系列文章-市政污泥处理处置技术调研报告(八)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-02-05 15:27

4.3 常见工艺路线

“好氧发酵+土地利用”是一种常见的污泥资源化处理处置工艺线路。污泥好氧发酵技术可以实现污泥稳定化并在一定程度上杀灭病菌,发酵后可限制性农用、园林绿化或改良土壤,可以使有机质及营养元素得到循环利用,且前期设备投资少、运行管理方便。

4.4 常见生产商和经济性分析

4.4.1 常见方案或设备提供商

表4.1列举了部分污泥好氧发酵方案提供商及应用举例。

表4.1 污泥好氧发酵方案提供商与工艺设备名称

方案提供商 项目名称 工艺路线 处理规模(吨/日)
天津创业环保集团股份有限公司 天津张贵庄污泥处理厂 动静结合槽式污泥好氧发酵 300
北京排水集团污泥处置分公司 北排庞各庄污泥堆肥项目 条跺式好氧堆肥 250
贝卡特环境技术有限公司 包头市污泥堆肥项目 贝卡特MBT好氧发酵工艺 300
北京沃土天地生物科技有限公司 武汉污泥处置项目(陈家冲一期) 好氧发酵+土地利用 175
北京中科国通环保工程技术股份有限公司 无锡市芦村污水处理厂污泥处理工艺 生物沥浸深度脱水+好氧堆肥 220
北京中科博联环境工程有限公司 秦皇岛绿港污泥处置工程 第二代CTB生物堆肥处理技术 200
机科发展科技股份有限公司 沈阳城市污泥无害化处理工程 好氧生物干化工艺 1000(全国最大)
上海元钧环保科技有限公司 上海青浦区污泥处理处置工程 污泥膜式高温好氧发酵工艺 200

4.4.2 国内主要应用案例及经济分析

目前,国内应用推广较好的好氧堆肥工艺有CTB工艺、SACT工艺和ENS工艺。其中CTB和SACT工艺案例是中国水网2010年度污泥处理处置十大推荐案例,ENS工艺为特别关注案例。以下是各工艺的代表案例信息。

(1)CTB工艺——秦皇岛绿港污泥处理厂项目

1)、项目概况

该工程位于秦皇岛海港区麻念庄北,占地50亩,总投资4980万元,设计日处理城市污泥200吨(含水率80%)。2009年5月该污泥项目开始试运行,采用自动控制生物堆肥处理技术(第二代CTB技术),污泥经过无害化处理后将用作植物生长所需的营养土或有机肥。

2)、基本技术参数

  • 规 模:    200吨/天(含水率80%)
  • 工 艺:    发酵槽静态强制通风+翻抛工艺
  • 发 酵 槽: 35m×2m×5m
  • 发酵周期: 20天
  • 数 量:    20个
  • 充氧设计负荷:1-0.3m3/m3.min
  • 调理剂投加量:5%

3)、主要经济指标

  • 投 资:4980万元
  • 吨泥投资:25万元
  • 运行费用:80-100元/吨(含水率80%污泥)
  • 电 耗:20度/吨(含水率80%污泥)

4)、工艺特点

  • 温度-氧气-臭气在线监测和耦合、智能化控制系
  • 前期静态曝气发酵+后期动态匀翻的处理工艺
  • 生物发酵全过程的智能控制,实现处理过程无人值守,自动优化无害化处理过程
  • 通过好氧发酵过程中的通风策略优化,达到快速生物干化的目的
  • 源头控制臭气的产生,后期采用生物滤池除臭

(2)SACT工艺——唐山西郊污水处理二厂污泥堆肥工艺

1)、工程概况

该项目是世界银行贷款国际招标采购项目,日处理污泥40吨,占地5000平米,年产颗粒复混肥10000吨,采用SACT污泥堆肥系统,首次将堆肥、制肥、物料自动化输送以及除臭四大系统有机合成。预处理采用1套污泥预干化设备,热源来自污水厂锅炉房;好氧发酵阶段采用 2 座独立卧式发酵槽和 2 台链式翻堆机,发酵槽底部布设曝气管路,通过鼓风机向物料堆内充氧,进料采用自动布料机,出料配备制肥设备 1 套。好氧发酵车间配套建设了生物除臭系统,采用传统生物滤池工艺,气体排放符合国家相关标准要求。项目于2006年投入使用,目前运行良好。

2)、基本技术参数

  • 规 模:  40吨/天(含水率80%)
  • 工 艺:  发酵槽静态强制通风+翻抛工艺
  • 发酵周期: 14天
  • 发酵温度: 60-70度

3)、主要经济指标

  • 投 资:950万元
  • 吨泥投资:75万元
  • 运行费用:70-80元/吨(含水率80%污泥)
  • 电 耗:30度/吨(含水率80%污泥)

4)、工艺特点

  • 运行阶段不使用干料,采用全返混的混料方式
  • 根据堆肥过程和各监测参数控制通风量,保证各阶段堆体供氧量与物料需氧量一致
  • 曝气风机与抽风风机联动,节约能耗
  • 高效翻堆机,实现物料动态运行和自动进出料过程
  • 堆肥车间局部封闭,节约废气收集处理成本
  • 机械设备实行自动化联动控制,堆肥车间实现无人操作,改善人员工作环境

(3)ENS工艺——北京庞各庄污泥堆肥升级改造工程

1)、工程概况

北京庞各庄污泥处置改造工程采用ENS工艺,设计能力500吨/天,投资4096万元,前期改造规模130吨/天。

2)、基本技术参数

  • 规 模:    500吨/天(含水率80%)
  • 工 艺:    条跺式静态通风工艺
  • 发酵周期: 16天
  • 发酵温度: 50-72度

3)、主要经济指标

  • 投 资:4096万元
  • 吨泥投资:1万元(改造投资)
  • 运行费用:60-120元/吨(含水率80%污泥)
  • 通风电耗:10度/吨(含水率80%污泥)

4)、工艺特点

  • 流态化物料混合,实现微观混合与物料的疏松透气
  • 简单高效的布风引风技术
  • 温度优化与反应加速
  • 职能化控制
  • 氧气-温度全自动在线监测

综合以上几种污泥好氧堆肥工艺,以CTB工艺的应用最为广泛,除秦皇岛项目以外,国内还有吉林长春项目(400t/d)、山东寿光项目(300 t/d))、上海松江项目(120t/d))、天津于桥项目、河南漯河项目(40 t/d)、郑州市污泥处理厂(600t/d,一期规模100t/d)等。

我国是一个农业大国,为污泥堆肥技术成为一种宝贵的资源提供了市场条件。然而,需要注意的是,污泥堆肥不适合大规模的污泥处理工程,特别是在南方多雨天气下,对其反应设施和储存设施要求相对较高。脱水污泥含水率高,在进行堆肥时,占用土地面积大,需要添加大量的外加填料,不能实现污泥减量,占用大量用地,特别是在土地稀缺的大城市。相对于厌氧消化土地利用,污泥好氧堆肥的过程会消耗大量能耗与药剂。

此外,目前我国污泥堆肥的成功案例大多在北方,堆肥项目除受地域的影响外,目前限制污泥堆肥项目实施的主要是政策因素和市场因素。我国目前缺乏对污泥农用的风险评估机制和后期管理监测制度,污泥农用存在较大的风险因素,国家目前的政策是限制农用的。由于我国近年对食品安全问题的关注度越来越高,在市场接受度上也存在消费者心理接受的问题。另外,污泥填料有时也是限制其应用的主要原因之一。在美国,污泥好氧发酵通常作为污泥厌氧消化的补充技术,在部分适宜地区应用。因此,在选择建设污泥好氧发酵项目时,应综合考虑项目所在地的各种因素,统筹规划。

 

4.5 本章小结

本章节详细介绍了好氧发酵的基本原理及国内外发酵工艺的主要形式,包括条跺式堆肥、槽式堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺、箱式堆肥工艺等。条跺式发酵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;发酵槽式好氧发酵工艺比较适合大型污水处理厂污泥处理处置,但存在发酵时间长、占地面积大、臭味难控制、操作维护复杂等缺点;集装箱好氧发酵技术发酵效果差、周期长、投资高、设备维护复杂,不适合做大范围技术推广;滚筒动态好氧高温发酵技术是一种新型污泥好氧发酵技术,克服了传统堆肥发酵周期长的难题,以最短的时间和最低的能耗实现了污泥卫生化、无害化要求,具有运行稳定、安全,反应高效、低能耗的特点。

国内目前应用推广较好的好氧堆肥工艺主要有CTB工艺、SACT工艺和ENS工艺,这几种衍生工艺主要是在传统好氧堆肥的基础上进行改良,或引入智能化精确化控制,已经有不少应用实例,并且实际应用效果较好。

总之,我国是一个农业大国,为污泥堆肥技术成为一种宝贵的资源提供了市场条件。然而,好氧堆肥受天气、温度、地域的影响较大,不适合大规模的污泥处理工程。在选择建设污泥好氧发酵+土地利用技术路线的项目时,应综合考虑项目所在地的各种因素,统筹规划。

第五部分:厌氧消化技术

5.1污泥厌氧消化的基本原理

污泥厌氧消化是指污泥在无氧条件下,由兼性菌和厌氧细菌将污泥中的可生物降解的有机物分解为CH4、CO2、H2O和H2S的消化技术。它可以去除废物中30%~50%的有机物并使之稳定化,是污泥减量化、稳定化的常用手段之一,是大型污水厂最为经济的污泥处理方法。

污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程,目前,对厌氧消化的生化过程有两段理论、三段理论和四段理论。其中三段理论指需要经过三个阶段,即水解、酸化阶段,乙酸化阶段,甲烷化阶段。各阶段之间既相互联系又相互影响,各个阶段都有各自特色微生物群体。

  • 水解酸化阶段

一般水解过程发生在污泥厌氧消化初始阶段,污泥中的非水溶性高分子有机物,如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下,转化成短链脂肪酸,如乙酸、丙酸、丁酸等,还有乙醇、二氧化碳。

  • 乙酸化阶段

水解阶段产生的简单可溶性有机物在产氢和产酸细菌的作用下,进一步分解成挥发性脂肪酸(如丙酸、乙酸、丁酸、长链脂肪酸)醇、酮、醛、二氧化碳和氢气等。该过程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。

  • 甲烷化阶段

甲烷化阶段发生在污泥厌氧消化后期,在这一过程中,甲烷菌将乙酸(CH3COOH)和H2、CO2分别转化为甲烷, 如下:

2CH3COOH→2CH4↑+ 2CO2

4H2+CO2→CH4+ 2H2O

在整个厌氧消化过程中,由乙酸产生的甲烷约占总量的2/3,由CO2和H2转化的甲烷约占总量的1/3。

5.2 污泥厌氧消化技术的发展

在众多的污泥处理方法中,厌氧消化由于其高效的能量回收和较低的环境影响是目前国内外应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。它可以使污泥中挥发性悬浮固体(VS)含量减少30%~50%,从而使污泥达到稳定,并有利于后续的脱水处理。经厌氧消化后的污泥中仍然含有丰富的有机肥效成分,适用于土地利用。此外,在厌氧消化过程中产生的沼气还可以用来发电,大大提高了污泥综合利用水平。

传统的厌氧消化用于处理城市污水处理厂的污泥在欧洲已有超过100年的历史,污水污泥的厌氧中温消化是传统处理技术。在我国,厌氧消化技术的应用始于20世纪30年代,但直到70年代后期才开始稳步发展。目前国内一些大型污水处理厂已经建设了完善的污泥厌氧中温消化与沼气发电设施,例如北京高碑店污水处理厂(100万吨/日)的污泥处理采用两级中温厌氧消化工艺,通过技术改造和工艺调整,最大限度地收集沼气用于发电。但迄今为止,我国厌氧消化池的稳定运行和沼气利用问题还有待进一步完善。

随着对可再生能源及经济效益的追求,污泥高级厌氧消化成为近年来污泥处理领域内一个鲜明的发展方向。所谓高级厌氧消化是指相对于传统中温厌氧消化技术能够显著提高挥发性固体负荷降解率的厌氧消化技术。目前,高级厌氧消化技术主要有高温消化、两相消化、延时消化、协同消化以及热水解+消化等技术形式。与传统厌氧消化技术相比,高级厌氧消化技术的研发及应用历史较短,但一些技术已经展现出良好的发展势头,并处于不断的研究之中,这些新技术的发展正在奠定将来厌氧消化的技术局面。

5.2.1 高温消化

高温消化与中温消化很类似,所不同的是运行的温度为50~57℃,高温消化的一个显著特点是会更高效地灭活病原菌并使反应速度加快。研究结果显示,病原菌的灭活时间会随着温度的升高而降低。高温消化在设计参数上与中温消化有所不同,例如悬浮固体的负荷要高很多,反应时间短,反应容器小。

高温消化有几种不同形式,包括几个高温消化池串联、高温消化+中温消化、中温消化+高温消化+中温消化等形式,最常见的是高温消化+中温消化,这种形式的消化又被称为异温分段厌氧消化(TPAD),其显著特点是在利用高温消化的同时又可避免挥发性有机酸释放的恶臭。目前在北美约有20多个处理厂应用了这一技术。TPAD工艺流程图如图5.1所示。

图5.1 TPAD工艺流程图

高温厌氧消化具有诸多优势,包括消化速度快、处理负荷高、反应时间短和反应器容积小等优点。高温条件对有机物的降解和病原菌的杀灭非常有效,尤其当污泥进一步作土地利用时,高温处理更为重要。因此其在国外的应用实例不断增加,但在我国实际应用中,多采用中温消化,这是受我国经济发展水平所限。因为为了维持高温消化的温度,需要消耗更多能量,其运行成本要高于中温消化。

5.2.2 两相厌氧消化

两相厌氧消化系统是20世纪70年代初美国戈什(Ghosh)和波兰特(Pohland)开发的厌氧生物处理新工艺,于1977年在比利时首次应用于生产。传统的厌氧消化包括水解、产酸及甲烷化这三个阶段,通常都是在一个池内完成上述反应过程。两相厌氧消化工艺是指酸化和甲烷化两个阶段分别在两个串联反应器中,使产酸菌和产甲烷菌在各自最佳的环境条件下生长,这样不仅有利于充分发挥其各自的活性,而且提高了处理效果,达到了提高容积负荷率、减少反应容积、增加系统运行稳定性的目的。

两相厌氧消化工艺流程图如图5.2所示。两相厌氧消化在具体实际应用时会有多种不同的组合形式,包括中温酸化消化+高温产气消化、中温酸化消化+中温产气消化等。

两相厌氧消化有诸多的技术优势,包括更高的可挥发性悬浮物(VSS)分解率、泡沫控制、产气率更高、建设成本更低等。主要缺点包括相分离导致操作复杂,酸化阶段可能会产生高浓度的硫化氢,酸化消化池在操作过程中会遇到明显恶臭。

5.2.3 延时厌氧消化

延时厌氧消化是将污泥厌氧消化的水力停留时间与固体停留时间分离,通常是消化池的出泥进行固液分离后再回流到消化池,如图5.3所示。

图5.3 延时厌氧消化流程图

延时厌氧消化的一个关键是用浓缩设备分离污泥,分离后的污泥再与进来的原泥相混合进入消化池,这样避免了传统厌氧消化池完全混合式的短流、污泥停留时间更长等弊端。延时消化的优点在于将更多的细菌回流到消化池内进一步分解有机物,提高产气率。实际上,将泥龄与水力停留时间分离的做法最早在20世纪60年代的纽约就开始尝试,当时纽约卫生局的工程师Torpcy最先提出这一想法,所以在美国这种方法也叫做Torpcy工艺,当时主要通过重力沉降的方法来分离固液,最近几年采用离心和气浮的方法在一些地方开始尝试。

延时厌氧消化的主要优点包括池容减少、VSS分解率更高、脱水絮凝剂量降低、消化池固体含量提高等。当然,这项技术也存在一些缺点,如增加的固液分离设备可能会抵消因消化池减小所导致的占地面积减小。另外,人们对延时消化的一个担忧是在固液分离阶段厌氧菌是否会受到明显的影响,在澳大利亚和美国的几个生产性厌氧消化工程的运行结果显示,固液分离的短暂好氧阶段不会对厌氧菌造成明显影响。

5.2.4 协同厌氧消化

协同厌氧消化是指污水处理厂污泥与其它有机废物共同进入消化池进行消化,这些有机废物包括油脂、餐厨废物等。协同厌氧消化在欧美发展非常迅速,很多污水处理厂都在应用这一技术,美国加州著名的EBMUD污水处理厂由于采用协同厌氧消化而成为美国能量自给污水处理厂的典范(图5.4)。

采用协同厌氧消化的主要动力来自于对提高污水处理厂沼气产量的需求,满足污水处理厂能耗的要求,同时使一定地区内的碳足迹最小化。采用协同消化需要注意一些问题,比如外部有机物如果碳含量太高,可能会导致氮的缺乏,从而引起丙酸的积累;而如果碳含量太低,则可能会引起氨中毒,因此需要在营养物的平衡上格外注意。

厨余垃圾协同厌氧消化+脱水+土地利用的污泥处理处置路线在我国已经进行了部分尝试,例如镇江市餐厨垃圾及城市污水厂污泥协同处理作为国内首个采用城市污水厂污泥和餐厨协同处理的工程项目,于2016年12月进入代运维阶段,2017年12月代运维工作结束。厌氧消化系统性能满足工艺要求,运行稳定,目前已经全部移交给业主运行维护,其厌氧消化系统的启动调试经验可供类似工程参考。

该项目建于镇江市京口污水处理厂污泥处理工程预留地,总用地面积约45亩,设计规模为:餐厨垃圾140t/d(其中餐厨垃圾120 t/d、废弃油脂20 t/d),城市污水厂污泥120 t/d(含水率以80%计)。项目工艺流图如图5.4所示,镇江市主城区、丹阳市、扬中市和句容市等区域的餐厨垃圾经餐厨车制浆收集后送入到厂区餐厨料仓,然后通过螺杆泵直接泵入厌氧罐。征润州污水处理厂、京口污水处理厂和丹徒污水处理厂的污泥经脱水到含水率80%左右进入污泥料仓,然后经污泥高温热水解系统处理后,再进入到厌氧罐。产生的沼气经收集、处理、提纯后一部分用于沼气锅炉,多余的并入市政天然气管网。厌氧消化液采用两级脱水(螺旋机和直接压滤式污泥深度脱水),第一级和第二级分别将沼液的含水率降低到80%和60%左右。脱水污泥经太阳能干化后用于苗木种植。

图5.4 镇江市餐厨垃圾及城市污水厂污泥协同处理项目工艺流程图

5.2.5 热水解+厌氧消化

与初沉污泥相比,剩余污泥在消化与脱水方面都有一定的困难,造成这种现象的主要原因是剩余污泥中胞外聚合物(EPS)的含量较高。针对这种问题,业界发展出了很多细胞破壁技术,主要有物理、化学、生物等方法,但绝大多数方法的能耗或成本较高。近几年来热水解技术的发展实践表明,这是在污泥消化与脱水方面极具前景的一项技术。

传统污泥热水解是首先将混合污泥(初沉污泥与剩余污泥)从含固率3%脱水至16%左右,然后进行热水解,以Cambi工艺为例,该技术主要由三个阶段组成。首先污泥进入浆化罐,利用工艺的废热对污泥进行加热,通常污泥会被加热到90℃;然后进入反应罐,反应罐的数量会根据处理厂规模大小而有所不同,在反应罐内污泥被加热到165℃左右,压力维持在0.065MPa,反应时间30min左右。反应后的污泥进入闪蒸罐迅速泄压,细胞壁大量破碎,闪蒸罐的蒸汽返回浆化罐预热下一批污泥。

挪威的Hias污水处理厂最早于1995年应用了污泥热水解工程,英国的泰晤士水务Chertscy污水处理厂在1999年应用了污泥热水解技术,是英国最早的案例,此后在英国和爱尔兰有数十个项目应用了这一技术。美国华盛顿Bluc Plains污水处理厂的污泥热水解工程于2014年投入运行,这是迄今为止全球最大的污泥热水解工程。除了Canbi之外,还有威立雅的Biothclys、Exclys以及荷兰开发的Turbotcc等热水解技术。

污泥热水解+厌氧消化的工艺有着诸多的技术优点,首先污泥经过高温、高压的热水解后可以达到A级污泥的标准;其次,污泥热水解使得胞内物质释放,提高了消化VSS分解率,沼气产量会有一定程度的提高;由于细胞壁的破碎,污泥的脱水效果会大为改善,泥饼含固率会提高6%左右;最后,由于污泥经过热水解后消化池的进泥含固率在10%左右,这样会大幅降低消化池的池容,减少投资。当然,热水解也有其自身的弱点,主要表现在技术复杂、初期投资高、滤液中含有较高浓度的氨氮和COD。

5.3 常见工艺路线

厌氧消化-土地利用是欧美等国家应用最为广泛的技术线路,厌氧消化可以实现污泥稳定化,消化过程产生沼气,基本不需要物料消耗,消化后的污泥还可以实现土地循环利用。欧美50%以上的污泥采用厌氧消化处理,通过沼气发电,其电能可满足污水厂33%-100%电力。虽然在欧美国家该技术路线实现了成熟应用,但在我国目前稳定运营的大型污泥厌氧消化装置较少,这是由于我国污泥含沙量较高、有机物含量较低、污泥可生化性差,消化设备运行的稳定性、产沼气率等指标普遍未达到国外标准,并且设备运行管理能力差。厌氧消化对控制条件要求高,如果运行条件控制不好污泥不仅达不到原有的消化效果,还会给后续脱水处理带来极大的困难。加之目前我国有关污泥的市场化运营机制尚不完善,缺乏沼气利用的激励机制,许多设备需要从国外进口,投资费用高,市场参与度比较低。

近年来,随着高温热水解和餐厨垃圾协同消化技术的进一步工程应用,污泥厌氧消化技术在我国应用的瓶颈正不断突破。随着风险评价机制的进一步完善,排水体系的进一步完善,污泥厌氧消化+干化+土地利用的工艺路线,将越来越得到人们的重视。特别是在大中型城市,或在污泥有效运距内很难找到适宜的堆肥场地的城市,更可以考虑。