一、引言
由于我國城市化進程的不斷加快，污水量處理量不斷增加，與此同時污泥的產(chǎn)量也日益增加。2018年底，我國共建成運行污水處理廠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4000萬噸(含水率80%計)。預(yù)計2020年污泥的年生產(chǎn)量可達(dá)6000萬噸。因此，對剩余污泥的妥善處理處置是保障污水處理廠連續(xù)穩(wěn)定運行必須面對的問題。
在污水處理廠的運行過程中，僅能將含水率99%左右降至75%-80%，體積龐大的污泥對其外運及最終處置帶來不便，如何進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，對微生物細(xì)胞壁改性可提高剩余污泥脫水性能，同時細(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、熱水解和釋壓三個工藝階段均在同一反應(yīng)罐內(nèi)進行反應(yīng)；釋壓階段排放出的尾氣中會帶有少許泥漿，從而導(dǎo)致管路堵塞。若要實現(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)沼氣等情況進行了系統(tǒng)研究，以期為剩余污泥深度脫水提供理論和實踐參考。
二、試驗系統(tǒng)及方法
1.系統(tǒng)工藝介紹
剩余污泥熱水解強化脫水中試系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，設(shè)計處理規(guī)模為10tAi。系統(tǒng)熱源采用電熱蒸汽鍋爐(型號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串聯(lián)鋼管。蒸汽與污泥在多級串聯(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。多級串聯(lián)鋼管總有效長度約為100m，污泥與蒸汽的混合物在鋼管內(nèi)停留一定時間后，即可完成熱水解過程。隨后，污泥經(jīng)過減壓裝置和計量裝置進入儲泥管暫存。待污泥充分降溫后，進行機械壓濾脫水。
2.系統(tǒng)運行參數(shù)
污泥連續(xù)穩(wěn)定熱水解中試系統(tǒng)運行參數(shù)如表1所示。
3.污泥熱水解后厭氧產(chǎn)氣性能試驗
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)進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗。物料配比如表2所示。
4.污泥理化性質(zhì)測試
熱水解后污泥采用機械壓榨脫水，獲得污泥餅和濾液。污泥的含水率、有機質(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方法》(CJAT221-2005)中的相應(yīng)方法進行測試，污泥比阻采用布氏漏斗法測定;濾液中COD采用重鉻酸鉀法測定，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定，pH采用PH計測定。
三、結(jié)果與討論
1.污泥脫水性能
中試系統(tǒng)連續(xù)運行試驗性能穩(wěn)定，效果佳，未出現(xiàn)管道堵塞結(jié)焦等問題，能夠滿足長期運行要求。試驗過程中，對熱水解處理前后的污泥脫水性能進行分析，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)是反映污泥過濾性能的綜合指標(biāo)，SRF值越大，則污泥越難過濾，其脫水性能也越差。一般認(rèn)為，進行機械脫水的污泥，比阻值大于9.81x1012m/kg時為不易脫水污泥，比阻值在(3.93~5.53)x1012m/kg時為脫水性能中等的污泥，比阻小于3.93x1012m/kg時為容易脫水污泥。進行機械脫水的污泥比阻小于4X1012m/kg時較為經(jīng)濟。初始污泥呈固狀，經(jīng)一定調(diào)理后，才可采用板框壓濾機脫水。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.污泥有機質(zhì)含量
污泥熱水解過程包括固體物質(zhì)溶解液化和有機物水解兩個過程。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物會顯著增加，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程，進而就地解決部分能源消耗問題。因此，有必要對水解后污泥的厭氧產(chǎn)氣特性進行試驗研究。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。對厭氧過程中沼氣成分進行分析發(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，還可以進一步降低能耗。
5.經(jīng)濟效益分析
⑴污水廠污泥現(xiàn)有處理成本
試驗開展地的湖州某污水處理廠，其剩余污泥脫水后外運委托第三方進行處置，按230元/t(含水率80%)付費，則每噸干泥的費用為1150元/t。此外，基于現(xiàn)有的污泥外運裝車重量、運距及油耗情況，每噸干泥的運費為18元/t。每噸干泥處置總成本(支付給第三方費用及運費之和)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%)的付費情況，則每噸干泥的費用為384元/噸;
基于現(xiàn)有的污泥裝車重量、運距及油耗情況，則每噸干泥的運費為6.1元/t;
本中試試驗，未對余熱進行回收，噸泥(含水率80%)電耗為204kwh/t,電單價按0.75元/kwh計，則每噸干泥的電費約765元。若采用余熱回收裝置(圖3),系統(tǒng)能耗可降低約27%,則每噸干泥的電費約558元。此外，板框二次壓濾，每噸干泥按40千瓦時計算，則需電費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)，可用于污泥的強化脫水處理。該系統(tǒng)可實現(xiàn)污泥連續(xù)熱水解，運行穩(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程部分能源消耗問題。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，實現(xiàn)污泥綜合利用，則處置費用還可進一步降低;
(4)后續(xù)還需重點研發(fā)中試系統(tǒng)中減壓裝置閥門組件的防磨損問題，同時拓寬系統(tǒng)熱源供給模式，完善污泥處理處置技術(shù)路線，提高污泥的利用價值，探尋工業(yè)化應(yīng)用的實現(xiàn)途徑。( >
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