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        污泥處理處置市場不斷擴大 什么才是主流技術?

        作者:  來源:  發布時間:2021-05-17  瀏覽量:1428

        Tips:

        目前全國污泥處理處置規模巨大,但安全處置率低。對我國的環境存在巨大的威脅。那么如何對污泥進行處理處置呢?未來的技術發展有4條路徑。

        在說污泥處理處置技術之前,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):污泥經單元工藝組合處理, 達到“減量化、穩定化、無害化”目的的全過程。

        • 污泥處置(sludge disposal):處理后的污泥,棄置于自然環境中(地面、地下、水中)或再利用, 能夠達到長期穩定并對生態環境無不良影響的最終消納方式。


        一、污泥基礎知識

              1、類型
        原污泥(rawsludge):未經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)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):經過好氧消化或厭氧消化的污泥,所含有機物質濃度有一定程度的降低,并趨于穩定。

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

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

        污泥氣(sludgegas):在污泥厭氧消化時,有機物分解所產生的氣體,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,使污泥中的有機物轉化為較穩定物質的過程。

        好氧消化(aerobic sigestion):污泥經過較長時間的曝氣,其中一部分有機物由好氧微生物進行降解和穩定的過程。

        厭氧消化(anaerobic digestion):在無氧條件下,污泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩定的過程。

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

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

        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處理方法。用清水或廢水淘洗污泥,降低消化污泥堿度,節省污泥處理投藥量,提高污泥過濾脫水效率。


        污泥脫水(sludge dewatering):對濃縮污泥進一步去除一部分含水量的過程,一般指機械脫水。

        污泥真空過濾(sludge vacuum filtration):利用真空使過濾介質一側減壓,造成介質兩側壓差,將污泥水強制濾過介質的污泥脫水方法。

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

        污泥干化(sludge drying):通過滲濾或蒸發等作用,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)等自蒸發設施或采用蒸汽、煙氣、熱油等熱源的干化設施。

        污泥焚燒(sludge incineration):污泥處置的一種工藝。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物,使污泥成為少量灰燼。


        二、污泥處理新技術

               1、沉淀污泥生物處理系統
        該技術創新采用污泥洗滌工藝,首先洗出污泥中有機物質,分離無機物質污泥土,再將有機污泥濃縮進行高溫厭氧消化處理。
        優點:
        沉淀污泥經過洗滌洗出污泥中一半固體無機污泥土,減少了一半生物處理量,節省工程投資和處理費用;單獨處理有機污泥,去除了無機污泥土在反應器中的沉淀,減少了設備磨損和反應器的維護;沉淀污泥經過洗滌洗出污泥中大部分容易沉淀的重金屬和無機污泥土,提高了有機肥的品質;洗滌出的污泥土還可生產路面彩磚、透水磚。其他創新工藝:超高溫厭氧消化、多級厭氧消化、沼渣漂浮等,污泥生物處理速度提高了幾倍和沼氣產量提高20%以上。
        目前國內外現有污泥處理技術還沒有能夠達到免費處理、處置污泥的水平。

              2、石灰投加技術
        脫水后的污泥進入料斗,料斗中加入石灰和氨基璜酸,石灰投量為濕泥量的10%~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過程中產生氨氣,增強了整個工藝的殺菌效果,降低了反應溫度。

        污泥、生石灰和氨基璜酸在料斗中攪拌后,由雙螺旋進料機推入柱塞泵進料口,通過柱塞泵送入反應器,在70℃下停留30 min,輸出的產品可達到美國EPA PART503 CLASS A標準。反應后的污泥泵送至料倉,密封容器中產生的氣體經洗滌塔處理后排放。

        該工藝的特點:
        pH>12,延續時間長,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,系統全密封,無環境污染;系統全自動,操作維護簡單:加入少量氨基璜酸,減少了石灰用量和反應時間,降低了運行成本。


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


        (1)高溫碳化
        碳化時不加壓,溫度為649~982℃。先將污泥干化至含水率約30%,然后進入碳化爐高溫碳化造粒。碳化顆??梢宰鳛榈图壢剂鲜褂?,其熱值約為8360~12540 kJ/kg(日本或美國)。

        技術上較為成熟的公司包括日本的荏原、三菱重工、巴工業以及美國的IES等。該技術可以實現污泥的減量化和資源化,但由于其技術復雜,運行成本高,產品中的熱值含量低,目前尚未有大規模地應用。

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

        該技術可以實現污泥的減量化和資源化,但由于污泥最終的產物過于多樣化,利用十分困難。另外,該技術是在干化后對污泥實行碳化,其經濟效益不明顯,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,碳化時加壓至6~8 MPa,碳化溫度為315℃,碳化后的污泥成液態,脫水后的含水率50%以下,經干化造粒后可作為低級燃料使用,其熱值約為15 048~20482 kJ/kg(美國)。

        該技術通過加溫加壓使得污泥中的生物質全部裂解,僅通過機械方法即可將污泥中75%的水分脫除,極大地節省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩定。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造了條件。

              4、污泥水解熱干化技術

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

        隨水熱反應溫度和壓力的增加,顆粒碰撞增大,顆粒間的碰撞導致了膠體結構的破壞,使束縛水和固體顆粒分離。

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

        水熱干化技術采用漿化反應器,通過閃蒸乏汽返混預熱漿化、蒸汽與機械協同攪拌,提高了系統的處理效率;在水熱反應器中,采用蒸汽逆向流直接混合加熱的方式,強化了傳質傳熱過程,可以避免局部過熱結焦碳化:在連續閃蒸反應器中,實現了系統能量的有效回收。

              5、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,其胞內蛋白質和水分得以釋放,再經過固液分離后,可到含水率35%~45%(減量70%以上)、有機物消減40%~50%的污泥殘渣和可資源化利用的含蛋白液體。目前天津裕川環境在該方面已取得一定成績。

        污泥經水解處理后,其含蛋白液體經濃縮后可作為蛋白發泡劑和有機肥等利用,污泥殘渣可用做覆土、綠化土、土壤改良劑和建筑材料等。

        值得注意的是,蛋白質提取工藝中保證了重金屬不會進入蛋白質,而蛋白可以用于工業制品,也可以進入農業,但這些也都要企業自身完成產業鏈整合的工作。目前裕川環境的污泥蛋白質提取工藝已成功運用,后期有望通過產業鏈上企業間的有機協調,打通蛋白進入農業的后端產業鏈。

              6、熱水解+厭氧消化
        熱水解預處理技術是以含固率15%~20%的脫水污泥為對象進行的厭氧消化技術。

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

        工藝采用高溫(155~170℃)、高壓(6bar)對污泥進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物發生水解、并破解污泥中微生物的細胞壁,強化物料的可生化性能,改善物料的流動性,提高污泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機物降解率和產氣量。

        同時能通過高溫高壓預處理,改善污泥的衛生性能及沼渣的脫水性能、進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?;こ虘?。
        與傳統消化相比,該工藝具備以下特色:
        (1)有機物轉化率高;
        (2)無害化水平提高,完全殺滅病原菌,泥餅達到A級;
        (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,提高污泥穩定性。


        三、未來的主流技術

        借鑒國際經驗,未來污泥處理處置的技術發展主要有四條路徑:

        1、沼氣能源回收和土地利用為主的厭氧消化技術路線
        厭氧消化具有以下優點
        1)提高后續處理的效率并減少后續處理能耗。通常認為厭氧反應可以實現污泥減量化、穩定化。通過厭氧反應,污泥中有機物去除40%~60%,有害病菌減少。此外,厭氧消化提高污泥脫水穩定性,讓焚燒等后續處理減少35%以上的能耗。

        2)厭氧消化成本較低。根據《中國環境報》統計,單純厭氧消化投資成本約為20~40 萬元/(噸/日),由于不用鼓風曝氣等,節約了成本,單純厭氧消化運行費用約為60~120 元/噸(含水率80%,不包括濃縮和脫水),而好氧發酵運行費用為120~160 元/噸。

        歐美50%以上的污泥采用厭氧消化處理,產生的沼氣轉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用的并不順暢。我國建設的約50 座污泥厭氧消化設施中,可以穩定運營的只有20 余座。主要原因是由我國污泥泥質差、處理廠運行管理水平低。我國污泥含砂量較高、有機物含量較低、污泥可生化性差,消化設備運行的穩定性和產沼氣率等指標普遍未達到國外標準。此外,我國缺乏沼氣利用的激勵機制,設備的投資費用高,系統運行較為復雜不易掌握。

        不過采用堿解處理、熱處理、超聲波處理、微波處理等方法對污泥進行預處理,可以提高污泥水解速率,改善污泥厭氧消化性能。并通過項目經驗的積累,企業也逐步掌握了較為全面的操作技能。污泥厭氧消化技術會是未來的一個主流方向。

        2、土地利用為主的好氧發酵技術路線
        好氧堆肥是在有氧情況下,通過微生物的發酵作用,將污泥轉變為肥料的過程。其中有機物料代謝為二氧化碳、水和熱。

        好氧堆肥的優點包括:
        1)發酵效率高,穩定化時間相對短;
        2)臭味少,實現滅菌;
        3)含水率可降到40%;
        4)污泥成品主要用于修復鹽堿地、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化堆肥效果,比如興蓉環境和綠山的合作。

        堆肥的難點主要包括:
        1)能量凈支出,通風能耗費用占比80%;
        2)需對好氧堆肥運行的不同階段的合理通風量加強研究;
        3)缺少C/N 等控制因素的理論研究,致使存在調理添加劑使用過多的情況。

        污泥經發酵后轉化為腐殖質,可限制性農用、園林綠化或改良土壤,從而實現污泥中有機質及營養元素的高效利用,設備投資少、運行管理方便。但占地面積大、發酵產品存在重金屬污染等缺點使得好氧發酵技術在我國較難發展。

        目前污泥好氧發酵工程可采用高效、快速、穩定、集約化的設計、運營模式,可實現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比例約5%,污染風險較小,不應該成為限制污泥發酵產品土地利用的主要障礙。

        因此,在《城鎮污水處理廠污泥處理處理技術指南(試行)》中,“好氧發酵+土地利用”也被列為推薦技術路線。該技術在相對欠發達地區,應用前景較大。

        3、污泥干化-焚燒技術路線
        長期以來,國人對污泥干化焚燒工藝存在誤讀,普遍認為它是一種高能耗工藝和高碳排放工藝。實際上,國際上污泥焚燒能量可以達到自給,不同工藝能耗來看,焚燒工藝(~100kW/t)與堆肥工藝(>100kW/t)相當。

        焚燒實現徹底處理和處置,而堆肥后續需要考慮儲存、運輸等能耗。而且,污泥中的有機質焚燒是碳中性的。此外,人們還誤認為污泥焚燒特性與垃圾相同是二噁英排放源。

        干化焚燒工藝的設備投資較大,焚燒產生的煙氣污染嚴重,還需建立完善的煙氣處理系統,這也加大了污泥的處理費用。因此干化焚燒工藝一般適用于用地緊張且經濟發達的地區。

        隨著對碳減排和污泥生物質資源認識的不斷加深,干化焚燒工藝在國外的應用范圍開始減少。然而現階段,在我國污泥厭氧消化和好氧發酵技術還未成熟的情況下,污泥干化焚燒在一定時期內可能會出現增長的態勢,尤其是工業窯爐協同焚燒的方式。

        4、建材利用為主的污泥高干脫水處理技術路線
        對污泥高干脫水技術的普遍認知還停留在投加大量化學藥劑,導致減容不減量;且藥劑對后續污泥焚燒、土地利用、建材利用等產物影響;是臨時性、應急污泥處理處置技術路線等。

        目前采用的高干脫水工藝,投加大量藥劑未達到減量效果,且未與后續處置相結合,將阻礙污泥處理技術發展,導致劣幣驅除良幣的現象。


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