一、引言
由于我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，污水量處理量不斷增加，與此同時(shí)污泥的產(chǎn)量也日益增加。2018年底，我國(guó)共建成運(yùn)行污水處理廠4332座，可處理污水1.95億m3/d，每年產(chǎn)生的剩余污泥已超過(guò)4000萬(wàn)噸(含水率80%計(jì))。預(yù)計(jì)2020年污泥的年生產(chǎn)量可達(dá)6000萬(wàn)噸。因此，對(duì)剩余污泥的妥善處理處置是保障污水處理廠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行必須面對(duì)的問(wèn)題。
在污水處理廠的運(yùn)行過(guò)程中，僅能將含水率99%左右降至75%-80%，體積龐大的污泥對(duì)其外運(yùn)及最終處置帶來(lái)不便，如何進(jìn)一步降低剩余污泥含水率是污泥處理處置亟需解決的冋題之一。
熱水解是污泥預(yù)處理處理技術(shù)之一，該技術(shù)利用在一定壓力、高溫下，對(duì)微生物細(xì)胞壁改性可提高剩余污泥脫水性能，同時(shí)細(xì)胞的溶解和吸附物的解吸也可提高污泥的厭氧消化效率。目前工業(yè)上應(yīng)用的污泥熱水解技術(shù)大多采用序批式工藝，即漿化、熱水解和釋壓三個(gè)工藝階段均在同一反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)；釋壓階段排放出的尾氣中會(huì)帶有少許泥漿，從而導(dǎo)致管路堵塞。若要實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)則需多套裝置并行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，而連續(xù)式污泥熱水解工藝可大幅提高熱水解設(shè)備的效率，并降低成本。
本研究建立了一套污泥連續(xù)熱水解中試系統(tǒng)，并對(duì)熱水解污泥脫水性能、理化性質(zhì)及厭氧產(chǎn)沼氣等情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期為剩余污泥深度脫水提供理論和實(shí)踐參考。
二、試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
1.系統(tǒng)工藝介紹
剩余污泥熱水解強(qiáng)化脫水中試系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10tAi。系統(tǒng)熱源采用電熱蒸汽鍋爐(型號(hào)WDR0.0885-1.5)，蒸發(fā)量88.5kg/h，壓力1.5MPa。剩余污泥用螺桿泵輸送入多級(jí)串聯(lián)鋼管。蒸汽與污泥在多級(jí)串聯(lián)鋼管中充分混合，在蒸汽的高溫作用下，污泥逐漸升溫漿化，且沿鋼管連續(xù)流動(dòng)。多級(jí)串聯(lián)鋼管總有效長(zhǎng)度約為100m，污泥與蒸汽的混合物在鋼管內(nèi)停留一定時(shí)間后，即可完成熱水解過(guò)程。隨后，污泥經(jīng)過(guò)減壓裝置和計(jì)量裝置進(jìn)入儲(chǔ)泥管暫存。待污泥充分降溫后，進(jìn)行機(jī)械壓濾脫水。
2.系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
污泥連續(xù)穩(wěn)定熱水解中試系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。
3.污泥熱水解后厭氧產(chǎn)氣性能試驗(yàn)
為研究熱水解后污泥和濾液的厭氧產(chǎn)沼氣效果，探明能源回收利用的可行性，將熱水解后的污泥和濾液分別投加至10L的發(fā)酵罐，并接種相應(yīng)的厭氧污泥，在恒溫下(35T)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)。物料配比如表2所示。
4.污泥理化性質(zhì)測(cè)試
熱水解后污泥采用機(jī)械壓榨脫水，獲得污泥餅和濾液。污泥的含水率、有機(jī)質(zhì)含量、pH等指標(biāo)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJAT221-2005)中的相應(yīng)方法進(jìn)行測(cè)試，污泥比阻采用布氏漏斗法測(cè)定;濾液中COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑分光光度法分析，總磷采用鉬酸銨分光光度法分析，總氮采用紫外分光光度法測(cè)定，pH采用PH計(jì)測(cè)定。
三、結(jié)果與討論
1.污泥脫水性能
中試系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)性能穩(wěn)定，效果佳，未出現(xiàn)管道堵塞結(jié)焦等問(wèn)題，能夠滿足長(zhǎng)期運(yùn)行要求。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)熱水解處理前后的污泥脫水性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，經(jīng)熱水解后，污泥含水率由81.80%增加至91.20%。污泥含水率的增加，一方面是由于蒸汽混入污泥，另一方面是由于污泥有機(jī)質(zhì)的分解或溶解導(dǎo)致含固率的下降。
污泥比阻(SRF)是反映污泥過(guò)濾性能的綜合指標(biāo)，SRF值越大，則污泥越難過(guò)濾，其脫水性能也越差。一般認(rèn)為，進(jìn)行機(jī)械脫水的污泥，比阻值大于9.81x1012m/kg時(shí)為不易脫水污泥，比阻值在(3.93~5.53)x1012m/kg時(shí)為脫水性能中等的污泥，比阻小于3.93x1012m/kg時(shí)為容易脫水污泥。進(jìn)行機(jī)械脫水的污泥比阻小于4X1012m/kg時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。初始污泥呈固狀，經(jīng)一定調(diào)理后，才可采用板框壓濾機(jī)脫水。而熱水解后污泥比阻降至8.8x1011m/kg,污泥脫水性能得到極大改善。無(wú)需藥劑調(diào)理，經(jīng)板框壓濾后，污泥含水率降至40.9%,脫水程度也較高。
2.污泥有機(jī)質(zhì)含量
污泥熱水解過(guò)程包括固體物質(zhì)溶解液化和有機(jī)物水解兩個(gè)過(guò)程。污泥經(jīng)熱水解處理后，污泥上清液中的溶解性物質(zhì)濃度大幅提高。由表4可知，熱水解后，污泥有機(jī)質(zhì)含量由68.6%降至55.4%。初始污泥中溶解性COD為482mg/L,熱水解后污泥濾液中的COD高達(dá)67000mg/L；熱水解后污泥濾液中的氨氮、總磷濃度與初始污泥相比，也有較大幅度提高。
3.熱水解污泥產(chǎn)氣率
由表4可知，熱水解污泥及濾液中的可溶性有機(jī)物會(huì)顯著增加，比較適合厭氧產(chǎn)沼氣。沼氣的燃燒又可產(chǎn)蒸汽，回用于污泥熱水解過(guò)程，進(jìn)而就地解決部分能源消耗問(wèn)題。因此，有必要對(duì)水解后污泥的厭氧產(chǎn)氣特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。熱水解污泥和濾液的特性如表5所示。
熱水解后的污泥和濾液厭氧產(chǎn)氣性能如表6所示。濾液的原料產(chǎn)氣率較熱水解污泥低25%左右。對(duì)厭氧過(guò)程中沼氣成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，濾液產(chǎn)沼氣的成分為CH4 68.6%、CO2 28.5%;熱水解污泥產(chǎn)沼氣的成分為CH4 56.3%、CO2 37.9%，濾液產(chǎn)沼氣的成分優(yōu)于熱水解污泥。
熱水解污泥及濾液的產(chǎn)氣情況如圖2所示。對(duì)熱水解污泥而言，最大日產(chǎn)氣量出現(xiàn)在第10天，為9L;而濾液的最大日產(chǎn)氣量出現(xiàn)在更早的第4天，為6.2L。濾液產(chǎn)氣速率快于熱水解污泥。
4.系統(tǒng)熱平衡計(jì)算
熱水解中試系統(tǒng)熱平衡情況如表7所示。系統(tǒng)熱源采用電熱蒸汽鍋爐，能耗約為0.3kg蒸汽/kg污泥。由于系統(tǒng)未做保溫等措施，約有7.2%的能量通過(guò)散熱等方式損失，熱能利用率約為92.8%。
系統(tǒng)尚未配置余熱回收系統(tǒng)，后期系統(tǒng)優(yōu)化階段增設(shè)余熱回收裝置(圖2),則能耗可降至0.22kg蒸汽/kg污泥。若工業(yè)化階段考慮污泥綜合利用，還可以進(jìn)一步降低能耗。
5.經(jīng)濟(jì)效益分析
⑴污水廠污泥現(xiàn)有處理成本
試驗(yàn)開(kāi)展地的湖州某污水處理廠，其剩余污泥脫水后外運(yùn)委托第三方進(jìn)行處置，按230元/t(含水率80%)付費(fèi)，則每噸干泥的費(fèi)用為1150元/t。此外，基于現(xiàn)有的污泥外運(yùn)裝車(chē)重量、運(yùn)距及油耗情況，每噸干泥的運(yùn)費(fèi)為18元/t。每噸干泥處置總成本(支付給第三方費(fèi)用及運(yùn)費(fèi)之和)為1168元/t
(2)采用熱水解預(yù)處理后污泥處置成本
采用熱水解預(yù)處理后，污泥含水率由80%降至40%,基于現(xiàn)有污泥230元/t(含水率80%)的付費(fèi)情況，則每噸干泥的費(fèi)用為384元/噸;
基于現(xiàn)有的污泥裝車(chē)重量、運(yùn)距及油耗情況，則每噸干泥的運(yùn)費(fèi)為6.1元/t;
本中試試驗(yàn)，未對(duì)余熱進(jìn)行回收，噸泥(含水率80%)電耗為204kwh/t,電單價(jià)按0.75元/kwh計(jì)，則每噸干泥的電費(fèi)約765元。若采用余熱回收裝置(圖3),系統(tǒng)能耗可降低約27%,則每噸干泥的電費(fèi)約558元。此外，板框二次壓濾，每噸干泥按40千瓦時(shí)計(jì)算，則需電費(fèi)30元;
若增設(shè)余熱回收裝置，則采用熱水解預(yù)處理后每噸干泥處置總成本約為978元，比污水廠現(xiàn)有污泥處置成本降低16.7%。
四、結(jié)論
(1)本研究建立了一套剩余污泥污泥熱水解中試系統(tǒng)，可用于污泥的強(qiáng)化脫水處理。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)污泥連續(xù)熱水解，運(yùn)行穩(wěn)定且未發(fā)生管道堵塞等情況。經(jīng)熱水解處理后，污泥脫水性能得到極大改善，無(wú)需藥劑調(diào)理，經(jīng)板框脫水后，含水率降至40.9%;
(2)經(jīng)熱水解反應(yīng)后，污泥及濾液中的可溶性有機(jī)物顯著增加，可用于厭氧產(chǎn)沼氣。沼氣的回收利用，可就地解決熱水解過(guò)程部分能源消耗問(wèn)題。濾液原料厭氧產(chǎn)沼氣速率大于熱水解污泥原料，但其產(chǎn)氣率較較熱水解污泥低25%左右。此外，濾液原料產(chǎn)沼氣的成分為CH4 68.6%、CO2 28.5%,熱水解污泥原料產(chǎn)沼氣的成分為CH4 56.3%、CO2 37.9%,濾液原料產(chǎn)沼氣的成分優(yōu)于熱水解污泥原料;
(3)若增設(shè)余熱回收裝置，采用熱水解預(yù)處理后每噸干泥處置總成本約為978元，較污水廠現(xiàn)有每噸干泥處置總成本1168元/t,下降16.7%。若拓寬污泥處置方式，實(shí)現(xiàn)污泥綜合利用，則處置費(fèi)用還可進(jìn)一步降低;
(4)后續(xù)還需重點(diǎn)研發(fā)中試系統(tǒng)中減壓裝置閥門(mén)組件的防磨損問(wèn)題，同時(shí)拓寬系統(tǒng)熱源供給模式，完善污泥處理處置技術(shù)路線，提高污泥的利用價(jià)值，探尋工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)途徑。( >
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