熱水解強化剩余污泥脫水性能

　　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)。預計2020年污泥的年生產(chǎn)量可達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?題之一。

　　熱水解是污泥預處理處理技術之一，該技術利用在一定壓力、高溫下，對微生物細胞壁改性可提高剩余污泥脫水性能，同時細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)上應用的污泥熱水解技術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罐內進行反應；釋壓階段排放出的尾氣中會帶有少許泥漿，從而導致管路堵塞。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、有機質含量、pH等指標參照行業(yè)標準《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJAT221-2005)中的相應方法進行測試，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的分解或溶解導致含固率的下降。

　　污泥比阻(SRF)是反映污泥過濾性能的綜合指標，SRF值越大，則污泥越難過濾，其脫水性能也越差。一般認為，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.污泥有機質含量

　　污泥熱水解過程包括固體物質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濃度大幅提高。由表4可知，熱水解后，污泥有機質含量由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)采用熱水解預處理后污泥處置成本

　　采用熱水解預處理后，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;

　　若增設余熱回收裝置，則采用熱水解預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，無需藥劑調理，經(jīng)板框脫水后，含水率降至40.9%;

　　(2)經(jīng)熱水解反應后，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)若增設余熱回收裝置，采用熱水解預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路線，提高污泥的利用價值，探尋工業(yè)化應用的實現(xiàn)途徑。(來源：彭如初 王志剛 孟云芳 曹黎 鐘軍良 龐穎鋼 張光學)