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铭泽环保污泥处理技术分享:厌氧消化

铭泽环保、污水设备、废气处理


1原理与作用


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:


(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;


(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;


(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。


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。


2应用原则


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。


3厌氧消化工艺


3.1厌氧消化的分类


1)中温厌氧消化


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2.0~4.0kg/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)。



2)高温厌氧消化


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。


3.2传统厌氧消化工艺流程与系统组成


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。



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。


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。


3.3厌氧消化新技术


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。


1)基于高温热水解(THP)预处理的高含固污泥厌氧消化技术


该工艺是通过高温高压热水解预处理(ThermalHydrolysisPre-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。


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。


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


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:


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。


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。


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。


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。


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。


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。


4沼气的收集、贮存及利用


4.1沼气的性质


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。


4.2沼气收集、净化与纯化


1)沼气的收集与储存


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。


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。


2)沼气净化


沼气在利用之前,需进行去湿、除浊和脱硫处理。


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。


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。


3)沼气纯化


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。


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。

 

4.3沼气利用


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。


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。


5厌氧消化系统的运行控制和管理要点


5.1运行控制要点


1)系统启动


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。


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。


2)进出料控制


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。


3)温度


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。


4)碱度和挥发酸


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。


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。


5)pH值


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。


6)毒性


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。


5.2安全管理


为了防止沼气爆炸和H2S中毒,需注意以下事项:


(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;


(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;


(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》AQ3028执行;


(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;


(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;


(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;


(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》GB50058相关规定;


(8)沼气系统区域周围一般应设防护栏、建立出入检查制度;


(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》GB50016,并可参照《石油化工企业设计防火规范》GB50160相关条款。


6二次污染控制和要求


6.1消化液的处理与磷的回收利用


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。


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。


6.2消化污泥中重金属的钝化耦合


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。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。


6.3臭气、烟气、沼气和噪声处理


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。


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。


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。


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。


7投资与成本的评价及分析


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。


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。


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。


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