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污泥熱水解厭氧消化與常規(guī)厭氧消化的比較

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1 工程基本情況

熱水解厭氧消化是近年來國內(nèi)外污泥處理技術(shù)新的應(yīng)用方向。國外美國華盛頓特區(qū)Blue Plains污水處理廠、英國泰晤士水務(wù)Davyhulme項目,國內(nèi)北京的小紅門、高碑店、槐房、高安屯、清河第二污泥處理中心項目,均采用熱水解厭氧消化技術(shù)。其中,華盛頓特區(qū)Blue Plains污水處理廠和北京的小紅門、高碑店污泥處理中心項目為現(xiàn)況污泥區(qū)域升級改造。本文以國內(nèi)最早運行的熱水解厭氧消化小紅門污泥處理中心項目(以下簡稱小紅門項目)為例,通過比對改造前后的消化系統(tǒng)運行情況,分析總結(jié)熱水解厭氧消化與常規(guī)厭氧消化的區(qū)別與特點。


小紅門污泥熱水解厭氧消化項目位于小紅門污水處理廠廠區(qū)東北部,污水處理廠建設(shè)規(guī)模為60萬m³/d(Kz=1.3),峰值流量為78萬m³/d。污泥處理系統(tǒng)包括5座卵形消化池、3座沼氣柜、2套干式脫硫塔、1座濕式脫硫設(shè)備間、1座沼氣鍋爐房、2套廢氣燃燒器等。其中5座消化池均為一級消化池,采用卵型池型,單座池容為12 000 m³。


小紅門項目于2008年11月12日首次啟動,產(chǎn)生的沼氣用于驅(qū)動水區(qū)的鼓風機和冬季供暖,多余的沼氣通過廢氣燃燒器燒掉。2015年9月,該系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn),開始實施熱水解厭氧消化工程的升級改造。改造內(nèi)容為增加熱水解預(yù)處理裝置,熱水解采用Cambi技術(shù),消化池仍采用原有消化池。2016年4月,改造完成后,消化系統(tǒng)(消化池運行組數(shù)減少為4座消化池)重新啟動。2016年7月18日,隨著熱水解系統(tǒng)開始調(diào)試,常規(guī)厭氧消化調(diào)整為熱水解厭氧消化。2017年3月9日,系統(tǒng)開始承接外來污泥的處理。


表1為2012年(改造前為常規(guī)厭氧消化的代表)和2017年(改造后為熱水解厭氧消化的代表)污水處理廠進水水質(zhì)、水量及消化系統(tǒng)情況說明。

污泥熱水解厭氧消化

2 基本操作比較

常規(guī)厭氧消化的基本操作有進泥、排泥、換熱和攪拌等,熱水解厭氧消化的不同之處是換熱方式由升溫調(diào)整為降溫。尤其是夏季,要密切關(guān)注消化池的換熱情況。

2.1 進泥

2.1.1 來源

2012年消化池的進泥比較單一,全部為水區(qū)的初沉污泥,平均2 258 m³/d;2017年消化池進泥為經(jīng)熱水解預(yù)處理后的混合污泥,平均1 429 m³/d,進入熱水解預(yù)處理的污泥情況比較復(fù)雜,包括本廠污泥和外接污泥兩部分。3月9日前,只處理本廠污泥,即初沉污泥和濃縮后的剩余污泥經(jīng)預(yù)脫水而成的混合污泥。3月9日后,熱水解系統(tǒng)既處理本廠污泥也處理外接污泥。外接污泥主要為吳家村、盧溝橋、五里坨、肖家河等污水處理廠的脫水泥餅,平均200 t/d(含水率83%)。對于熱水解厭氧消化系統(tǒng)而言,需考慮外接污泥成分對消化池的影響。

2.1.2 進泥有機分與含水率

2012年消化池進泥主要為初沉污泥,進泥有機分平均值為63%,進泥含水率平均值為96%;2017年消化池進泥為混合污泥,進泥有機分平均值為56%,進泥含水率平均值為92%。


從圖1可看出,隨著外接污泥量、來源等發(fā)生變化,混合污泥中的有機分等波動較明顯。3月9日前,污泥來源單一,有機分平均為67%;承擔外接污泥處理后,整體消化池進泥有機分降低。但是,消化池進泥含固量明顯增加,2017年較2012年進泥含固量提高2倍。

污泥熱水解厭氧消化

2.1.3 進泥中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和堿度(ALK)

改造前后進泥中VFA和ALK的變化見圖2。2012年消化池進泥中VFA平均值為513 mg/L,ALK平均值為2 107 mg/L;改造后2017年,消化池進泥中VFA平均值為915 mg/L,ALK平均值為1 881 mg/L,與2012年比較,VFA增加78%, ALK降低11%。

污泥熱水解厭氧消化

2.2 排泥

2012年消化池排泥采用頂部溢流排泥+泵輔助排泥。2017年消化池采用頂部溢流排泥或底部電動調(diào)節(jié)閥排泥,原有輔助泵系統(tǒng)拆除。從運行效果看,采用頂部溢流排泥方式,排泥比較順暢,運行一年多的時間,沒有出現(xiàn)溢流排泥堵塞現(xiàn)象。

2.3 換熱

2012年消化池運行需加熱,加熱熱源來自沼氣拖動鼓風機的余熱,不夠的情況下由鍋爐房的熱水作為熱源補充。2017年升級改造后,由于熱水解預(yù)處理后出泥溫度較高,消化池利用原有換熱器進行降溫換熱,降溫冷源為污水處理廠二沉池出水。

2.4 攪拌

2012年消化池采用壓縮機進行攪拌。2017年,拆除原有壓縮機,并進行壓縮機進出氣管的改造,更新替換為大功率壓縮機。沼氣攪拌方式不變,攪拌氣量由1.67 m³/(min·m³池容)升至3.4 m³/(min·m³池容)。

3 消化效果比較

消化效果一般從消化污泥的泥質(zhì)、有機物分解率、產(chǎn)氣能力等指標進行衡量。

3.1 泥質(zhì)

3.1.1 酸堿比

酸堿比為VFA和ALK的比值,改造前后消化池內(nèi)酸堿比變化見圖3。2012年消化污泥酸堿比平均值為0.025;2017年消化污泥酸堿比平均值為0.128。酸堿比增加的原因是熱水解厭氧消化池進泥中VFA較常規(guī)厭氧消化進泥的VFA有明顯的增加。

酸堿比

3.1.2 氨氮與游離氨

選取歷史同期1~3月數(shù)據(jù),進行消化污泥中氨氮含量對比(見圖4)。2012年消化池污泥中氨氮含量在214~709 mg/L,平均值為503 mg/L;2017年消化池污泥中氨氮含量在1 360~2 140 mg/L,平均值為1 808 mg/L。熱水解厭氧消化較常規(guī)厭氧消化,污泥中氨氮含量有明顯增加。

2017年1~3月數(shù)據(jù),消化池運行溫度39 ℃,pH 7.3,通過計算公式,將污泥中的氨氮含量換算成游離氨的濃度。計算發(fā)現(xiàn),2017年氨氮平均值為1 808 mg/L,折算成游離氨的濃度為51 mg/L,遠低于文獻中145~600 mg/L的數(shù)值。這說明改造后的熱水解厭氧消化工藝,游離氨在正常范圍內(nèi)。該消化系統(tǒng)沒有氨抑制作用。

氨氮與游離氧數(shù)據(jù)

3.2 有機物分解

3.2.1 消化池有機負荷

2012年消化池有機負荷平均為0.91 kgVS/m³,2017年消化池有機負荷平均為1.14 kgVS/m³。從圖5可看出, 2017年消化池有機負荷較2012年有所提升。與國內(nèi)同類項目有機負荷范圍1~1.9 kgVS/m³相比基本一致。可以考慮進一步提升有機負荷。

消化池有機負荷

3.2.2 有機物分解率

2012年消化池有機物分解率在19.8%~59.8%。2017年為30.7%~60.0%,平均42%。從圖6看,熱水解厭氧消化的有機物分解率似乎沒有明顯的提升。分析原因,主要是2012年,消化池單一處理初沉污泥,初沉污泥本身容易分解產(chǎn)氣。而2017年改造后,消化池進泥中除初沉污泥外,還增加剩余污泥,還有來自吳家村、盧溝橋等污水處理廠的初沉和剩余污泥等,在進泥有機分(2017年進泥有機分平均為56%)較歷史同期(2012年進泥有機分平均為63%)低的情況看,有機物分解率實際上依舊維持在較高的水平。

消化池有機物分解率

3.3 產(chǎn)氣能力

3.3.1 噸干泥產(chǎn)氣量

消化池噸干泥產(chǎn)氣量變化見圖7。2012年消化池噸干泥產(chǎn)氣量為187 m³/tDS;2017年消化池噸干泥產(chǎn)氣量為341 m³/tDS,增幅82%。將2017年的噸干泥產(chǎn)氣量折算成含水率為80%的原污泥,產(chǎn)氣量為68.2 m³/tDS,遠高于國內(nèi)40~50 m³/tDS消化項目。

消化池噸干泥產(chǎn)氣量

3.3.2 分解單位公斤有機物產(chǎn)氣量

2012年消化池分解單位公斤有機物產(chǎn)氣量為0.78 m³/kgVS;2017年消化池分解單位公斤有機物產(chǎn)氣量為1.32 m³/kgVS。從圖8可以看出,從分解單位公斤有機物產(chǎn)氣量看,熱水解厭氧消化優(yōu)勢明顯。

分解單位公斤有機物產(chǎn)氣量

3.4 沼氣成分

沼氣中主要成分是甲烷和二氧化碳。對比2012和2017年沼氣成分發(fā)現(xiàn)(見圖9),2017年的沼氣中甲烷含量較2012年有下降,但甲烷含量基本在45%~70%。分析差異,主要還是進泥來源變化所導(dǎo)致。

沼氣成分

分析小紅門2012年和2017年的運行數(shù)據(jù),可作為兩種消化方式常規(guī)厭氧消化和熱水解厭氧消化的典型數(shù)據(jù)進行對比。

熱水解厭氧消化與常規(guī)厭氧消化相比,消化池的基本操作沒有大的調(diào)整;熱水解厭氧消化較常規(guī)厭氧消化處理污泥的類型途徑更廣泛,增加了剩余污泥的處理;熱水解厭氧消化在進泥有機分較低的情況,通過熱水解和厭氧消化耦合,提高消化池進泥的VFA,提升單位公斤有機物產(chǎn)氣量,進而提升總產(chǎn)氣量,要明顯優(yōu)于常規(guī)厭氧消化。

但是,熱水解厭氧消化由于工藝特點,還有一些重要的附屬系統(tǒng)如熱水解的工藝氣、消化后脫水濾液等均需引起重視。

對原文有修改。原文標題:污泥熱水解厭氧消化與常規(guī)厭氧消化的運行比較;作者:宋曉雅;作者單位:北京城市排水集團有限責任公司。刊登在《給水排水》2019年第3期。

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