系列文章-市政污泥处理处置技术调研报告(六)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-02-05 14:40

第四部分:好氧发酵技术

4.1 好氧发酵技术的基本原理

好氧发酵通常是指高温好氧发酵,是通过好氧微生物代谢作用,使污泥中有机物转化成稳定的腐殖质的过程。代谢过程中产生热量,可使堆料层温度升高至55℃以上,有效杀灭病原菌、寄生虫卵和杂草种籽,并蒸发水分,实现污泥稳定化、无害化处理。

在好氧发酵过程中,有机废物中的可溶性有机物质,渗入细胞。微生物通过自身的生物代谢活动,对一部分有机物进行分解代谢,即氧化分解,以获得生物生长、活动所需要的能量。而把另一部分有机物转化合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更多的生物体。

根据反应过程中温度的变化,可将污泥好氧氧化分为三个阶段:升温阶段、高温阶段和腐熟阶段,如图4.1所示。

(1)升温阶段

好氧氧化反应初期,嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源,迅速增殖,并释放出热能,使堆体温度不断上升。此阶段温度在室温至45℃范围内,微生物以中温、需氧型为主,通常是一些无芽胞细菌。

(2)高温阶段

当温度上升到45℃以上时,即进入高温阶段(55~70℃)。嗜温性微生物受到抑制,嗜热性微生物逐渐取而代之。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外,半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。高温对于污泥的快速腐熟起到重要作用,在此阶段开始了腐殖质的形成过程,并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。另外,高温能有效杀灭有机废弃物中病原菌、寄生虫卵和杂草种籽等,是实现污泥无害化和稳定化的重要阶段。

(3)腐熟阶段

在高温阶段末期,只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质,此时微生物活性下降,发热量减少,温度下降。此时嗜温性微生物再占优势,对残留较难分解的有机物作进一步分解,腐殖质不断增多且趋于稳定化,此时好氧发酵进入腐熟阶段。

污泥在好氧微生物的综合作用下,经过升温、高温和腐熟三个阶段,易腐化有机物得到降解,含水率降低、大多数病原菌被杀灭,污泥转化为稳定的腐殖质物质,达到稳定化和无害化标准。

4.2 好氧发酵技术的发展

好氧发酵技术(堆肥),有着悠久的历史。污泥经好氧发酵处理后进行土地利用是国内外重要的污泥处置途径之一。

传统的堆肥工艺技术较为简单,堆肥过程中少有或没有人为控制。现代的堆肥过程是在原始堆肥方式的基础上发展而来,专用机械设备得到大量引进与开发,发酵机理得到了深入研究,工艺日趋成熟,具备了工业化发展的条件。随着对发酵过程控制和管理要求的逐渐提高,发酵过程机械化程度逐渐提高,污泥好氧发酵进入机械化阶段,多种机械化好氧发酵工艺不断涌现。

美国20世纪80年代初开发了比较完善的贝尔茨维尔好氧堆肥法,主要采用堆底穿孔管道通入空气的方法,防止臭气扩散,比较安全卫生。该工艺在美国得到广泛应用,到1990年已经有76座设备在运行。污泥连续发酵工艺利用快速发酵回转仓完成中温、高温发酵,是目前国际上较为先进也是较为普遍使用的处理方法。日本在1954年建成第一座污泥堆肥中心,到20世纪90年代末已建了35座。目前,日本最大的堆肥厂在北海道的札幌市,发酵仓和生产线及袋装产品很具规模,而且机械化、自动化程度很高。

我国污泥好氧发酵技术起步较晚,主要是采用发酵槽+翻抛的氧化处理工艺。近几年,在北京、天津、郑州、秦皇岛等城市完成了多个大型污泥高温好氧发酵工程,取得了显著的成果。

目前国内外发酵工艺形式多样,主要可以分为条跺式堆肥、槽式堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺、箱式堆肥工艺等等。

4.2.1条垛式发酵工艺

条垛式发酵一般为露天发酵,一般将原料混合物堆成长条形的条垛,其断面是梯形或三角形,是一种常见的好氧发酵方法。这种堆肥方法缺点也很明显,如条垛太大,中心易产生厌氧区,翻垛时产生臭气;垛太小,散热迅速,难以保证杀灭病原体和杂草种子。该工艺按其有无机械翻堆设备可分为静态发酵和动态发酵两大类,如图4.2所示。

(1)强制通风式静态发酵

发酵物料在经整理后的地面和通风管道系统上,通过强制供气或强制抽气来保持发酵过程所需的氧气浓度,堆体表面覆盖约30厘米的腐熟堆料,减少臭味的扩散及保证堆体内较高的温度。整个发酵周期不少于30天。

(2)动态发酵

动态发酵采用轮式或履带式翻堆设备,在发酵周期内定时翻抛堆垛,使堆料与空气接触而保持发酵过程所需的氧气浓度。无曝气典型动态发酵过程周期大约需要40天左右的时间,加设曝气系统后发酵周期大约需要21天左右的时间。

该工艺因存在供氧不均、臭气污染严重及产品质量较差等问题,目前已越来越少被采用。

4.2.2 发酵槽式发酵工艺

发酵槽式发酵在厂房或隧道仓中进行,可分为阳光棚发酵槽和隧道式发酵仓两类,如图4.3所示。

(1)阳光棚发酵槽发酵

在阳光棚中设置发酵槽,利用阳光棚的透光和保温性能,冬天也能正常发酵。发酵槽的尺寸根据物料量的多少及选用的翻堆设备型号来决定。常用设备:搅拌式翻堆机、链板式翻堆机、双螺旋式翻堆机和铣盘式翻堆机等,通过翻堆机搅拌并使物料前移,一般每隔1-2天翻堆一次。发酵槽底部安装有通风管道系统,通过强制通风来保证发酵过程所需的氧气。发酵物料入槽后3天即可达到45℃,在槽内要求温度55℃以上持续7天左右,发酵周期为15-21天,挥发性有机物降解50%左右。将发酵槽内的物料运至陈化区二次发酵,剩余有机物进一步分解、腐熟、干燥、稳定。

(2)隧道窑静态好氧发酵

隧道窑发酵仓包括若干座联排式隧道仓,正面设计有密封门,背面为风机房。发酵污泥进料系统包括布料机和装载机两种方式,装载机出料。完成进料后关闭密封门。通过仓内传感器对发酵污泥进行监控,计算机对参数做相应调整处理,控制风机的启动和关闭,提供充足的氧气使发酵过程保持最佳发酵温度与状态。通风系统将空气从发酵仓的底部风道打入堆料,再从发酵仓的上部收集和处理发酵废气,尾气收集处理装置将发酵废气的余热通过交换器加热空气用于发酵或预处理升温(也可作为生活供热)。整个通风系统在一个气流循环封闭的环境内运行,最后用引风机将废气抽到生物滤池过滤后达标安全排放。隧道窑静态好氧发酵工艺采用多点位、多类型监测点,有效反映整个发酵状态,计算机对数据处理及时调整优化发酵程序。隧道窑静态好氧发酵工艺具有机械化高,占地面积小,环境条件较好,发酵质量可调控等优点,减少机械翻堆过程的能耗和维修,降低运行费用,适用于大规模工业化生产。

综上,发酵槽(池)式好氧发酵工艺比较适合大型污水处理厂污泥处理处置,但又普遍存在以下问题:

  • 升温慢,受环境温度影响大

槽式翻抛好氧发酵技术采用批序处理模式。每一批物料都要经过升温-高温-降温的发酵过程,受环境温度影响,堆体升温至50℃需要3-5天时间。在北方,由于冬季温度太低,非常容易导致升温缓慢甚至不升温,目前,西北、东北区、内蒙域大多数堆肥厂在冬季都不能正常生产。图4.4为东北某污泥堆肥现场,冬季无法升温发酵,成了大的污泥堆置厂。

  • 翻抛与发酵温度保持冲突,工艺管理复杂

槽式翻抛好氧发酵技术需要通过机械翻抛来实现物料的再混合,同时实现充氧和水气的释放。增加翻抛频率有利于加强传质提高反应效率,但是翻抛后会造成堆体温度迅速降低,要重新经历升温阶段,堆体温度波动对杀菌和反应效率又形成制约。因此,控制翻抛的时机和频率非常重要,这直接决定了好氧发酵的效果,需要有丰富运行经验的管理人员才能掌握。

  • 曝气系统易堵塞,曝气不均匀,影响发酵效果

底部曝气系统可以实现加强堆体供氧和促进水分排出,从而缓解因不能频繁翻抛而导致的堆体厌氧现象发生,对提高反应效率有明显作用。但是,曝气头堵塞、曝气不均等问题导致曝气效果大打折扣。由于堆体高度一般在1.8m左右,底部物料被压实,且底部物料在大风量作用下最先干化,在干化和挤压的双重作用下,底部物料容易板结,影响透气性。另外,由于物料高度不均匀,易导致空气短流,造成一部分曝气过度,另一部分形成厌氧,对整体发酵效果影响非常大。现场图片如下:

  • 臭味收集处理困难,发酵车间臭气影响操作人员安全

由于槽式翻抛好氧发酵技术采用开放式的发酵车间,发酵产生的臭气、氨气、水气等气体需要进行收集处理,一方面,对整个车间进行抽气处理,气量大,能耗高,另一方面气体收集比较困难,靠近抽气主管的吸风口抽气量大,而远端很难收集气体,造成气体外泄,形成而成污染。另外,发酵车间的臭气严重影响操作人员安全。

总之,槽式翻抛好氧发酵技术受传质效果、环境温度、操作控制等因素的影响,具有发酵时间长、占地面积大、臭味难控制、操作维护复杂等缺点。