第二代汙泥厭氧處理工藝的開發

論文類別:工學論文 > 環境工程論文
論文作者: 王凱軍 王曉惠 吳冰
上傳時間:2006/3/5 16:26:00

摘要:本文對汙泥處理中的有關的理論問题進行了探討,討論了汙泥、水解和液化以及汙泥穩定性等概念。針對汙泥處理的目的性,首先从汙泥穩定化程度評價指标入手研究,對厭氧稳定性實驗、汙泥堿解實验和汙泥液化等實驗方法進行了深入的對比研究。提出液化實验這一簡單可行的汙泥穩定化(降解程度)指標的實驗方法。
  本文对根據我國城市汙水處理發展的現狀,提出應該重視汙水汙泥厭氧處理新工藝開發和城市汙水汙泥厭氧處理工藝落後於厭氧汙水處理工藝發展,甚至落後於工業廢水相關(汙泥處理)領域發展的論斷。通過對于厭氧處理工藝的綜述研究,認為汙泥厭氧工藝開發,应該將現有的相關成熟技術最大程度的集成和整合。研究集中突破整合過程中的技術難点和關鍵技術,從而提出了多級厭氧處理工藝。本研究在理論分析和實驗研究的基礎上,以城市汙泥為對象進行了多級厭氧消化工藝的實驗研究,並在工程上進行驗證。結果證實工藝是可行的,可使汙泥在較短的總停留時間(T=7d)達到穩定化。

關鍵詞:汙水汙泥 穩定性 厭氧和水解

  一、概述

  近年來,在國家財力有限的情況下,國家連續幾年發行国債加大基礎設施的投入。其中投入大量人力、物力和財力修建了城市汙水處理廠,在大量新建的城市汙水處理廠中,汙泥處理问題應該得到到足夠的重視。在汙泥處理技術中汙泥消化的投資高,汙泥處理費用約占汙水處理廠投資和運行費用的20-40%,並且汙泥消化處理技術較復雜。在我國仅有的十幾座汙泥消化池中,能够正常運行的為數不多,有些池子根本就沒有運行。所以,這導致近年來國內在中小型(甚至大型)汙水處理廠大多采用國外引進的延時氧化溝、SBR等工藝。延時是一种低負荷工藝,對於我國这樣一個資源不足、人口眾多的發展中國家,是否適合推廣這種低負荷的活性汙泥工藝是值得推敲的問題。

  首先,低負荷的池的池容和設備是中、高負荷活性汙泥工艺的幾倍,相應的投資要高幾倍;其次,延時對汙泥采用好氧穩定,能耗比中、高負荷活性汙泥工艺要高40~50%左右,延時增加了能耗一方面帶來了直接運行費的增加,同時還要增加間接投資;據資料報道目前每kW發电能力脫硫需要投資1000美元,則每萬噸延時汙水處理系統,增加電耗所需的脫硫投資要70萬元。如果按脱硫投資為電站投資10%計,則電廠增加投資為700萬元,這接近汙水處理單位投資的50%。從可持續發展角度講,大规模的采用延時的低負荷工藝是不適合中國國情的。

  所以,對汙泥的處理技術必須予以充分的重視,能否解決好汙泥問題是汙水凈化成功與否的決定性因素之一;另外,采用高效、低耗汙水處理工藝的關鍵之一是解決城市汙水廠汙泥處理技術,可以講在今後我國城市汙水工藝的技術進步,在很大程度上取決於汙泥處理和利用技術的進步。為了解決這一問題有必要加強汙泥處理與利用的研究。

  二、城市汙水汙泥的研究進展

  1、兩相消化理論

  目前世界各國在污泥處理的領域仍以汙泥消化工藝為主。消化工藝是在四、五十年代開發的成熟的汙泥處理工藝。英國在1977年調查的98个城市汙水處理廠中有73个建有汙泥消化池。美国建有汙泥消化池的汙水處理廠總数為4286個。歐美各國多數汙水處理廠都建有汙泥消化池。這種工藝水力停留時間長,一般停留時間的設計標準是20-30天。為防止短路和加熱,需設置攪拌和加溫設備。

  美國猶他大學Ghosh教授,從70年代開始了汙泥二相消化研究, 從微生物生長特點,生長動力學等方面從事了大量的研究, 在基礎研究的角度上,證明了二相工藝的優越性。但其采用的處理构築物仍然為傳統完全混合式的消化池,所以在停留時間, 減少投資等方面沒有取得突破性的進展。自從Ghosh等人提出二相消化工藝以來,国內外在這一領域進行了不少研究。我國廣州能源所、成都生物所、清華大學等地均在有機廢水和農業廢棄物方面進行了大量的工作,上海市政設計院也對城市汙水污泥的二相凈化作了大量研究。

  2、技術的发展

  在70年代末期各種新型工藝得到發展,例如濾池(AF),上流式汙泥床反應器(UASB)和流化床(FB)等。這些反應器的一個共同的特點是可將固體停留時间與水力停留時間相分离,使固體停留時間長達上百天。這使處理高濃度汙水的停留時間從過去的幾天或幾十天可以縮短到幾小时或幾天。美國的康萬尔大學Jewell教授利用接觸膜膨脹床(AFEFB)反應器處理含纖維素廢水時發現,該反應器處理纤維素固體基質只需傳統消化池5%的池容即可達到相同的處理效果。北京環保所王凱軍在改進的上流式汙泥床(水解池)處理城市汙水時,發現在水解池2-3h的停留時間下,在處理汙水的同時,被截留的汙泥50%以上得到了消化。因此,這一信息也許揭示了新的反應器在汙泥處理上的巨大潛力,也是汙泥處理工藝的發展方向。與汙水處理領域的进展相比較,汙泥領域的發展遠远地落後於工藝本身的發展进程。對於城市汙水汙泥的处理,如何將工藝的成果應用到汙泥處理領域是當前的主要課題。事實上,有理由認為從70年代後期研究者開發的各種新型的反應器,例如:UASB反應器、濾池、消化床等存在著巨大的開發潛力。其完全有可能成為處理汙泥新型反应器或其組成單元之一。

  3、相關領域的进展

  事實上,對於城市污水汙泥的處理,在技術迅速發展的今天,接觸工藝已不是先進的工藝。在工業廢水处理領域,近年來在高含悬浮物固體處理最為广泛的領域是酒精糟液的处理技術,南陽酒精廠COD濃度為25-30g/L,懸浮物濃度35g/L,pH4.5-5.0。采用兩個5000m3/d的消化池並聯运行,停留時間大約為10d。相當於負荷3.0kgCOD/m3.d,相當於懸浮物的负荷為2.0-3.0kgSS/m3.d。需要說明的是在城市需氣量較多时,酒精糟液不通過固液分離直接進入消化池,COD負荷為5-6kgCOD/m3.d。消化COD、BOD5和SS處理效率分別为75.6%、90.8% 和45.5%。

  汙泥中溫消化工艺的停留時間一般大於20d.(在20-30d的範圍)。相當於懸浮物負荷為1.0-1.5kgSS/m3.d,COD負荷最多為2.0kgCOD/m3.d。從酒糟廢液的處理能力和負荷而言,則大大高於城市汙泥消化工藝。從這個意義上講城市汙水汙泥的處理技術不但大大落後於處理技術的發展,而且还落後於工業廢水處理技術的發展。

  三、多級消化工藝

  1、新工藝的構思

  在對城市汙水汙泥特性和各種反應器了解的基礎上,借鑒國內外的研究結果和帶有共性的研究思路,新的城市汙水汙泥處理系统的思想是充分利用现有的成熟工藝的優點,將現有的成熟技術最大程度的整合,集中突破技術整合過程中的技術難點和關鍵。並將治汙、產氣、綜合利用三者相結合,使廢物資源化、環境效益與經濟效益和社會效益相統一。具體工藝的基本思想是分為如下三個處理階段。

  1) 第一級處理階段是液化和分離裝置

  第一級反應器應該具有將固體和液體状態的廢棄物部分液化(水解和酸化)的功能。其中液化的汙染物去UASB反應器(為第二級處理的一部分),固體部分根據需要進行進一步消化或直接脫水處理。可采用加温完全混合式反應器(CSTR)作為酸化反應器,采用CSTR反應器的優點是反應器采用完全混合式,由於不產氣可以采用不密封或不收集沼氣的反應器。

  2) 第二級處理階段

  第二級處理包括一個固液分離裝置,沒有液化的固體部分可采用機械或上流式中間分離裝置或設施。中間分離的主要功能是達到固液分離的目的,保证出水中懸浮物含量少,有機酸濃度高,為後續的UASB處理提供有利的條件。分離後的固體可被進一步幹化或堆肥並作為肥料或有機復合肥料的原料。

  3) 第三級處理阶段

  在第二階段的固液分離裝置應該去除大部分(80-90%)的懸浮物,使得汙泥轉變為簡單汙水。城市汙泥經CSTR反應器酸化後出水中含有高濃度VFA,需要有高負荷去除率的反應器作為產甲烷反應器。UASB反應器在處理進水穩定且懸浮物含量低的水有一定的優勢,而且UASB在世界範圍內的應用相當廣泛,已有很多的運行經驗。

  2、實驗流程

  CSTR反應器有效容积為20L,反應控制在恒溫和攪拌的條件下。物料在CSTR反應器中进行水解、酸化反應,反应器後接一上流式中間分離池(有效容積為5L),上流式中間分離池的作用是分離在CSTR反應器內產生的有機酸。采用UASB反應器出水回流洗脫方法。經液化後的水在UASB反應器內充分地降解,產气經水封後由轉子流量計測定產率,水則排到排水槽內,部分出水回流到中間分離池(圖1)。

  實驗采用分批投料,連續運行的方式,實验溫度保持在中溫35℃。实驗采用的汙泥為高碑店汙水處理廠的汙水污泥,其汙泥有機物含量較低VSS/TSS=45%。根據實驗的進展逐步改变運行條件,提高負荷率和縮短停留時間,並考察反應器的運行情況。在穩定条件下重點考察兩組實驗条件,即:CSTR=10d,中間分離池=1d,UASB=1d;另一組為:CSTR=5d,沈澱回流池=1d,UASB=1d。

  3、結果與討論

  由於汙泥消化過程汙泥培養階段耗時较長,在啟動的初期的監測數據沒有實際的意義。整個過程的各個反應器的停留時間和有机負荷的變化見圖2。從停留时間和有機負荷提高的情況來看,酸化池的有機負荷最終提高到15kgCOD/m3.d。而UASB的負荷穩定在5kgCOD/m3.d。

  在整個運行運行期間,作為最終出水UASB反應器的COD和SS去除率和出水浓度與反應器的停留时間有著密切地聯系(圖3a)。當總停留時間(T)為7d時,COD的去除率在85%左右,SS的去除率在80~85%之間;而當T=12d時,COD及SS去除率一直保持在95%以上。

  由圖3b可見,CSTR的HRT=5d時,CODd/CODt在35~40%左右,汙泥液化效果明顯;而當HRT=10d時,由於停留時間較長, CODd/CODt在55%以上。说明停留時間對汙泥的液化效果影響很大。實驗開始测定了汙泥樣品溶解性CODd值,進水CODd/CODt的比例為8.1%左右。從上面讨論可見,汙泥在CSTR反應器中停留10d時,其进一步水解COD占總COD的50%,而當停留時間為5d时,水解COD的比例占總COD的30%左右。對比汙泥稳定性指標,與消化工艺對比可知CSTR池停留時間HRT=5d,經過水解的污泥就可以達到相當的穩定化。因此,在以後的生產性实驗中,取CSTR反應器的HRT=5d。

  然而由圖4a可見,VFA上升比例相對不高。進水中CODv/CODt的比例在7%左右;經5d液化後,CODv/CODt在25%左右,經10d液化,比例降到在20%以下。表明當CSTR反應器的停留時間延长,發生甲烷化反應。在最终UASB反應器中,主要在產甲烷階段进行,CODv/CODd回落至5%左右。

  由圖4b可見,雖然兩組實驗的停留时間和負荷各不相同,但從實驗的結果來看UASB的去除效率卻基本相同,VFA的去除率為90%左右,對COD的去除率為83%左右。VFA的去除效率較好,產酸相產生的揮发酸基本在反應器中得到降解。COD的去除率不如VFA,這是因為UASB進水中,除了VFA外,還有一部分不溶性COD尚未水解為可溶性COD,這部分COD沒有在反應器中得到去除。

  5、新工藝的生產性應用

  目前,工業廢水和小型生活汙水處理廠,普遍采用對好氧剩余汙泥直接脫水的方法處理汙泥。剩余活性汙泥存在著耗藥量大,脫水比較困難的缺點。北京市中日友好醫院汙水處理廠日處理水量為2000m3/d,原污泥的處置方案為活性污泥經濃縮後,運至城市汙水污水處理廠消納,但在實際运行過程中經常出現由於汙泥無穩定出路,而影響汙水处理廠運轉的情況。為了使活性汙泥得到穩定的處置,實際工程中采用的一體化設備如圖5所示,各反應器的停留時間分別為:

反應器 汙泥酸化池 中間分離池 UASB反應器
停留时間(d) 5 1 1

  二沈池排出的剩余汙泥首先排入汙泥酸化池进行水解酸化處理,然後進入中间分離池,該池排出的上清液進入UASB反應器,進行高濃度、低懸浮物有機廢水的降解;從中間分離池排出的汙泥经測定已基本穩定化,汙泥量較常規处理減少了三分之二,脫水性能大大改善;而且病菌和虫卵殺滅率達到99.99%,完全符合國家關於醫院汙水廠污水汙泥無害化標準,從而徹底解決汙泥消納的問題。

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  四、結論

  本文根據我國城市汙水處理發展的现狀,提出應該重視汙水汙泥處理新工藝開發和城市汙水汙泥处理工藝落後於汙水處理工藝發展,甚至落後於工業廢水相關(汙泥處理)領域發展的論斷。通過對于處理工藝的綜述研究,认為汙泥工藝開發,應該將現有的相關成熟技術最大程度的集成和整合。研究集中突破整合過程中的技術難點和關鍵技術,從而提出了多級處理工藝。本研究在理論分析和實驗研究的基礎上,以城市汙泥为對象進行了多級消化工藝的實驗研究,並在工程上進行驗證。结果證實工藝是可行的,可使污泥在較短的總停留時間(T=7d)達到穩定化。

  

參考文獻

  1) Sam Ghose(1991),Pilot-scale demonstration of two-phase anaerobic digestion of activated sludge. Wat. Sci. Tech. Vol.23,pp.1179-1188

  2) Wang Kaijun(1994) Integrated Anaerobic and Aerobic Treatment of Sewage, Ph. D thesis, Wageningen Agricultural University, the Netherlands

  3) Huang Ju-Chang, Bill T. Ray and Huang Yaojiang(1989),Accelerated Sludge Digestion by Anaerobic Fluidized Beds: Bench-scale Study, In: Proc. Int. Conf. Water and Wastewater, pp.628

  4) 王凯軍(1996),城市汙水處理工艺與其中汙泥穩定化問題研究,第四屆海峽兩岸環境研讨會,pp.21

  5) 王凱軍等(1998),第二代汙泥消化工藝研究,北京市环境保護科學研究院,研究報告

  6) 吳冰(1997),多級工藝處理含高懸浮固體廢水,北京礦業大学研究生院,碩士論文

  7) 申立贤(1983),應用上流式汙泥床反應器處理酒精、溶剂糟液,北京市環境保護科學研究所,研究報告

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