污泥高級厭氧消化的應用現狀與發(fā)展趨勢 2016-03-11 陳珺，楊琦
發(fā)布日期：2016-03-13 瀏覽次數：
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核心提示：污泥高級厭氧消化的應用現狀與發(fā)展趨勢
2016-03-11 陳珺，楊琦 中國給水排水
對污泥高級厭氧消化的技術發(fā)展動力進行了分析，指出了提高能源效率、污泥品質、脫水性能、消化性能及運行效果是高級厭氧消化發(fā)展的主要動力。對高溫消化、兩相消化、延時消化、協同消化及熱水解+消化等幾種高級厭氧消化技術進行了介紹，分析了其技術的優(yōu)、缺點和工藝發(fā)展的各種變型。最后對高級厭氧消化技術的未來發(fā)展前景進行了展望。陳珺（1975—），博士在讀，高級工程師，研究方向為污水處理資源化技術、營養(yǎng)物去除與回收、水回用及污泥處理處置技術。傳統(tǒng)厭氧消化用于處理城市污水處理廠的污泥在歐洲已超過100年歷史，污水處理的污泥厭氧中溫消化是傳統(tǒng)的處理技術，隨著對可再生能源及及經濟效益的追求，污泥高級厭氧消化成為最近10年來污泥處理領域內一個鮮明的發(fā)展方向。所謂高級厭氧消化是指相對于傳統(tǒng)中溫厭氧消化能夠顯著提高揮發(fā)性固體負荷降解率（VSR）的厭氧消化技術。目前，高級厭氧消化技術主要有高溫消化、兩相消化、延時消化、協同消化以及熱水解+消化等技術形式。與傳統(tǒng)厭氧消化技術相比，高級厭氧消化技術的研發(fā)及應用歷史較短，但一些技術已經展現出了良好的發(fā)展勢頭，這些新技術的發(fā)展正在奠定將來厭氧消化的技術局面。很多技術目前仍然處于不斷的研究之中，高溫消化與中溫消化很類似，所不同的是運行的溫度在50~57℃之間，高溫消化的一個顯著特點是高溫會更高效地滅活病原菌并使反應速度加快。研究結果顯示，病原菌的滅活時間會隨著溫度的升高很降低。高溫消化在設計參數上與中溫消化有所不同，例如懸浮固體的負荷要高很多，另外SRT也會更低，約11~15天。高溫消化有幾種不同的形式，包括幾個高溫消化池串聯、高溫消化+中溫消化、中溫消化+高溫消化+中溫消化等形式，最常見的是高溫消化+中溫消化，這種形式的消化往往又被稱為異溫分段厭氧消化（TPAD），TPAD的一個顯著特點是在利用高溫消化的同時又可避免揮發(fā)性有機酸釋放的惡臭。圖1是TPAD的示意圖。目前在北美約有20個處理廠應用了這一技術。高溫厭氧消化有諸多的技術優(yōu)點，包括提高VSS分解率、池容更小、病原菌滅活效果更好、消化污泥脫水的效果更好等。當然這一技術也存在一些不足，比如單級高溫消化會有比較重的惡臭，污泥加熱所需的能量較高，高溫對混凝土池體是個考驗，污泥脫水濾液中的氨含量較高，溫度較高可能會導致換熱器的堵塞等。為了達到較高的病原菌滅活效果，需要避免消化池在攪拌上由于完全混合池型所導致的短流問題，因此高溫消化池有時候會采取間歇的運行方式，或是幾個高溫消化池串聯運行。
傳統(tǒng)的厭氧消化包括水解、產酸及甲烷化這三個階段，通常都是在一個池內完成上述反應過程。兩相厭氧消化工藝是把酸化和甲烷化兩個階段分離在兩個串聯反應器中，使產酸菌和產甲烷菌各自在最佳環(huán)境條件下生長，這樣不僅有利于充分發(fā)揮其各自的活性，而且提高了處理效果，達到了提高容積負荷率，減少反應容積，增加運行穩(wěn)定性的目的，工藝示意如圖2。
兩相厭氧消化在具體實際應用時會有多種不同的組合形式，包括中溫酸化消化+高溫產氣消化、中溫酸化消化+中溫產氣消化等，為了獲得A類污泥的要求，其中的一個消化池必須是高溫消化。兩相厭氧消化有諸多的技術優(yōu)點，包括更高的VSS分解率、泡沫控制、產氣率更高、建設成本更低等。主要的缺點包括相分離導致操作上的復雜、酸化階段可能會產生高濃度的硫化氫、酸化消化池在操作過程中會遇到明顯的惡臭。延時消化是把污泥厭氧消化的水力停留時間與固體停留時間分離，通常是消化池的出泥進行固液分離后再回流到消化池，如圖3所示。延時厭氧消化的一個關鍵是用濃縮設備分離污泥，分離后的污泥再與進來的原泥相混合進入消化池，這樣做的一個重要目的是避免了傳統(tǒng)厭氧消化池完全混合式的以下弊端，如短流等問題，污泥的停留時間更長。延時消化的優(yōu)點在于將更多的細菌回流到消化池內進一步分解有機物，提高產氣率。實際上，將泥齡與水力停留時間分離的做法最早在上世紀60年代的紐約就開始嘗試，當時的紐約衛(wèi)生局的工程師Torpey最先提出的這一想法，所以在美國有時這種做法又叫Torpey工藝，當時主要是通過重力沉降的方法來分離固液，最近幾年采用離心和氣浮的方法在一些地方開始嘗試。延時厭氧消化的主要優(yōu)點包括厭氧消化池池容減小、VSS分解率更高、脫水絮凝劑量降低、消化池固體含量提高等。當然這項技術存在一些缺點，如增加的固液分離設備可能會抵消消化池減小而導致的占地面積減小。另外，人們對延時消化的一個擔憂是在固液分離階段厭氧菌是否會受到明顯的影響，在澳大利亞和美國的幾個生產性厭氧消化工程的結果顯示，固液分離的短暫好氧階段不會到厭氧菌造成明顯的影響。但一些報告顯示，在某些污水處理廠應用這種技術后存在換熱器堵塞嚴重的問題。協同厭氧消化是指污水處理廠污泥與其他有機廢物共同進入消化池進行消化，這些有機廢物包括油脂、餐廚廢物等。協同厭氧消化在歐美發(fā)展非常迅速，很多污水處理廠都在應用這一技術，包括加州著名的EBMUD污水處理廠由于采用協同厭氧消化而成為美國一座能量自給污水處理廠的典范，見下圖。采用協同厭氧消化的主要動力來自于對提高污水處理廠沼氣產量的需求，滿足污水處理廠能耗的要求，同時使一定地區(qū)內的碳足跡最小化。采用協同消化需要注意一些問題，比如外部有機物如果碳含量太高，可能會導致氮的缺乏，從而引起丙酸的積累；而如果碳含量太低，則可能會引起氨中毒，因此需要在營養(yǎng)物的平衡上格外注意。與初沉污泥相比，剩余污泥在消化與脫水方面都有一定的困難，造成這種現象的主要原因是剩余污泥中EPS的含量較高。針對這種問題，業(yè)界發(fā)展出了很多細胞破壁技術，主要有物理、化學、生物等方法，但絕大多數這些方法的能耗或成本較高，近幾年來熱水解技術的發(fā)展實踐表明，這是一種在污泥消化與脫水方面極具前景的一項技術。傳統(tǒng)污泥熱水解是首先將混合污泥（初沉污泥與剩余污泥）從含固率約3%脫水至16%左右，然后進行熱水解，以Cambi工藝為例，該技術主要由三個階段組成，首先污泥進入漿化罐，工藝的廢熱對污泥進行加熱，通常污泥會加熱到90℃然后進入反應罐；反應罐的數量會根據處理廠規(guī)模大小而有所不同，在反應罐內污泥加熱到165℃左右，壓力維持在6.5巴，反應30min左右。反應之后的污泥進入閃蒸罐迅速泄壓，細胞壁大量破碎，閃蒸罐的蒸汽返回漿化罐預熱下一批污泥，污泥然后冷卻、稀釋到9%~10%的含固率。挪威的Hias污水處理廠最早于1995年應用了污泥熱水解工程，英國泰晤士水務的Chertsey污水處理廠在1999年應用了污泥熱水解技術，是英國最早的案例，此后在英國和愛爾蘭有數十個項目應用了這一技術。美國華盛頓Blue Plains污水處理廠的污泥熱水解工程在2014年投入運行，這是迄今為止全球最大的污泥熱水解工程。除了Cambi之外，還有威立雅的Biothelys、Exelys以及荷蘭開發(fā)的Turbotec等熱水解技術。圖5 美國華盛頓Blue Plains污水處理廠熱水解工程污泥熱水解+厭氧消化的工藝有著諸多的技術優(yōu)點，首先污泥經過高溫、高壓的熱水解后可以達到A級污泥的標準；其次，污泥熱水解使得胞內的物質釋放，提高了消化VSS分解率，沼氣產量會有一定程度的提高；由于細胞壁的破碎，污泥的脫水效果會大為改善，泥餅含固率會提高6%左右；最后，由于污泥經過熱水解后消化池的進泥含固率在10%左右，這樣會大幅度降低消化池的池容，減少投資。當然熱水解也有其自身的弱點，主要是技術復雜、初期投資高、濾液中含有較高的氨氮和SCOD。由于世界各地污泥消化在發(fā)展的側重點上的不同，污泥熱水解技術在近年來也出現了多種技術組合形式，主要有以下幾種：（1）初沉污泥與剩余污泥全部進入熱水解，然后再厭氧消化；（2）剩余污泥進行熱水解后與初沉污泥混合后進入消化池消化；（3）初沉污泥與剩余污泥全部先進行消化，然后進行熱水解，最后再進入消化池消化。如圖6所示a、b、c。上述三種技術組合的應用側重點不同，（a）路線適合于對處理后污泥泥質有較高的場合，出泥可以達到A級污泥的標準，同時所需消化池的池容較小，但是熱水解單元的占地面積較大；（b）路線的出泥達不到A級污泥的標準，可以達到B級污泥的標準，熱水解單元的占地面積最小；（c）路線的消化池占地面積和熱水解的占地面積都較前兩者略大，但能量的回收率較高，同時可以達到A級污泥的標準。因此，具體的選擇哪一種方式取決于當地的實際情況。從前文介紹可以看出，高級厭氧消化技術的諸多自身特點使其在不同程度上會滿足各地的發(fā)展需求，這些特點大致可以總結如下：厭氧消化的一個重要功能是可以產生沼氣，從而實現熱電聯產或沼氣的直接利用，污水處理自身對電能與熱能的需求正好符合厭氧消化的這一重要功能。目前各類高級厭氧消化技術的一個重要功能是可以在一定程度上提高沼氣的產量，提高的幅度與具體的技術有關，這在一定程度上促進了高級厭氧消化技術的發(fā)展。高級厭氧消化應用的一個重要目的是滿足污泥處置更加嚴格的要求，這種更加嚴格的要求來自多方面，包括更加嚴格的法規(guī)要求、處置成本的提高以及公眾的呼聲。美國環(huán)保局頒布的503條款將污泥分為A類污泥和B類污泥正是基于處理工藝對病原菌的不同殺滅效果而規(guī)定的。達到B類污泥的技術包括傳統(tǒng)好氧與厭氧消化、堆肥、石灰穩(wěn)定以及干化。B類污泥回用于農田、牧場以及公眾接觸的場合會受到一定的限制，能夠達到A類污泥的技術包括堆肥、熱干化、高溫消化、巴氏消毒、熱水解等，A類污泥的應用靈活性會很大，因為其很少有受限制的場合。 一些高級厭氧消化可以明顯提高VSS的分解率，這樣污泥的脫水效果就會有所提高進而會降低與之相關的運行成本，包括絮凝劑的消耗都會有所降低。對于已有消化的污水處理廠，高級厭氧消化可以明顯提高消化負荷從而避免已有設施的擴容或降低新建設施的池容，這種特點對于占地面積緊湊的污水廠無疑具有很大的吸引力。在一些現有的傳統(tǒng)厭氧消化的污水處理廠中經常會遇到一些運行上的問題，包括臭味的控制、泡沫問題、脫水效果差、沼氣產量低等，這些問題雖然不是高級厭氧消化所都能解決的，但在某些情況下高級厭氧消化可以有效地避免這些問題。在污水處理廠的建設與運行成本中，污泥濃縮、消化、脫水的所占的比例很高，高級厭氧消化在這方面具有突出的技術優(yōu)勢，可以在較短時間內收回投資。隨著氣候變化及對可再生能源需求呼聲的日益高漲，污泥厭氧技術正在快速發(fā)展，尤其是高級厭氧消化技術。這些技術的發(fā)展對設計和運行提出了新的要求和新的挑戰(zhàn)，因此這些新型高級厭氧消化技術的設計方法已經很難在傳統(tǒng)設計手冊中找到相應的表述或依據，計算機技術的應用促使模型在污泥厭氧消化中將發(fā)揮更大的作用，尤其是這些新型技術的建模。在研發(fā)上，新型厭氧消化技術在與其他技術耦合時出現的一些新的問題也需要引起關注，例如污泥熱水解技術+消化的方式會導致消化液中的氨氮與SCOD較高，這種情況對側流厭氧氨氧化的應用會是一種挑戰(zhàn)。由于歷史及其他原因，中國的污水處理廠很多沒有厭氧消化，在未來一些大型污水處理廠可能需要再建消化池，這些污水處理廠往往已經沒有太多的占地，發(fā)展高級厭氧消化無疑對于這些污水處理廠的污泥處置之路非常關鍵。更多內容參見《中國給水排水》雜志2016年3月第6期：污泥厭氧消化的應用現狀與發(fā)展趨勢，作者：陳珺（中國地質大學<北京>水資源與環(huán)境學院），楊琦（宜興新概念環(huán)境技術有限公司）。
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