化池污泥,共計(jì)接種量為5 012.9 m3。(4)1#消化池接種完畢后,逐步提升處理負(fù)荷至溢流,利用兩座消化池之間連接的底部排泥環(huán)管為2#消化池接種,待兩座消化池液位持平后關(guān)閉排泥環(huán)管閥門,兩座消化池接種完畢。

3.2 高級厭氧消化系統(tǒng)負(fù)荷提升

1#消化池接種完畢后,分批向消化池輸送熱解污泥開始啟動,逐步提升消化池處理負(fù)荷直至消化池溢流，此時(shí)啟動過程完畢。在消化池接種完畢的第1天,輸送4批次熱解污泥,第2天輸送8批次熱解污泥,此后按消化池內(nèi)酸堿比確定處理批次數(shù)。根據(jù)接種污泥來源的消化系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù),當(dāng)酸堿比大于0.16時(shí),該污水處理廠消化系統(tǒng)會出現(xiàn)產(chǎn)氣量大幅降低、沼氣中甲烷含量下降二氧化碳含量上升等現(xiàn)象,預(yù)示消化池已發(fā)生酸化。因此,本研究將酸堿比0.16作為調(diào)控THP系統(tǒng)當(dāng)天處理批次數(shù)的控制變量,以杜絕消化池的酸化。具體調(diào)控方法如下：當(dāng)消化池酸堿比<0.16,則每1～2天為消化池增加1～3批次熱解污泥;當(dāng)消化池酸堿比≥0.16時(shí),則維持前一天的熱解污泥處理批次;當(dāng)消化池酸堿比持續(xù)上升,并大于0.16維持2 d以上時(shí),則當(dāng)天的熱解污泥處理批次數(shù)為前一天的處理批次數(shù)減2。

1#消化池啟動過程中的固體負(fù)荷、酸堿比與pH日變化見表1。由表1可見,第1～4天,消化池pH迅速從7.52降至7.23,消化池內(nèi)酸堿比從第5天的0.07上升至第8天的0.12,這是由于在提升負(fù)荷初期,熱解污泥使消化池中的產(chǎn)酸菌開始代謝,產(chǎn)酸過程得以進(jìn)行,導(dǎo)致池內(nèi)pH的降低和酸堿比的上升。然而隨著處理負(fù)荷逐步提升,產(chǎn)甲烷菌的活性也逐步恢復(fù),開始以產(chǎn)酸過程的產(chǎn)物——揮發(fā)性脂肪酸(VFA)為底物進(jìn)行產(chǎn)甲烷過程的代謝,從而防止了pH的進(jìn)一步降低和酸堿比的進(jìn)一步提升。消化池從第1天開始提升負(fù)荷至第16天溢流,固體負(fù)荷由最初的5.65 t提升至33.60 t,消化池未出現(xiàn)明顯的酸化現(xiàn)象。

2#消化池接種完畢后,THP系統(tǒng)的出泥平均分配給1#、2#消化池直至兩座消化池均達(dá)到溢流。在此過程中,1#、2#消化池酸堿比及消化系統(tǒng)總固體負(fù)荷的日變化見圖3。在固體負(fù)荷提升過程中,消化系統(tǒng)熱解污泥處理的批次數(shù)波動較大,這是由于此時(shí)消化系統(tǒng)污泥處理能力已大于水區(qū)污泥排放量,因此污泥處理批次隨水區(qū)污泥產(chǎn)量波動變化,兩座消化池的酸堿比一直維持在0.16以下,這側(cè)面說明消化污泥已適應(yīng)本廠的熱解污泥泥質(zhì),兩座消化池的抗沖擊負(fù)荷能力大幅上升。

表1 1#消化池啟動過程中固體負(fù)荷、酸堿比與pH的日變化Table 1 Daily variation of solid load, acid-base ratio and pH of 1# digestion tank

圖3 1#、2#消化池酸堿比及總固體負(fù)荷日變化Fig.3 Daily variation of acid-base ratio and total solid load of 1# and 2# digestion tanks

3.3 沼氣管線并網(wǎng)

1#消化池提升負(fù)荷的初期,由于固體負(fù)荷較低,且消化池中充斥大量氮?dú)?導(dǎo)致其產(chǎn)出的沼氣中甲烷含量不能滿足鍋爐系統(tǒng)的最低要求(體積分?jǐn)?shù)>58%),需要將這部分沼氣通過消化池頂部的放散閥放散至大氣中,并使用天然氣為鍋爐系統(tǒng)提供燃料產(chǎn)生蒸汽,消化系統(tǒng)負(fù)荷提升的過程中共計(jì)使用天然氣81 700.0 m3。1#消化池啟動第5天,消化池沼氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到58.1%,此時(shí)關(guān)閉放散閥,將沼氣并入廠區(qū)沼氣管線中,逐步用沼氣替代天然氣。1#消化池實(shí)現(xiàn)溢流后,廠區(qū)已實(shí)現(xiàn)燃?xì)庾越o,并有少量沼氣剩余,剩余沼氣先儲存于沼氣氣柜中,后利用廢氣燃燒器將其燃燒。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 THP運(yùn)行效果

4.1.1 THP出泥的掃描電鏡(SEM)分析

一般認(rèn)為,生物膜和細(xì)胞壁阻礙了胞外酶和水解酶與顆粒有機(jī)物的接觸,致使污泥中復(fù)雜有機(jī)物水解效率低下[8],使水解過程成為污泥厭氧消化的限速步驟[9]。THP系統(tǒng)能夠利用高溫高壓的環(huán)境破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)、釋放胞內(nèi)和胞外有機(jī)質(zhì),提高消化系統(tǒng)的水解速率。

從污泥SEM圖像(見圖4)可知,原污泥結(jié)構(gòu)相對光滑、完整,菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯破壞,經(jīng)THP系統(tǒng)處理后,污泥絮體及細(xì)胞壁的表觀形態(tài)發(fā)生了明顯變化,菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)解體、細(xì)胞變得干癟,與先前的研究結(jié)論一致[10],說明THP系統(tǒng)能破壞細(xì)胞壁,有助于胞內(nèi)有機(jī)物釋放,使后續(xù)污泥的厭氧消化及脫水更容易進(jìn)行。

圖4 污泥樣品SEM圖像Fig.4 SEM images of mud samples

4.1.2 THP出泥的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)

污水處理廠THP系統(tǒng)反應(yīng)罐溫度控制在165 ℃,屬于高溫THP[11],高溫高壓的環(huán)境有助于殺死污泥中的病原體,以實(shí)現(xiàn)污泥的安全處置[6]117。對THP系統(tǒng)出泥中的蛔蟲卵數(shù)、大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行檢測,結(jié)果見表2?？梢钥闯?經(jīng)THP系統(tǒng)處理后,污泥中蛔蟲卵與大腸桿菌均未檢出,細(xì)菌總數(shù)<10個(gè)/mL,說明THP系統(tǒng)能有效殺滅污泥中的病菌。

表2 THP系統(tǒng)出泥的各項(xiàng)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)Table 2 Hygienic indicators of mud after treated by THP system

4.2 高級厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行效果

4.2.1 有機(jī)物降解率與沼氣產(chǎn)氣量

記錄高級厭氧消化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溢流并穩(wěn)定運(yùn)行30 d期間的有機(jī)物降解率和沼氣產(chǎn)氣量(以單位質(zhì)量DS的產(chǎn)氣體積計(jì)),結(jié)果見圖5。由圖5可知,經(jīng)高級厭氧消化系統(tǒng)處理后,污泥中有機(jī)物降解率在42%～56%波動,平均值為50.01%;平均沼氣產(chǎn)氣量為327.15 m3/t。

圖5 高級厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)物降解率、沼氣產(chǎn)氣量Fig.5 Organic matter degradation rate and gas production of advanced anaerobic digestion system

4.2.2 沼氣組分

經(jīng)檢測,高級厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,所產(chǎn)沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為62.0%、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為34.0%、氧氣體積分?jǐn)?shù)為0.4%、其他氣體體積分?jǐn)?shù)為3.6%,甲烷含量滿足鍋爐系統(tǒng)的要求?？梢?在兩座消化池穩(wěn)定運(yùn)行后，產(chǎn)生的沼氣能夠供給鍋爐燃燒，為THP系統(tǒng)提供蒸汽。

沼氣中其他氣體主要由水蒸氣與氮?dú)饨M成,沼氣中水蒸氣含量很低,這是由于污水處理廠沼氣管線上共設(shè)置了11座冷凝水收集器,使得水蒸氣無法在沼氣管線中大量存在。

5 物耗分析

5.1 沼氣產(chǎn)銷關(guān)系

THP+高級厭氧消化系統(tǒng)調(diào)試完畢后,對穩(wěn)定運(yùn)行30 d的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,THP系統(tǒng)處理1 t DS所需沼氣量為198.88 m3,高級厭氧消化系統(tǒng)處理1 t DS產(chǎn)生沼氣量為327.15 m3,目前污水處理廠日均DS處理量約為40 t,則每天可產(chǎn)沼氣余量為5 130 m3,非冬季運(yùn)行時(shí),剩余沼氣脫硫處理后送入廢氣燃燒器燃燒,冬季運(yùn)行時(shí),多余沼氣通過沼氣鍋爐燃燒為廠區(qū)供暖,無需外接天然氣為廠區(qū)供暖。

鑒于系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量遠(yuǎn)大于消耗量,建議污水處理廠在后期建設(shè)中加裝沼氣發(fā)電系統(tǒng),將多余的沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn),充分利用剩余沼氣。

5.2 水 耗

THP+高級厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,污泥處理所耗的水量合計(jì)33.04 m3/t(以單位質(zhì)量DS處理的水耗計(jì),下同),其中漿化罐稀釋水用量為0.96 m3/t,閃蒸罐稀釋水用量為3.60 m3/t,一級熱交換間用水量為18.58 m3/t,二級熱交換間用水量為8.70 m3/t,鍋爐系統(tǒng)用水量為1.20 m3/t。除了鍋爐系統(tǒng)用水為自來水外,其他用水均為廠區(qū)再生水。

5.3 電 耗

THP+高級厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,料倉、THP一級熱交換間、高級厭氧消化系統(tǒng)及鍋爐系統(tǒng)處理1 t DS的電耗為129.35 kW·h,其中料倉、熱水解及一級熱交換間系統(tǒng)電耗為49.71 kW·h,消化池及鍋爐系統(tǒng)電耗為79.64 kW·h。

5.4 藥 耗

5.4.1 脫硫藥劑消耗

高級厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣中含有硫化氫,直接通入鍋爐系統(tǒng)燃燒不僅會導(dǎo)致鍋爐煙氣排放二氧化硫超標(biāo),還會對鍋爐及管道系統(tǒng)造成腐蝕。因此,污水處理廠在將沼氣通入鍋爐前需進(jìn)行干式脫硫,將沼氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)降至50×10-6以下,干式脫硫法主要運(yùn)用脫硫塔中的脫硫藥劑(氧化鐵)對硫化氫進(jìn)行去除。

根據(jù)目前運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,污水處理廠處理1 t DS消耗的脫硫藥劑量為12.31 kg。

5.4.2 鐵鹽消耗

污水處理廠以鐵鹽為固定劑抑制硫化氫釋放以減輕對高級厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷菌的毒害[7]124,鐵鹽可以通過生物和化學(xué)兩方面作用控制溶解性硫化物產(chǎn)生,首先Fe3+通過異化還原過程將有機(jī)物氧化降解,同時(shí)生成Fe2+,Fe2+可與S2-反應(yīng)形成FeS沉淀,最終實(shí)現(xiàn)去除有機(jī)物并控制硫化氫釋放的雙重作用[12]。同時(shí)鐵鹽的投加還可以起到回收污泥中磷酸鹽的作用[13]以抑制管式換熱器中鳥糞石結(jié)晶的形成。參考以往研究結(jié)果,單位質(zhì)量DS的鐵鹽投配率為8.95 kg/t(以Fe投加量計(jì))[14]。

6 結(jié)論及建議

(1) 污水處理廠新投入的THP+高級厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,污泥外運(yùn)量由原來的230 t(含水率80%)降至92 t(含水率60%),處理1 t DS共計(jì)消耗水量33.04 t、消耗電量129.35 kW·h、產(chǎn)生沼氣量327.15 m3,高級厭氧消化系統(tǒng)的平均有機(jī)物降解率達(dá)到50.01%,產(chǎn)生的沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為62.0%,可滿足鍋爐系統(tǒng)燃?xì)庑枨蟆?/p>

(2) THP系統(tǒng)的高溫高壓環(huán)境可有效殺滅污泥的病原體,污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣可滿足鍋爐燃?xì)庾越o率100%,剩余沼氣可在冬季為廠區(qū)供熱,有效實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化、無害化、資源化利用。

(3) 目前剩余沼氣的處理方式為火炬燃燒,建議后期再加裝沼氣發(fā)電或污泥干化系統(tǒng)以充分利用剩余沼氣。