污泥處理與處置最全解析 附贈污泥堆肥工藝流程
隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和國家對“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理率的規(guī)劃要求,全國城鎮(zhèn)污水處理廠處理能力不斷增大。伴隨城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模的擴(kuò)大,污泥作為污水處理副產(chǎn)物也大量產(chǎn)生。按照城市污水以干物質(zhì)計平均0.02%的含固率估算,可產(chǎn)生干污泥3.14 萬噸/天。按照污泥脫水前80%的含水率計算,每天產(chǎn)生濕污泥15.7 萬噸。全年以360天計,2014年全國年產(chǎn)生濕污泥達(dá)5652 萬噸。而同時城鎮(zhèn)污水的來源決定了污泥含有病原微生物、有機(jī)污染物、重金屬等有毒有害物質(zhì)的特性。數(shù)量巨大的污泥產(chǎn)生量得不到有效的處理、處置將造成二次環(huán)境污染等一系列問題。因而,按照城市污泥處理“減量化、穩(wěn)定化、無害化”的原則和“綠色、循環(huán)、低碳”的總體要求,尋求技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行、綜合利用處理、處置城市污泥的有效途徑變得十分緊迫。
污泥水分(四水)構(gòu)成
污泥水分
毛細(xì)管結(jié)合水是指在污泥顆粒間形成一些小的毛細(xì)管中充滿的水分,約占污泥水的20%左右�?刹捎秒x心、真空等機(jī)械脫水方法去除。
間隙水是指存在于污泥顆粒間系中的水,約占污泥水分的70%左右,易去除。一般采用濃縮法即可去除。
表面吸附水指吸附在污泥顆粒表面的水,約占污泥水分的7%左右。可用加熱法脫除。
內(nèi)容水指存在于污泥顆粒內(nèi)部或微生物細(xì)胞內(nèi)的水,約占污泥水分的3%左右�?刹捎蒙锓ㄆ茐募�(xì)胞膜去除內(nèi)部水或高溫加熱法、凍融發(fā)去除。
城市污泥的基本性狀
城市污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠對生活污水經(jīng)各級處理工藝后形成的沉淀產(chǎn)物,含有各類有益有用、有毒有害的物質(zhì)。其中有益有用物質(zhì)包括植物所需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)素以及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分;有毒有害物質(zhì)主要包括有機(jī)污染物、重金屬、寄生蟲卵和病原菌等病原微生物等。
國內(nèi)外城市污泥處理研究進(jìn)展
國內(nèi)外關(guān)于城市污泥處理的研究主要包括厭氧消化、好氧消化、蚯蚓生物分解處理技術(shù)以及與各種技術(shù)相關(guān)的前處理、后處理研究。
污泥處理
城市污泥的厭氧消化技術(shù)污泥厭氧消化技術(shù)是基于兼氧菌和厭氧菌的生化作用進(jìn)行的厭氧生化反應(yīng),利用微生物同化、降解污泥中有機(jī)污染物質(zhì)最終形成CO2、CH4、水等代謝產(chǎn)物的是一種當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的污泥穩(wěn)定化和資源化的污泥處理技術(shù)。
1 厭氧消化的原理
厭氧消化基本原理形成經(jīng)歷了酸堿發(fā)酵、三階段、四種群等理論階段。
1930年Buswell、Neave對有機(jī)物厭氧消化過程的認(rèn)識延續(xù)了Thumm、Reichie(1914年)與Imhoff(1916年)酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩階段理論。
在兩階段理論基礎(chǔ)上,M.P.Bryant(1979年)完善形成了三階段理論,即水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷三個階段。研究認(rèn)為水解發(fā)酵是將復(fù)雜有機(jī)物在水解發(fā)酵菌胞外酶作用下轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸和醇類,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機(jī)酸和醇類等水解發(fā)酵中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為H2、CO2和乙酸,在產(chǎn)甲烷階段是產(chǎn)甲烷菌將由前兩階段產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CH4。
J.G.Zeikus(1979年)則進(jìn)一步把參與復(fù)雜有機(jī)物厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的微生物分為四種群,即是:水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌。一般認(rèn)為,四種群微生物又可以分為兩大類,即產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌。相應(yīng)也把厭氧消化產(chǎn)甲烷過程分為了產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。在產(chǎn)酸階段參與復(fù)雜有機(jī)物降解的主要為水解發(fā)酵細(xì)菌,這類細(xì)菌的特點主要為:種類多,新陳代謝能力強(qiáng)、倍增時間短、對環(huán)境(溫度、pH、有毒有害或抑制物等)適應(yīng)性很強(qiáng)。在產(chǎn)甲烷階段將產(chǎn)酸階段代謝產(chǎn)物甲烷化的細(xì)菌主要是產(chǎn)甲烷細(xì)菌,特點:相對種類少,能利用的代謝產(chǎn)物有限,倍增時間很長,同樣對環(huán)境因素要求也較高。
2 厭氧消化的分類
厭氧消化根據(jù)反應(yīng)溫度、運(yùn)行形式、污泥含固率等不同有多種分類方法。
(1)反應(yīng)溫度
根據(jù)厭氧消化的溫度不同,主要分為中溫(33-35 ℃左右)、高溫(50-55 ℃左右)消化形式。其中高溫消化基于溫度高的條件,具有消化速率高、污泥處理負(fù)荷高、反應(yīng)容器小等優(yōu)勢。但高溫導(dǎo)致高能耗、高成本的缺點,在實際應(yīng)用中我國以中溫消化為主。
(2)運(yùn)行形式
根據(jù)厭氧消化的運(yùn)行形式不同,分為兩級消化和兩相消化。其中兩級消化是把消化池分為兩級,第一級消化池設(shè)有加熱、攪拌設(shè)備,出于節(jié)省能量、消化時間與產(chǎn)氣量關(guān)系的角度出發(fā),污泥在第一級消化池內(nèi)被降解后,送入第二級消化池。第二級消化池不設(shè)加熱與攪拌設(shè)備,依靠余熱繼續(xù)消化。由于不設(shè)攪拌設(shè)備,在第二級消化池,污泥成層沉淀的作用兼有污泥濃縮的功能。而兩級消化是基于產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌對生存環(huán)境因素的要求不同,設(shè)置兩個獨立的反應(yīng)器,分別進(jìn)行產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段反應(yīng),減少產(chǎn)酸階段對產(chǎn)甲烷菌的抑制影響。提高了污泥處理負(fù)荷和產(chǎn)氣效率。
(3)污泥含固率
根據(jù)厭氧消化處理污泥的含固率不同,分為干發(fā)酵和濕發(fā)酵。其中濕發(fā)酵的含固率一般為4~10%,具有啟動快,工藝成熟等優(yōu)點,是目前厭氧消化主流工藝。但存在反應(yīng)容器大,設(shè)備投資造價高、發(fā)酵產(chǎn)物固液分離困難等不足。干發(fā)酵的含固率一般為20~30%。
具有產(chǎn)氣率高、能耗低、設(shè)備投資造價低、運(yùn)行簡單等優(yōu)點。厭氧干發(fā)酵和厭氧濕發(fā)酵在生化反應(yīng)本質(zhì)上是相同的,主要是厭氧和兼性厭氧微生物在厭氧環(huán)境下分解有機(jī)物產(chǎn)生沼氣的過程,包括水解、酸化、乙酰化和甲烷化等反應(yīng)階段。鑒于厭氧濕發(fā)酵和厭氧干發(fā)酵在生化過程上的相似性,并考慮到酸化產(chǎn)物對產(chǎn)甲烷細(xì)菌強(qiáng)烈的抑制作用,Ghosh于1983年提出兩階段(酸化階段和產(chǎn)甲烷階段)厭氧干發(fā)酵模式,在酸化階段完成對底物的水解酸化, 把大分子物質(zhì)降解成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)如乙酸、丙酸、丁酸等,這些酸性物質(zhì)的積累會抑制產(chǎn)甲烷菌的代謝活性和生長繁殖,因此,當(dāng)酸化階段完成后"需要對發(fā)酵體系總酸含量進(jìn)行調(diào)節(jié), 并將其轉(zhuǎn)移至產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中完成產(chǎn)甲烷過程。但是Shankaranand在實踐中發(fā)現(xiàn),干發(fā)酵與濕發(fā)酵之間存在很大差異,這主要是由底物存在狀態(tài)的差異引起的。在干發(fā)酵中,底物是以不流動的固態(tài)存在,并且存在嚴(yán)重的異質(zhì)性,盡管在發(fā)酵過程中存在滲出液的滲漏,但這種滲漏僅發(fā)生在局部,各種中間代謝產(chǎn)物和微生物的交流受到嚴(yán)重限制;在濕發(fā)酵中,底物在發(fā)酵過程中不斷地攪拌混合,各種中間代謝產(chǎn)物和微生物在底物層中分布均勻。
3 厭氧消化的研究方向
我國污泥厭氧消化的研究主要有兩個方向:一是改善消化溫度、發(fā)酵產(chǎn)氫、碳氮營養(yǎng)比等消化條件以及基于厭氧消化原理的工藝條件調(diào)整;二是破壞污泥結(jié)構(gòu)及細(xì)胞壁促進(jìn)厭氧消化的污泥預(yù)處理研究,主要有超聲波處理、微波處理、熱處理、酸堿處理、臭氧處理、雙氧水處理、生物酶處理等及不同工藝的組合。
(1)工藝條件調(diào)整
戴曉虎等采用自主開發(fā)的自控溫的厭氧反應(yīng)器對高含固率(TS為10%)的城市污泥進(jìn)行了高溫兩相與單相厭氧消化試驗比較研究,兩相工藝進(jìn)行了不同溫度的比較,兩次試驗的酸化、甲烷化溫度分別為70 ℃、55 ℃和55 ℃、55 ℃,單相的反應(yīng)溫度為55 ℃,兩相產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷的污泥停留時間分別為4 d和16 d,單相為20 d,兩相工藝的VS去除率都達(dá)到了40%以上,而單相高溫的去除率僅為34.9%。
高瑞麗等采用添加廚余垃圾的方式改善了城市污泥的碳氮比、胞外多聚物等工藝條件,提高了厭氧消化產(chǎn)沼氣、甲烷的量。按質(zhì)量比例2:1的投加量分別投加剩余污泥和廚余垃圾,在溫度為35 ℃時,沼氣和甲烷產(chǎn)量達(dá)到最高,沼氣量為156.56 ml/gVS,其中甲烷占67.52%,比空白試驗的產(chǎn)量分別提高了5倍和1.5倍。
(2)污泥預(yù)處理
吳靜等采用“熱水解+高溫厭氧消化”對含固率8%~9%的凈水廠剩余污泥進(jìn)行處理研究,發(fā)現(xiàn)在熱水解(70℃)SRT為3d、高溫厭氧消化(55℃)SRT為25d時,有機(jī)物去除率達(dá)到42%以上,污泥的衛(wèi)生風(fēng)險低于中溫消化。
劉吉寶等利用微波聯(lián)合其他工藝組合對北京小紅門污水處理廠剩余污泥進(jìn)行了強(qiáng)化污泥的厭氧消化研究,發(fā)現(xiàn)微波組合工藝可以強(qiáng)化污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的作用。其中“微波+H2O2+堿”與空白對照組經(jīng)過30 d試驗比較,產(chǎn)甲烷速率得到了增快,產(chǎn)甲烷量提高了13.34%。與單獨進(jìn)行微波處理相比,投加了H2O2、堿的試驗組COD的溶解情況顯著改善,說明污泥細(xì)胞壁進(jìn)行了有效的破碎。經(jīng)過“微波+酸”處理的污泥,污泥的表面電性和粒徑分布出現(xiàn)了變化,污泥脫水性能良好,毛細(xì)作用的吸水時間為9.85 S。
陳涇濤等利用高壓均質(zhì)和超聲波兩種物理方法對天津某污水處理廠的剩余污泥進(jìn)行了厭氧消化性能研究,發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)和超聲波都能迅速破壞污泥結(jié)構(gòu)。經(jīng)過高壓均質(zhì)、超聲波處理后,與空白對照組中揮發(fā)性脂肪酸和溶解性COD比較分別提高了206.5%、5.4%和22.9%、2.0%,分別進(jìn)行12 h的厭氧消化處理后揮發(fā)性脂肪酸分別與空白對照組提高了589.4%和507.0%,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率分別提高了57.2%、51.4%和18.5%、17.3%。
城市污泥處理的好氧消化技術(shù)
好氧消化技術(shù)是活性污泥法的一種延續(xù),是通過鼓風(fēng)曝氣實現(xiàn)污泥自身氧化的一種污泥處理技術(shù)。
1 好氧消化的原理
污泥好氧消化是在城市污泥在不投加消化底物的條件下,對污泥進(jìn)行長時間的曝氣,將處于內(nèi)源呼吸階段的微生物進(jìn)行自身氧化,完成污泥的好氧消化和穩(wěn)定的過程。其細(xì)胞質(zhì)反應(yīng)方程如下:
C5H7NO2+ 7O2 ➞ 5CO2+ 3H2O + H++NO3-
在好氧消化過程中,氨氮被氧化成NO3-,堿度降低,需要維持反應(yīng)池中的pH在7左右,同時池內(nèi)溶解氧不低于2 mg/L。另外為保持污泥的懸浮狀態(tài),在保障攪拌功率的同時,污泥的含水率要維持在95%左右。
2 好氧消化的分類
城市污泥的好氧消化發(fā)展已有幾十年歷史,根據(jù)工藝的不同,主要經(jīng)歷了傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)、缺氧/好氧消化工藝(A/AD)、自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)等三個工藝發(fā)展階段。
(1)好氧消化工藝(CAD)
傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)根據(jù)進(jìn)泥的方式不同分為連續(xù)進(jìn)泥和間歇進(jìn)泥。間歇進(jìn)泥通過間歇操作實現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)泥濃縮池的作用。好氧消化的研究主要集中在對溫度、停留時間、曝氣攪拌條件以及污泥種類和初始進(jìn)泥濃度進(jìn)行了有機(jī)物(VSS)去除率和消化污泥的比氧攝取速率(SOUR)等污泥穩(wěn)定指標(biāo)的研究。
(2)缺氧/好氧消化工藝(A/AD)
在傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)中存在硝化反應(yīng)消耗反應(yīng)堿度的影響,研究形成了缺氧/好氧消化工藝(A/AD),即在傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)前段增加一個缺氧反應(yīng)區(qū)。同樣也存在間歇操作和連續(xù)操作兩種工藝,間歇操作通過間歇曝氣在單一反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)缺氧和好氧兩個工藝段,實現(xiàn)硝化和反硝化過程。連續(xù)操作分別設(shè)置缺氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器,通過內(nèi)回流的方式實現(xiàn)硝化反硝化過程的連續(xù)運(yùn)行。
(3)自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)
由于傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)、缺氧/好氧消化工藝(A/AD)反應(yīng)溫度低,對病原微生物的殺滅效果很差,在此基礎(chǔ)上自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)應(yīng)運(yùn)而生。在維持污泥濃度MLSS在40 ~ 60 g/L(或VSS至少25 g/L以上)的同時,反應(yīng)器采取密閉隔熱措施。并應(yīng)當(dāng)維持15%以上的氧轉(zhuǎn)移效率用以實現(xiàn)自熱。經(jīng)典的自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)采用間歇操作,設(shè)置2個反應(yīng)器以上的串聯(lián)裝置運(yùn)行。
3 好氧消化的研究方向
好氧消化需要曝氣供氧實現(xiàn),能耗較高,但由于操作簡單、運(yùn)行方便,限制應(yīng)用在小型污水處理廠。目前好氧消化的研究方向主要集中在自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)。
徐昌文等在污泥自熱高溫好氧消化研究中,通過投加消化處理后VSS去除率達(dá)到38%的消化污泥,按質(zhì)量比1:9的比例添加濃縮城市污泥,控制消化溫度55 ℃、2.0 L/h的曝氣量、攪拌強(qiáng)度為120 r/min,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過15 d后消化后VSS去除率達(dá)到38.5%,而未經(jīng)污泥反混的試驗去除率為33.4%。
紀(jì)月紅等改進(jìn)了高溫好氧消化工藝為“中溫厭氧+高溫好氧”工藝,其中中溫厭氧消化4 d,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過15 d試驗后兩項工藝的VSS去除率都能達(dá)到40%以上,污泥實現(xiàn)了穩(wěn)定化。但是從能耗考慮,“中溫厭氧+高溫好氧”工藝 優(yōu)于單純的高溫好氧消化處理。
污泥處置
城市污泥的處置通常把污水廠污泥的堆肥、填埋、干化和加熱處理及最終利用,稱為污泥的處置。
世界范圍看,目前,城市污泥的主要處理處置方式有土地填埋、投棄大海、焚燒和土地利用。各國根據(jù)本國的地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)措施、交通運(yùn)輸?shù)纫蛩卮_定不同的處置方式。但是,各種處置方法在實際應(yīng)用中都存在一定的優(yōu)點和局限性。
(1)衛(wèi)生填埋
衛(wèi)生填埋是將經(jīng)過簡單處理的城市生活污泥放置于經(jīng)過特殊處理建造的填埋場,是目前污泥處置的主要方法。在我國,衛(wèi)生填埋也是主要的處置方法。衛(wèi)生填埋場的污泥經(jīng)過長期的分解,可能發(fā)生滲漏現(xiàn)象,對地下水系造成污染。衛(wèi)生填埋同時埋掉了污泥中可回收再利用的成分,而且此法占用土地,適宜填埋的場所因城市生活污泥的大量產(chǎn)生而顯得越來越有限。由于滲濾液對地下水的潛在污染和城市用地的減少等原因,衛(wèi)生填埋的處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高,許多國家和地區(qū)甚至堅決反對新建填埋場。
(2)污泥焚燒
城市生活污泥中含有一定量的有機(jī)物質(zhì),可在高溫下燃燒為灰燼。但焚燒處置要求污泥達(dá)到較高的燃燒值,一般來講,低位發(fā)熱量小于 3300 kJ/kg 時不適宜焚燒處理;低位發(fā)熱量介于 3300~5000 kJ/kg 時適宜焚燒處理;低位發(fā)熱量大于 5000kJ/kg 時適宜焚燒處理并回收熱能。這種處置方法解決了污泥的出路問題,又可充分地利用污泥中的能量,而且不需要進(jìn)行無害化預(yù)處理。在國外,特別是西歐和日本已得到了廣泛的應(yīng)用,在日本,污泥焚燒處理已經(jīng)占污泥處理總量的 60%以上,歐盟也在 10%以上。在我國由于其一次性投資和處理成本大、焚燒煙氣需進(jìn)一步處理等問題而一直未得到廣泛應(yīng)用。此外,污泥中的重金屬和一些有害的揮發(fā)性物質(zhì)在燃燒過程會隨著煙塵的擴(kuò)散而污染空氣,易造成二次污染,而且焚燒法也燒掉了污泥中的可回收再利用部分。
(3)污泥投海
這是一種操作簡單而經(jīng)濟(jì)的處理方法,利用江河海洋消納城市生活垃圾和污泥一般不需進(jìn)行嚴(yán)格的無毒無害化處理,而且容量大。但這種方法只能是解決污泥污染問題的一種權(quán)宜之計,并沒有從根本上解決環(huán)境污染問題。污泥進(jìn)入水體后,其中的有害有毒物溶入水環(huán)境,導(dǎo)致水生環(huán)境惡化;另一方面,污泥經(jīng)長年累月進(jìn)入水體,其中的泥沙會致使河床碼頭淤塞。隨著生態(tài)環(huán)境意識的加強(qiáng),人們越來越多地關(guān)注污泥投海對海洋生態(tài)環(huán)境可能存在的影響。因此,該法已逐漸被各國禁止使用。
(4)土地利用
土地利用即將垃圾和污泥直接或經(jīng)堆肥化處理后作為一種有機(jī)肥料施用于土壤。該法處置容量大,資源化程度高,但若不合理施用也可能會對環(huán)境造成污染。土地利用越來越被認(rèn)為是一種積極、有效、有前途的垃圾和污泥處置方式。我國是一個發(fā)展中國家,又是一個農(nóng)業(yè)大國,相對于其它處置方式而言,城市生活垃圾和污泥的土地利用更符合我國的國情。
目前, 我國在各種污泥處置方法中, 農(nóng)用約占44. 8% , 陸地填埋約占31%, 其他處置約占10. 5%,另有大約13. 7%的城市污泥未經(jīng)任何處理便重新回到自然界中。污泥的農(nóng)田利用由于既能為作物提供營養(yǎng)成分、改良和培肥土壤,又能大量處理污泥,從而受到國內(nèi)外的普遍視,若將污泥加以利用,每年可得到價值相當(dāng)于9 500萬美元的商品化肥。以上幾種方法,焚燒法的技術(shù)與設(shè)備復(fù)雜,能耗大,投資高,并伴有大氣污染問題;填埋法受到用地的限制,且填埋場周圍的環(huán)境也會惡化;投海會污染海洋,對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈造成威脅,國際公約已明令禁止;用堆肥法處理后的城市污泥進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用,具有經(jīng)濟(jì)簡便、可資源化等優(yōu)點,但重金屬和病原菌、有機(jī)物等有毒有害污染物在土壤中的累積是污泥堆肥使用中的一個重大障礙。由于可持續(xù)發(fā)展的社會需求和政府的政策扶持,當(dāng)今固體廢物處理的重心已從污染控制轉(zhuǎn)向資源開發(fā)。近年來發(fā)達(dá)國家已就促進(jìn)厭氧消化進(jìn)程技術(shù)和污泥減量技術(shù)展開研究,污泥厭氧消化技術(shù)在許多國家得到廣泛應(yīng)用。沼氣作為可再生的清潔能源,既可替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源,也可替代煤炭等商品能源。發(fā)展沼氣是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分,對增加優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)、緩解國家能源壓力具有重大的現(xiàn)實意義,因此利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理這些廢棄生活污泥,不僅能緩解環(huán)境污染的問題,而且可以變廢為寶,因此充分利用污泥進(jìn)行沼氣發(fā)酵必然成為中國沼氣發(fā)展方向。
原標(biāo)題:污泥處理與處置最全解析 附贈污泥堆肥工藝流程