水處理倒逼污泥處理提速，未來污泥處理的主流技術(shù)是什么？

2022-08-13 17:25:07 0 雙良環(huán)境

　　目前全國污泥處理處置規(guī)模巨大，但安全處置率低。對(duì)我國的環(huán)境存在巨大的威脅。那么如何對(duì)污泥進(jìn)行處理和處置呢?

　　在說污泥處理處置技術(shù)之前，先來了解一下污泥處理和處置的含義：

　　污泥處理(sludge handling or sludge treatment)：污泥經(jīng)單元工藝組合處理, 達(dá)到“減量化、穩(wěn)定化、無害化”目的的全過程。

　　污泥處置(sludge disposal)：處理后的污泥,棄置于自然環(huán)境中(地面、地下、水中)或再利用, 能夠達(dá)到長期穩(wěn)定并對(duì)生態(tài)環(huán)境無不良影響的最終消納方式。

　　污泥基礎(chǔ)知識(shí)

　　1、類型

　　原污泥(rawsludge)：未經(jīng)污泥處理的初沉淀污泥。二沉剩余污泥或兩者的混合污泥。

　　初沉污泥(primarysludge)：從初沉淀池排出的沉淀物。

　　二沉污泥(secondeysludge)：從二次沉淀池(或沉淀區(qū))排出的沉淀物。

　　活性污泥(activatedsludge)：曝氣池中繁殖的含有各種好氧微生物群體的絮狀體。

　　消化污泥(digestedsludge)：經(jīng)過好氧消化或厭氧消化的污泥，所含有機(jī)物質(zhì)濃度有一定程度的降低，并趨于穩(wěn)定。

　　回流污泥(returnedsludge)：由二次沉淀(或沉淀區(qū))分離出來，回流到曝氣池的活性污泥。

　　剩余污泥(excessactivatedsludge)：活性污泥系統(tǒng)中從二次沉淀池(或沉淀區(qū))排出系統(tǒng)外的活性污泥。

　　污泥氣(sludgegas)：在污泥厭氧消化時(shí)，有機(jī)物分解所產(chǎn)生的氣體，主要成分為甲烷和二氧化碳，并有少量的氫、氮和硫化氫。俗稱沼氣。

　　2、污泥處理類型

　　污泥消化 (sludge digestion)：在氧或無氧的條件下，利用微生物的作用，使污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定物質(zhì)的過程。

　　好氧消化 (aerobic sigestion)：污泥經(jīng)過較長時(shí)間的曝氣，其中一部分有機(jī)物由好氧微生物進(jìn)行降解和穩(wěn)定的過程。厭氧消化(anaerobic digestion): 在無氧條件下，污泥中的有機(jī)物由厭氧微生物進(jìn)行降解和穩(wěn)定的過程。

　　中溫消化(mesophilic digestion)：污泥在溫度為33-53℃時(shí)進(jìn)行的厭氧消化工藝。

　　高溫消化(thermophilic digestion)：污泥在溫度為53-330℃進(jìn)行的厭氧消化工藝。

　　污泥濃縮(sludge thickening): 采用重力或氣浮法降低污泥含水量，使污泥稠化的過程。

　　污泥淘洗(elutriation of sludge): 改善污泥脫水性能的一種污泥預(yù)處理方法。用清水或廢水淘洗污泥，降低消化污泥堿度，節(jié)省污泥處理投藥量，提高污泥過濾脫水效率。

　　污泥脫水(sludge dewatering): 對(duì)濃縮污泥進(jìn)一步去除一部分含水量的過程，一般指機(jī)械脫水。

　　污泥真空過濾(sludge vacuum filtration): 利用真空使過濾介質(zhì)一側(cè)減壓，造成介質(zhì)兩側(cè)壓差，將污泥水強(qiáng)制濾過介質(zhì)的污泥脫水方法。

　　污泥壓濾(sludge pressure filtration): 采用正壓過濾，使污泥水強(qiáng)制濾過介質(zhì)的污泥脫水方法。

　　污泥干化(sludge drying): 通過滲濾或蒸發(fā)等作用，從污泥中去除大部分含水量的過程，一般指采用污泥干化場(床)等自蒸發(fā)設(shè)施或采用蒸汽、煙氣、熱油等熱源的干化設(shè)施。

　　污泥焚燒(sludge incineration)：污泥處置的一種工藝。它利用焚燒爐將脫水污泥加溫干燥，再用高溫氧化污泥中的有機(jī)物，使污泥成為少量灰燼。

　　污泥分類

　　污泥處理新技術(shù)

　　1、沉淀污泥生物處理系統(tǒng)

　　該技術(shù)創(chuàng)新采用污泥洗滌工藝，首先洗出污泥中有機(jī)物質(zhì)，分離無機(jī)物質(zhì)污泥土，再將有機(jī)污泥濃縮進(jìn)行高溫厭氧消化處理。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　沉淀污泥經(jīng)過洗滌洗出污泥中一半固體無機(jī)污泥土，減少了一半生物處理量，節(jié)省工程投資和處理費(fèi)用;

　　單獨(dú)處理有機(jī)污泥，去除了無機(jī)污泥土在反應(yīng)器中的沉淀，減少了設(shè)備磨損和反應(yīng)器的維護(hù);

　　沉淀污泥經(jīng)過洗滌洗出污泥中大部分容易沉淀的重金屬和無機(jī)污泥土，提高了有機(jī)肥的品質(zhì);

　　洗滌出的污泥土還可生產(chǎn)路面彩磚、透水磚。

　　其他創(chuàng)新工藝：超高溫厭氧消化、多級(jí)厭氧消化、沼渣漂浮等，污泥生物處理速度提高了幾倍和沼氣產(chǎn)量提高20%以上。

　　目前國內(nèi)外現(xiàn)有污泥處理技術(shù)還沒有能夠達(dá)到免費(fèi)處理、處置污泥的水平。

　　2、石灰投加技術(shù)

　　脫水后的污泥進(jìn)入料斗，料斗中加入石灰和氨基璜酸，石灰投量為濕泥量的10%一15%，氨基璜酸的投量約為石灰投量的1%。由于氨基璜酸在反應(yīng)過程中產(chǎn)生氨氣，增強(qiáng)了整個(gè)工藝的殺菌效果，降低了反應(yīng)溫度。

　　污泥、生石灰和氨基璜酸在料斗中攪拌后，由雙螺旋進(jìn)料機(jī)推入柱塞泵進(jìn)料口，通過柱塞泵送入反應(yīng)器，在70℃下停留30 min，輸出的產(chǎn)品可達(dá)到美國EPA PART503 CLASS A標(biāo)準(zhǔn)。反應(yīng)后的污泥泵送至料倉，密封容器中產(chǎn)生的氣體經(jīng)洗滌塔處理后排放。

　　該工藝的特點(diǎn)：

　　pH>12，延續(xù)時(shí)間長，殺菌徹底;高pH使大部分金屬離子沉淀，降低了其可溶性和活躍程度;

　　污泥的含固率可提高至30%;去除了污泥中的臭氣，系統(tǒng)全密封，無環(huán)境污染;

　　系統(tǒng)全自動(dòng)，操作維護(hù)簡單：加入少量氨基璜酸，減少了石灰用量和反應(yīng)時(shí)間，降低了運(yùn)行成本。

　　3、污泥碳化技術(shù)

　　所謂污泥碳化，就是通過一定的手段，使污泥中的水分釋放出來，同時(shí)又最大限度地保留污泥中的碳值，使最終產(chǎn)物中的碳含量大幅提高的過程(Sludge Carbonization)在世界范圍內(nèi)，污泥碳化主要分為3種。

　　(1)高溫碳化

　　碳化時(shí)不加壓，溫度為649—982℃。先將污泥干化至含水率約30%，然后進(jìn)入碳化爐高溫碳化造粒。碳化顆粒可以作為低級(jí)燃料使用，其熱值約為8 360—12 540 kJ/kg(日本或美國)。

　　技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原、三菱重工、巴工業(yè)以及美國的IES等。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模地應(yīng)用，最大規(guī)模的為30刪濕污泥。

　　(2)中溫碳化

　　碳化時(shí)不加壓，溫度為426—537℃。先將污泥干化至含水率約90%，然后進(jìn)入碳化爐分解。工藝中產(chǎn)生油、反應(yīng)水(蒸汽冷凝水)、沼氣(未冷凝的空氣)和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳洲建設(shè)了1座100t/d的處理廠。

　　該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對(duì)污泥實(shí)行碳化，其經(jīng)濟(jì)效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。

　　(3)低溫碳化

　　碳化前無需干化，碳化時(shí)加壓至6~8 MPa，碳化溫度為315℃，碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率50%以下，經(jīng)干化造粒后可作為低級(jí)燃料使用，其熱值約為15 048～20 482 kJ/kg(美國)。

　　該技術(shù)通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機(jī)械方法即可將污泥中75%的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件14t。

　　污泥水解熱干化技術(shù)污泥水熱干化技術(shù)通過將污泥加熱，在一定溫度和壓力下使污泥中的粘性有機(jī)物水解，破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)改善脫水性能和厭氧消化性能。

　　隨水熱反應(yīng)溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的碰撞導(dǎo)致了膠體結(jié)構(gòu)的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。

　　經(jīng)過水熱處理的污泥在不添加絮凝劑的情況下機(jī)械脫水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏觀上表現(xiàn)為揮發(fā)性懸浮固體濃度減少和COD、BOD以及氨氮等濃度增加。

　　水熱干化技術(shù)采用漿化反應(yīng)器，通過閃蒸乏汽返混預(yù)熱漿化、蒸汽與機(jī)械協(xié)同攪拌，提高了系統(tǒng)的處理效率;在水熱反應(yīng)器中，采用蒸汽逆向流直接混合加熱的方式，強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱過程，可以避免局部過熱結(jié)焦碳化：在連續(xù)閃蒸反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的有效回收。

　　4、微生物水解干化蛋白提取

　　污泥微生物通過水解破壁處理后，其胞內(nèi)蛋白質(zhì)和水分得以釋放，再經(jīng)過固液分離后，可到含水率35-45%(減量70%以上)、有機(jī)物消減40-50%的污泥殘?jiān)涂少Y源化利用的含蛋白液體。目前天津裕川環(huán)境在該方面已取得一定成績。

　　圖：微生物蛋白提取流程圖

　　污泥經(jīng)水解處理后，其含蛋白液體經(jīng)濃縮后可作為蛋白發(fā)泡劑和有機(jī)肥等利用，污泥殘?jiān)捎米龈餐?、綠化土、土壤改良劑和建筑材料等。

　　圖：微生物蛋白提取后端處置路線

　　值得注意的是，蛋白質(zhì)提取工藝中保證了重金屬不會(huì)進(jìn)入蛋白質(zhì)，而蛋白可以用于工業(yè)制品，也可以進(jìn)入農(nóng)業(yè)，但這些也都要企業(yè)自身完成產(chǎn)業(yè)鏈整合的工作。目前裕川環(huán)境的污泥蛋白質(zhì)提取工藝已成功運(yùn)用，后期有望通過產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)間的有機(jī)協(xié)調(diào)，打通蛋白進(jìn)入農(nóng)業(yè)的后端產(chǎn)業(yè)鏈。

　　5、熱水解+厭氧消化

　　熱水解預(yù)處理技術(shù)是以含固率15%~20%的脫水污泥為對(duì)象進(jìn)行的厭氧消化技術(shù)。

　　具體而言，該工藝是通過高溫高壓熱水解預(yù)處理，以高含固的脫水污泥(含固率15%~20%)為對(duì)象的厭氧消化技術(shù)。

　　工藝采用高溫(155℃~170℃)、高壓(6bar)對(duì)污泥進(jìn)行熱水解與閃蒸處理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有機(jī)物發(fā)生水解、并破解污泥中微生物的細(xì)胞壁，強(qiáng)化物料的可生化性能，改善物料的流動(dòng)性，提高污泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機(jī)物降解率和產(chǎn)氣量。

　　同時(shí)能通過高溫高壓預(yù)處理，改善污泥的衛(wèi)生性能及沼渣的脫水性能、進(jìn)一步降低沼渣的含水率，有利于厭氧消化后沼渣的資源化利用。

　　此工藝已在歐洲國家得到規(guī)模化工程應(yīng)用。

　　與傳統(tǒng)消化相比，該工藝具備以下特色：

　　(1)有機(jī)物轉(zhuǎn)化率高

　　(2)無害化水平提高，完全殺滅病原菌，泥餅達(dá)到A級(jí);

　　(3)pH略高，可降低沼氣中的H2S和CO2濃度，使CH4含量提高;

　　(4)減少污泥體積，提高污泥穩(wěn)定性。

　　未來的主流技術(shù)

　　借鑒國際經(jīng)驗(yàn)，未來污泥處理處置的技術(shù)發(fā)展主要有四條路徑：

　　1、沼氣能源回收和土地利用為主的厭氧消化技術(shù)路線

　　厭氧反應(yīng)流程：

　　厭氧消化具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)提高后續(xù)處理的效率并減少后續(xù)處理能耗。通常認(rèn)為厭氧反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化。通過厭氧反應(yīng)，污泥中有機(jī)物去除40%-60%，有害病菌減少。此外，厭氧消化提高污泥脫水穩(wěn)定性，讓焚燒等后續(xù)處理減少35%以上的能耗。

　　(2)厭氧消化成本較低。根據(jù)《中國環(huán)境報(bào)》統(tǒng)計(jì)，單純厭氧消化投資成本約為20-40 萬元/(噸/日)，由于不用鼓風(fēng)曝氣等，節(jié)約了成本，單純厭氧消化運(yùn)行費(fèi)用約為60-120 元/噸(含水率80%，不包括濃縮和脫水)，而好氧發(fā)酵運(yùn)行費(fèi)用為120-160 元/噸。

　　歐美50%以上的污泥采用厭氧消化處理，產(chǎn)生的沼氣轉(zhuǎn)化為電能可滿足污水廠所需電力的33%～100%。

　　但污泥厭氧消化在我國應(yīng)用的并不順暢。我國建設(shè)的約50 座污泥厭氧消化設(shè)施中，可以穩(wěn)定運(yùn)營的只有20 余座。

　　主要原因是由我國污泥泥質(zhì)差、處理廠運(yùn)行管理水平低。我國污泥含砂量較高、有機(jī)物含量較低、污泥可生化性差，消化設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和產(chǎn)沼氣率等指標(biāo)普遍未達(dá)到國外標(biāo)準(zhǔn)。此外，我國缺乏沼氣利用的激勵(lì)機(jī)制，設(shè)備的投資費(fèi)用高，系統(tǒng)運(yùn)行較為復(fù)雜不易掌握。

　　不過采用堿解處理、熱處理、超聲波處理、微波處理等方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，可以提高污泥水解速率，改善污泥厭氧消化性能。并通過項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的積累，企業(yè)也逐步掌握了較為全面的操作技能。污泥厭氧消化技術(shù)會(huì)是未來的一個(gè)主流方向。

　　2、土地利用為主的好氧發(fā)酵技術(shù)路線

　　好氧堆肥是在有氧情況下，通過微生物的發(fā)酵作用，將污泥轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿系倪^程。其中有機(jī)物料代謝為二氧化碳、水和熱。

　　好氧堆肥的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　(1)發(fā)酵效率高，穩(wěn)定化時(shí)間相對(duì)短;

　　(2)臭味少，實(shí)現(xiàn)滅菌;

　　(3)含水率可降到40%;

　　(4)污泥成品主要用于修復(fù)鹽堿地、城市綠化、垃圾場覆蓋以及建筑等方面用土;

　　(5)并衍生出蚯蚓生物堆肥等來強(qiáng)化堆肥效果，比如興蓉環(huán)境和綠山的合作。

　　堆肥的難點(diǎn)主要包括：

　　(1)能量凈支出，通風(fēng)能耗費(fèi)用占比80%;

　　(2)需對(duì)好氧堆肥運(yùn)行的不同階段的合理通風(fēng)量加強(qiáng)研究;

　　(3)缺少C/N 等控制因素的理論研究，致使存在調(diào)理添加劑使用過多的情況。

　　污泥經(jīng)發(fā)酵后轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，可限制性農(nóng)用、園林綠化或改良土壤，從而實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素的高效利用，設(shè)備投資少、運(yùn)行管理方便。

　　但占地面積大、發(fā)酵產(chǎn)品存在重金屬污染等缺點(diǎn)使得好氧發(fā)酵技術(shù)在我國較難發(fā)展。

　　目前污泥好氧發(fā)酵工程可采用高效、快速、穩(wěn)定、集約化的設(shè)計(jì)、運(yùn)營模式，可實(shí)現(xiàn)占地面積的大幅縮小;此外，研究表明我國城市生活污泥的重金屬超標(biāo)比例約5%，污染風(fēng)險(xiǎn)較小，不應(yīng)該成為限制污泥發(fā)酵產(chǎn)品土地利用的主要障礙。

　　因此，在《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處理技術(shù)指南(試行)》中，“好氧發(fā)酵+土地利用”也被列為推薦技術(shù)路線。該技術(shù)在相對(duì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)用前景較大。

　　3、污泥干化-焚燒技術(shù)路線

　　長期以來，國人對(duì)污泥干化焚燒工藝存在誤讀，普遍認(rèn)為它是一種高能耗工藝和高碳排放工藝。實(shí)際上，國際上污泥焚燒能量可以達(dá)到自給，不同工藝能耗來看，焚燒工藝(～100kW/t)與堆肥工藝(>100kW/t)相當(dāng)。

　　焚燒實(shí)現(xiàn)徹底處理和處置，而堆肥后續(xù)需要考慮儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)饶芎?。而且，污泥中的有機(jī)質(zhì)焚燒是碳中性的。此外，人們還誤認(rèn)為污泥焚燒特性與垃圾相同是二噁英排放源。

　　干化焚燒工藝的設(shè)備投資較大，焚燒產(chǎn)生的煙氣污染嚴(yán)重，還需建立完善的煙氣處理系統(tǒng)，這也加大了污泥的處理費(fèi)用。因此干化焚燒工藝一般適用于用地緊張且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。

　　隨著對(duì)碳減排和污泥生物質(zhì)資源認(rèn)識(shí)的不斷加深，干化焚燒工藝在國外的應(yīng)用范圍開始減少。然而現(xiàn)階段，在我國污泥厭氧消化和好氧發(fā)酵技術(shù)還未成熟的情況下，污泥干化焚燒在一定時(shí)期內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)增長的態(tài)勢，尤其是工業(yè)窯爐協(xié)同焚燒的方式。

　　4、建材利用為主的污泥高干脫水處理技術(shù)路線

　　大家對(duì)污泥高干脫水技術(shù)的普遍認(rèn)知還停留在投加大量化學(xué)藥劑，導(dǎo)致減容不減量;且藥劑對(duì)后續(xù)污泥焚燒、土地利用、建材利用等產(chǎn)物影響;是臨時(shí)性、應(yīng)急污泥處理處置技術(shù)路線等。

　　目前采用的高干脫水工藝，投加大量藥劑未達(dá)到減量效果，且未與后續(xù)處置相結(jié)合，將阻礙污泥處理技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)致劣幣驅(qū)除良幣的現(xiàn)象。

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