王之敏
(北京排水集团有限责任公司,北京 100029)
目前大部分污水处理厂的污水处理工艺为A2O活性污泥法,此种工艺会产生大量初沉污泥与剩余污泥,其主要成分有糖类、脂肪、蛋白质[1]。污水处理厂的污泥处理模式多为浓缩、脱水、外运,污泥处理量大且成本高[2]。污泥中含有未降解的有机物、氮、磷等污染物质,也含有病菌、病毒和寄生虫卵、重金属等,处理处置不当会给水体、土壤和大气带来二次污染,对生态环境安全构成威胁[3]。
热水解(THP)+高级厌氧消化技术是一种实现污泥处置“减量化、稳定化、无害化、资源化”的有效途径之一,目前已实现了工业化应用。污泥经THP处理后可大幅缩短厌氧消化的污泥停留时间[4],并使有机物降解率、沼气产量提升[5]。此外,THP能杀灭污泥中的病菌,实现污泥的安全处理处置[6]118。基于此,本研究以北京市某污水处理厂的THP+高级厌氧消化系统为研究对象,对系统启动方案及稳定运行后的能效情况进行分析,可为污水处理厂新建污泥处理项目提供参考数据。
1.1 原污泥处理工艺流程
该污水处理厂原污泥处理工艺流程见图1。污水处理厂水区二沉池的剩余污泥排入泥区生物储泥池(污泥含水率99.34%)缓存,日均排放量为4 879.0 m3,经浓缩脱水后污泥含水率降至95%～97%,然后通过螺杆泵送入混合储泥池,与经过旋流除砂的初沉污泥混合,此时混合污泥含水率在95%～97%,再利用脱水机预脱水,将污泥含水率降至80%左右,最后利用柱塞泵将含水率为80%的泥饼送入污泥料仓(有效容积约300 m3)中集中外运,泥饼日产量约为230 t。
图1 污水处理厂原污泥处理工艺流程Fig.1 Original process flow chart of mud treatment technology of the sewage treatment plant
1.2 新污泥处理工艺流程
图2为污水处理厂加装THP+高级厌氧消化系统后的新污泥处理工艺流程。在原有污泥处理工艺的基础上,污泥料仓中的脱水泥饼通过料仓螺杆泵进入THP系统,经THP处理后的出泥通过热交换系统进行降温并稀释至含水率约92%,然后进入高级厌氧消化系统进行厌氧消化,消化后的污泥经板框压滤脱水机脱水后破碎外运,污泥滤液进入水区格栅间。高级厌氧消化系统产生的沼气进入沼气气柜,经过脱硫处理后为沼气锅炉提供燃料产生蒸汽,产生的蒸汽用于THP系统,多余沼气在脱硫后送入废气燃烧器燃烧,或在冬季通过沼气锅炉燃烧为厂区暖气管线供暖。新增的THP+高级厌氧消化系统污泥日均处理能力54.3 t/d(以绝干泥(DS)处理量计,下同),峰值处理能力可达78.0 t/d,经板框压滤脱水机脱水处理后,污水处理厂污泥含水率降至60%,外运量降至92 t。
2.1 THP系统
THP系统设置1座浆化罐(有效容积46.4 m3),4座反应罐(单罐有效容积13.5 m3),1座闪蒸罐(有效容积64.0 m3)。
THP系统通过控制压力和温度实现污泥的分步加热和冷却,整个过程包含5个主要步骤：(1)料仓污泥输送到浆化罐。料仓中的泥饼经由螺杆泵持续注入浆化罐,利用污泥循环管线和稀释水管线进行调质使污泥含水率控制在83%～87%,并分批向反应罐输送,每批送泥量约8 m3(折合DS约为1.2 t)。(2)浆化罐加热。向浆化罐中注入来自于反应罐和闪蒸罐的回流蒸汽对污泥进行预热。(3)反应罐中THP处理。预热后的污泥被分批注入反应罐,并注入锅炉蒸汽进行THP处理。反应罐压力控制在0.6 MPa左右,温度在165 ℃左右,保压时间30 min。保压期间严格控制保压温度,避免超过170 ℃使污泥发生美德拉反应[6]117。(4)闪蒸罐降压。打开反应罐回流蒸汽阀使反应罐压力降至0.28 MPa,关闭反应罐回流蒸汽阀并打开出泥阀,控制闪蒸罐压力在0.01 MPa以下,使污泥通过压力差由反应罐流入闪蒸罐,控制闪蒸罐温度在107 ℃左右。(5)污泥的输送。闪蒸罐中的污泥通过螺杆泵送入热交换系统进行降温、调质与投药。
2.2 热交换系统
热交换系统设置管式换热器1台(设计进口温度80～90 ℃,设计出口温度50～55 ℃),换热器污泥循环泵1台(功率18.5 kW,转速1 425 r/min),铁盐加药罐1座(有效容积25.0 m3),铁盐加药泵3台(最大流量130 L/h,最大扬程100 m,1用2备),消化池进泥泵2台(功率22 kW,转速1 475 r/min,1用1备),稀释水泵2台(流量20 m3/h,扬程68 m,1用1备),稀释水罐1座(有效容积30.0 m3)。
图2 污水处理厂新污泥处理工艺流程Fig.2 New process flow chart of mud treatment technology of the sewage treatment plant
热交换系统的主要作用有3点：一是利用管式换热器与污泥循环泵将THP系统的出泥温度降至50～55 ℃;二是利用稀释水泵将污泥含水率提升至90%～93%,以控制消化池中的游离氨浓度;三是利用铁盐加药泵投加铁盐(氯化铁)以提升消化系统的沼气产量[7]126。
2.3 高级厌氧消化系统
高级厌氧消化系统设置消化池2座(单池有效容积11 450.0 m3),池体最大内径27.7 m,最大水深19.0 m,消化池采用底部进泥顶部溢流排泥方式,每池内设立轴式桨叶搅拌器1台(转速17 r/min),管式换热器1台,消化池池温控制在(41.0±0.5) ℃。此外,设置污泥循环泵2台(功率18.5 kW,转速1 425 r/min,1用1备)。
2.4 锅炉系统
锅炉系统设置沼气锅炉2座(单炉热负荷4.2 MW,蒸发量6 t/h,1用1备),软化水制备器2座(单座树脂容量875 kg,1用1备),双纹管换热器2座(换热量1.97 MW,1用1备)。
沼气锅炉控制蒸汽压力为1.15 MPa,为THP系统提供蒸汽,冬季运行时可利用双纹管换热器为污水处理厂区供暖,供热面积1.6万m2,总供热负荷2 812 kW。
2.5 其 他
设置沼气气柜3座,单座最大容积5 000.0 m3,直径19.7 m,高度17.1 m。每个沼气气柜配备2台气柜风机(最大流量858 m3/h,最大压力30 kPa,1用1备),沼气气柜内压力控制为600 Pa。设置废气燃烧器2台,每台废气燃烧器最大沼气燃烧量为500 m3/h。设置脱硫塔4座(单塔脱硫剂填装量4 t,2用2备),脱硫塔内部填充氧化铁脱除沼气中的硫化氢。沼气管线上设置11座冷凝水收集器,用来收集与排出沼气中的冷凝水。
3.1 污泥接种
高级厌氧消化系统污泥接种时,先启动第一座消化池(以下简称1#消化池),再利用两座消化池间连接的底部排泥环管为第二座消化池(以下简称2#消化池)接种。消化污泥具体接种步骤为：(1)对1#消化池及全厂沼气管线进行氮气置换,将管线内氧气体积分数降至3%以下,以防止接种及消化池负荷提升过程中甲烷含量提升至爆炸浓度而带来的安全隐患。(2)向1#消化池注入约3 000 m3再生水,并通过消化池自带的板式换热器与厂区内的暖气管线相连,将消化池罐体内的温度控制在40.5～41.5 ℃,为接种污泥创造适宜的温度环境。(3)利用消化池的浮渣井及浮渣管线为消化池注入接种污泥,接种污泥为其他污水处理厂的消化池污泥,共计接种量为5 012.9 m3。(4)1#消化池接种完毕后,逐步提升处理负荷至溢流,利用两座消化池之间连接的底部排泥环管为2#消化池接种,待两座消化池液位持平后关闭排泥环管阀门,两座消化池接种完毕。
3.2 高级厌氧消化系统负荷提升
1#消化池接种完毕后,分批向消化池输送热解污泥开始启动,逐步提升消化池处理负荷直至消化池溢流，此时启动过程完毕。在消化池接种完毕的第1天,输送4批次热解污泥,第2天输送8批次热解污泥,此后按消化池内酸碱比确定处理批次数。根据接种污泥来源的消化系统运行数据,当酸碱比大于0.16时,该污水处理厂消化系统会出现产气量大幅降低、沼气中甲烷含量下降二氧化碳含量上升等现象,预示消化池已发生酸化。因此,本研究将酸碱比0.16作为调控THP系统当天处理批次数的控制变量,以杜绝消化池的酸化。具体调控方法如下：当消化池酸碱比<0.16,则每1～2天为消化池增加1～3批次热解污泥;当消化池酸碱比≥0.16时,则维持前一天的热解污泥处理批次;当消化池酸碱比持续上升,并大于0.16维持2 d以上时,则当天的热解污泥处理批次数为前一天的处理批次数减2。
1#消化池启动过程中的固体负荷、酸碱比与pH日变化见表1。由表1可见,第1～4天,消化池pH迅速从7.52降至7.23,消化池内酸碱比从第5天的0.07上升至第8天的0.12,这是由于在提升负荷初期,热解污泥使消化池中的产酸菌开始代谢,产酸过程得以进行,导致池内pH的降低和酸碱比的上升。然而随着处理负荷逐步提升,产甲烷菌的活性也逐步恢复,开始以产酸过程的产物——挥发性脂肪酸(VFA)为底物进行产甲烷过程的代谢,从而防止了pH的进一步降低和酸碱比的进一步提升。消化池从第1天开始提升负荷至第16天溢流,固体负荷由最初的5.65 t提升至33.60 t,消化池未出现明显的酸化现象。
2#消化池接种完毕后,THP系统的出泥平均分配给1#、2#消化池直至两座消化池均达到溢流。在此过程中,1#、2#消化池酸碱比及消化系统总固体负荷的日变化见图3。在固体负荷提升过程中,消化系统热解污泥处理的批次数波动较大,这是由于此时消化系统污泥处理能力已大于水区污泥排放量,因此污泥处理批次随水区污泥产量波动变化,两座消化池的酸碱比一直维持在0.16以下,这侧面说明消化污泥已适应本厂的热解污泥泥质,两座消化池的抗冲击负荷能力大幅上升。
表1 1#消化池启动过程中固体负荷、酸碱比与pH的日变化Table 1 Daily variation of solid load, acid-base ratio and pH of 1# digestion tank
图3 1#、2#消化池酸碱比及总固体负荷日变化Fig.3 Daily variation of acid-base ratio and total solid load of 1# and 2# digestion tanks
3.3 沼气管线并网
1#消化池提升负荷的初期,由于固体负荷较低,且消化池中充斥大量氮气,导致其产出的沼气中甲烷含量不能满足锅炉系统的最低要求(体积分数>58%),需要将这部分沼气通过消化池顶部的放散阀放散至大气中,并使用天然气为锅炉系统提供燃料产生蒸汽,消化系统负荷提升的过程中共计使用天然气81 700.0 m3。1#消化池启动第5天,消化池沼气体积分数达到58.1%,此时关闭放散阀,将沼气并入厂区沼气管线中,逐步用沼气替代天然气。1#消化池实现溢流后,厂区已实现燃气自给,并有少量沼气剩余,剩余沼气先储存于沼气气柜中,后利用废气燃烧器将其燃烧。
4.1 THP运行效果
4.1.1 THP出泥的扫描电镜(SEM)分析
一般认为,生物膜和细胞壁阻碍了胞外酶和水解酶与颗粒有机物的接触,致使污泥中复杂有机物水解效率低下[8],使水解过程成为污泥厌氧消化的限速步骤[9]。THP系统能够利用高温高压的环境破坏污泥的絮体结构、释放胞内和胞外有机质,提高消化系统的水解速率。
从污泥SEM图像(见图4)可知,原污泥结构相对光滑、完整,菌胶团的结构未发生明显破坏,经THP系统处理后,污泥絮体及细胞壁的表观形态发生了明显变化,菌胶团结构解体、细胞变得干瘪,与先前的研究结论一致[10],说明THP系统能破坏细胞壁,有助于胞内有机物释放,使后续污泥的厌氧消化及脱水更容易进行。
图4 污泥样品SEM图像Fig.4 SEM images of mud samples
4.1.2 THP出泥的卫生学指标
污水处理厂THP系统反应罐温度控制在165 ℃,属于高温THP[11],高温高压的环境有助于杀死污泥中的病原体,以实现污泥的安全处置[6]117。对THP系统出泥中的蛔虫卵数、大肠杆菌数和细菌总数进行检测,结果见表2。可以看出,经THP系统处理后,污泥中蛔虫卵与大肠杆菌均未检出,细菌总数<10个/mL,说明THP系统能有效杀灭污泥中的病菌。
表2 THP系统出泥的各项卫生学指标Table 2 Hygienic indicators of mud after treated by THP system
4.2 高级厌氧消化系统运行效果
4.2.1 有机物降解率与沼气产气量
记录高级厌氧消化系统实现溢流并稳定运行30 d期间的有机物降解率和沼气产气量(以单位质量DS的产气体积计),结果见图5。由图5可知,经高级厌氧消化系统处理后,污泥中有机物降解率在42%～56%波动,平均值为50.01%;平均沼气产气量为327.15 m3/t。
图5 高级厌氧消化系统有机物降解率、沼气产气量Fig.5 Organic matter degradation rate and gas production of advanced anaerobic digestion system
4.2.2 沼气组分
经检测,高级厌氧消化系统稳定运行后,所产沼气中甲烷体积分数为62.0%、二氧化碳体积分数为34.0%、氧气体积分数为0.4%、其他气体体积分数为3.6%,甲烷含量满足锅炉系统的要求。可见,在两座消化池稳定运行后，产生的沼气能够供给锅炉燃烧，为THP系统提供蒸汽。
沼气中其他气体主要由水蒸气与氮气组成,沼气中水蒸气含量很低,这是由于污水处理厂沼气管线上共设置了11座冷凝水收集器,使得水蒸气无法在沼气管线中大量存在。
5.1 沼气产销关系
THP+高级厌氧消化系统调试完毕后,对稳定运行30 d的平均数据进行计算,THP系统处理1 t DS所需沼气量为198.88 m3,高级厌氧消化系统处理1 t DS产生沼气量为327.15 m3,目前污水处理厂日均DS处理量约为40 t,则每天可产沼气余量为5 130 m3,非冬季运行时,剩余沼气脱硫处理后送入废气燃烧器燃烧,冬季运行时,多余沼气通过沼气锅炉燃烧为厂区供暖,无需外接天然气为厂区供暖。
鉴于系统沼气产量远大于消耗量,建议污水处理厂在后期建设中加装沼气发电系统,将多余的沼气进行热电联产,充分利用剩余沼气。
5.2 水 耗
THP+高级厌氧消化系统稳定运行后,污泥处理所耗的水量合计33.04 m3/t(以单位质量DS处理的水耗计,下同),其中浆化罐稀释水用量为0.96 m3/t,闪蒸罐稀释水用量为3.60 m3/t,一级热交换间用水量为18.58 m3/t,二级热交换间用水量为8.70 m3/t,锅炉系统用水量为1.20 m3/t。除了锅炉系统用水为自来水外,其他用水均为厂区再生水。
5.3 电 耗
THP+高级厌氧消化系统稳定运行后,料仓、THP一级热交换间、高级厌氧消化系统及锅炉系统处理1 t DS的电耗为129.35 kW·h,其中料仓、热水解及一级热交换间系统电耗为49.71 kW·h,消化池及锅炉系统电耗为79.64 kW·h。
5.4 药 耗
5.4.1 脱硫药剂消耗
高级厌氧消化系统产生的沼气中含有硫化氢,直接通入锅炉系统燃烧不仅会导致锅炉烟气排放二氧化硫超标,还会对锅炉及管道系统造成腐蚀。因此,污水处理厂在将沼气通入锅炉前需进行干式脱硫,将沼气中硫化氢体积分数降至50×10-6以下,干式脱硫法主要运用脱硫塔中的脱硫药剂(氧化铁)对硫化氢进行去除。
根据目前运行数据计算,污水处理厂处理1 t DS消耗的脱硫药剂量为12.31 kg。
5.4.2 铁盐消耗
污水处理厂以铁盐为固定剂抑制硫化氢释放以减轻对高级厌氧消化系统产甲烷菌的毒害[7]124,铁盐可以通过生物和化学两方面作用控制溶解性硫化物产生,首先Fe3+通过异化还原过程将有机物氧化降解,同时生成Fe2+,Fe2+可与S2-反应形成FeS沉淀,最终实现去除有机物并控制硫化氢释放的双重作用[12]。同时铁盐的投加还可以起到回收污泥中磷酸盐的作用[13]以抑制管式换热器中鸟粪石结晶的形成。参考以往研究结果,单位质量DS的铁盐投配率为8.95 kg/t(以Fe投加量计)[14]。
(1) 污水处理厂新投入的THP+高级厌氧消化系统稳定运行后,污泥外运量由原来的230 t(含水率80%)降至92 t(含水率60%),处理1 t DS共计消耗水量33.04 t、消耗电量129.35 kW·h、产生沼气量327.15 m3,高级厌氧消化系统的平均有机物降解率达到50.01%,产生的沼气中甲烷体积分数为62.0%,可满足锅炉系统燃气需求。
(2) THP系统的高温高压环境可有效杀灭污泥的病原体,污泥厌氧消化产生沼气可满足锅炉燃气自给率100%,剩余沼气可在冬季为厂区供热,有效实现了污泥的减量化、无害化、资源化利用。
(3) 目前剩余沼气的处理方式为火炬燃烧,建议后期再加装沼气发电或污泥干化系统以充分利用剩余沼气。
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