污泥穩(wěn)定化處理與資源化技術(shù)生產(chǎn)性研究

污泥穩(wěn)定化處理與資源化技術(shù)生產(chǎn)性研究

摘要污泥穩(wěn)定化處理與資源化技術(shù)生產(chǎn)性研究，目的是開發(fā)高效低耗的城市污水處理廠污泥的減容化、穩(wěn)定化、無害化、資源化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物能的綜合利用及有效回收。

關(guān)鍵詞穩(wěn)定化處理資源化技術(shù)

1概述

污泥穩(wěn)定化處理與資源化技術(shù)生產(chǎn)性研究，目的是開發(fā)高效低耗的城市污水處理廠污泥的減容化、穩(wěn)定化、無害化、資源化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物能的綜合利用及有效回收。主要內(nèi)容有以下四個(gè)方面：

污泥厭氧消化是解決污泥穩(wěn)定和污泥減容的最佳途徑，通過提高消化池進(jìn)泥濃度降低了消化池體積，減省了加熱、攪拌消耗的能量，通過最佳運(yùn)行參數(shù)的探索，提高了有機(jī)物去除率和產(chǎn)氣率，實(shí)現(xiàn)了高效低耗的目標(biāo)；

兩相厭氧技術(shù)采用酸化和產(chǎn)甲烷段分開，高溫酸化，中溫產(chǎn)甲烷的技術(shù)路線，停留時(shí)間較常規(guī)厭氧消化減少40%，其處理效果與常規(guī)厭氧相近，可以明顯節(jié)省工程投資；

厭氧產(chǎn)生的沼氣通過沼氣利用系統(tǒng)可以最大限度回收利用生物能，實(shí)現(xiàn)污水廠部分能量自給，解決了沼氣脫硫的技術(shù)關(guān)鍵，建成了沼氣驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、余熱回收、沼氣鍋爐污泥加熱的整體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沼氣生物能的最大回收；

污泥無害化處理，解決了好氧高溫發(fā)酵制肥料的靜態(tài)裝置和工藝技術(shù)，另外采用燃?xì)饧t外線烘干污泥，可以有效殺滅蟲卵，實(shí)現(xiàn)無害化。

以上幾項(xiàng)技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了污泥高效減容、無害、沼氣最大限度回收用于補(bǔ)充污水處理廠能量消耗的目標(biāo)。消化污泥經(jīng)高溫堆肥或烘干可以滿足衛(wèi)生指示，在重金屬不超標(biāo)情況下，可安全用于農(nóng)業(yè)，其公效明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。實(shí)現(xiàn)了污水處理的良好生態(tài)循環(huán)。

2污泥高效厭氧消化技術(shù)

生產(chǎn)性試驗(yàn)是通過對(duì)天津市東郊日處理40萬噸的污水處理廠立方米中溫污泥消化池進(jìn)行的，結(jié)論意見為：

對(duì)該廠剩余活性污泥、一沉混合污泥、濃縮污泥、一級(jí)消化污泥、二級(jí)消化污泥、脫水污泥共計(jì)42個(gè)項(xiàng)目的化驗(yàn)分析，及對(duì)近幾年東郊污水處理廠污泥化驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，其結(jié)果認(rèn)為，天津市東郊污水處理廠污泥具有我國大城市污水污泥的典型性和代表性，它為低有機(jī)份、低脂肪、高碳水化合物污泥。具體指標(biāo)為：濃縮污泥有機(jī)份年平均值為%，與歐美國家70～80%的有機(jī)份相比少得多。有機(jī)份中碳水化合物僅占50%，脂肪占10%，與歐美國家正好相反，這種低脂肪、高碳水化合物污泥屬產(chǎn)氣量少、沼氣中甲烷含量低的污泥。

為了研究污泥厭氧消化過程中有機(jī)物的降解規(guī)律，平行進(jìn)行了兩組規(guī)模為10升/池的污泥中溫(35±2℃)厭氧消化模擬小試。小試仍以天津市東郊污水處理廠濃縮池出泥為試驗(yàn)?zāi)鄻?，一次投泥，連續(xù)攪拌運(yùn)行。運(yùn)行19天時(shí)，有機(jī)分解率為%已趨于穩(wěn)定。通過對(duì)小試試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出：

①濃縮后污泥有機(jī)分解率在%時(shí)，理論產(chǎn)沼氣量為～氣m3泥。

②在干泥中有機(jī)成分的比例為：

碳水化合物:脂肪:蛋白質(zhì)＝:1:～

理論上分解1克有機(jī)物產(chǎn)沼氣量為825mL／gvss左右；

③經(jīng)試驗(yàn)分析，各有機(jī)物的產(chǎn)氣量為：

碳水化合物產(chǎn)44～48%

脂肪產(chǎn)21～23%

蛋白質(zhì)產(chǎn)30～33%；

以天津市東郊污水處理廠2#消化池及其相應(yīng)的設(shè)備、裝置、儀表為試驗(yàn)設(shè)施，以濃縮池出泥為試驗(yàn)用泥樣，在保持泥含水率、pH值、酸堿度、碳氮比、重金屬等原有特性的情況下，按照污泥消化溫度、污泥投配率、沼氣攪拌間隔、投泥間隔的不同，做了4組生產(chǎn)性試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果的分析及近幾年來實(shí)際運(yùn)行狀況的總結(jié)，得出東郊污水處理廠污泥中溫消化穩(wěn)定運(yùn)行的最佳工藝參數(shù)為：

pH值：～；

含水率：～%；

消化溫度：35±2℃；

消化時(shí)間：不低于天；

攪拌：連續(xù)沼氣攪拌，攪拌強(qiáng)度lm3／m2／h；

有機(jī)投配負(fù)荷：～kg／。

攪拌方式是影響產(chǎn)氣率的重要因素，為此，以正在運(yùn)行中的消化池為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了大型的示蹤劑動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的生產(chǎn)試試驗(yàn)。在研究中參考化學(xué)工程理論，應(yīng)用LevenspieL化學(xué)工程反應(yīng)器混合模型，推導(dǎo)了污泥消化池污泥混合效果的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

1n＝t／ta＋Ln[(v1V／V2)／ta]

經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出：

當(dāng)投泥量為600m3／d時(shí)，該消化池的平均水力停留時(shí)間約為12天，池內(nèi)死容積約占總?cè)莘e的28%，池內(nèi)短流率占活區(qū)總流率的39%。

這樣的試驗(yàn)結(jié)果與國外運(yùn)行比較好的消化池大體相當(dāng)，進(jìn)而說明，東郊污水處理廠消化池采用的管束式沼氣攪拌方式攪拌效果比較理想，能夠在池內(nèi)大部分區(qū)域達(dá)到均勻攪拌。

降低消化池進(jìn)泥的含水率是降低運(yùn)行成本，提高產(chǎn)氣率的關(guān)鍵。為此本課題組對(duì)東郊污水處理廠的剩余活性污泥、混合污泥、初沉生污泥進(jìn)行了重力濃縮試驗(yàn)，并對(duì)剩余活性污泥進(jìn)行了氣浮濃縮試驗(yàn)。通過污泥的濃縮試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際的考察，剩余活性污泥重力濃縮和氣浮濃縮均取得了較好的小試效果。但是剩余污泥與初沉污泥分別進(jìn)行單獨(dú)濃縮，不但要增加處理設(shè)施，而且初沉污泥流動(dòng)性差，易堵塞，也不宜單獨(dú)處理。而將剩余活性污泥回流到初沉池，不但可提高初沉池的處理效率，使初沉池底流含水率提高到98%，具有較好的流動(dòng)性，不易堵塞，濃縮池的底流含水率也達(dá)到95%，達(dá)到了污泥消化所需要的含水率。

污泥厭氧消化的進(jìn)泥濃度由30g／L提高到50g／L，可以減少消化池約40%的體積。采用剩余污泥回流至一沉池，由一沉池排泥至濃縮池的運(yùn)行方式，合理設(shè)置濃縮時(shí)間，濃縮池排泥濃度可達(dá)50g／L，可省去一般機(jī)械濃縮方法簡便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；獲得了消化池運(yùn)行的最佳工況，在最佳工藝條件下，消化池運(yùn)行的效率參數(shù)為：

產(chǎn)氣率：～m3氣／m3泥；

分解單位重量有機(jī)物產(chǎn)氣量：～／kg·vss，與理論產(chǎn)沼氣量／kg·vss相比，達(dá)到了理論產(chǎn)沼氣量的～％；

有機(jī)分解率：～%；

沼氣組成：甲烷含量達(dá)～%。

其結(jié)果達(dá)到了合同規(guī)定的“在不增加基建投資和運(yùn)行費(fèi)用”情況下，達(dá)到理論產(chǎn)沼量的80%”的要求。

對(duì)重金屬影響的評(píng)價(jià)

①濃縮污泥中各種重金屬的含量基本上還沒有達(dá)到對(duì)厭氧消化產(chǎn)生抑制作用的濃度。

②消化后的污泥與農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)比較，重金屬中，除鉛以外，都嚴(yán)重超標(biāo)，鎳的含量與標(biāo)準(zhǔn)值非常接近，脫水后不適于采用堆肥處理。

3污泥兩相厭氧消化技術(shù)的生產(chǎn)性研究

將“八五”國家科技攻關(guān)中試成果應(yīng)用于上海石化水質(zhì)凈化廠的消化池的改建工作中，在生產(chǎn)性裝置上重點(diǎn)研究污泥兩相厭氧消化工藝和消化池污泥射流攪拌技術(shù)，獲得優(yōu)化工藝及運(yùn)行參數(shù)。

①將原有的二級(jí)消化改造成加熱和一級(jí)消化，而二級(jí)消化以沉淀分離為主。

②采用污泥兩相厭氧消化工藝，在平行的運(yùn)行條件下，分析比較了污泥射流沼氣攪拌和普通的泵循環(huán)攪拌對(duì)污泥消化系統(tǒng)處理效果的影響。

攪拌方式的影響：污泥射流沼氣攪拌較泵循環(huán)攪拌：VS去除率提高l0～%，產(chǎn)氣率提高～%，COD去除率也有不同程度的提高。

攪拌強(qiáng)度對(duì)消化效果及產(chǎn)氣率的影響：試驗(yàn)確定了最佳攪拌強(qiáng)度，在此工況下VS去除率可達(dá)%，產(chǎn)氣率／kgVS去除，采用泵循環(huán)VS去除率%，產(chǎn)氣率／kgVS去除。

運(yùn)行穩(wěn)定性比較：污泥射流沼氣攪拌時(shí)，加強(qiáng)了沼氣泡的聚并，上升和向空中釋放，使酸性氣體CO2少留存于消化液中，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性更強(qiáng)。

4污泥生物能綜合利用技術(shù)

借鑒國內(nèi)外同類工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)青島海泊河污水處理廠的沼氣脫硫系統(tǒng)、沼氣儲(chǔ)罐、消化池進(jìn)行了技術(shù)改造，為測定生物能綜合利用系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在生物能綜合利用系統(tǒng)安裝了部分儀表，購置了專用測試儀器。對(duì)生物能綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行了檢修，更換了沼氣鼓風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，為試驗(yàn)測試奠定了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。進(jìn)行了二年多的測試工作。為生物能綜合利用系統(tǒng)的綜合分析提供了大量寶貴的測試數(shù)據(jù)。其結(jié)論為：

沼氣組分對(duì)利用系統(tǒng)的影響

研究證明進(jìn)水中有機(jī)物種類的比例是決定沼氣含量的主要因素，同時(shí)與有機(jī)物去除率有關(guān)。沼氣是一種混合氣體，同時(shí)還含有水份、懸浮物，在應(yīng)用之前需對(duì)沼氣進(jìn)行凈化，去除水份、懸浮物、H2S、并在系統(tǒng)中設(shè)置儲(chǔ)氣柜、火炬、燃燒速率是評(píng)價(jià)沼氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，此值決定于利用系統(tǒng)的效率。

沼氣脫硫系統(tǒng)

采用干式脫硫系統(tǒng)，研究了溫度、濕度、沼氣結(jié)露、壓力損失、硫容、空速對(duì)脫硫的影響，其結(jié)果為：

沼氣進(jìn)脫硫塔前，必須脫除其中的液態(tài)水，防止液態(tài)水在塔內(nèi)積累。

溫度對(duì)脫硫的影響顯著，沼氣氧化鐵干法脫硫的運(yùn)行溫度在28～40℃之間最佳。

使脫硫塔內(nèi)沼氣含水率為飽和含水率的80%，可提高脫硫效果。

沼氣脫硫塔壓降與沼氣流量呈線性關(guān)系，且隨運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)而增加。

當(dāng)脫硫塔進(jìn)口沼氣[H2S]=10～20mdL，空速為20h-l，可將[H2S]去除到／L；空速為30h-l，可將[H2S]去除到～／L，空速為60h-1，可將[H2S]去除到1～5mg／L。

本次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，脫硫劑硫容可達(dá)30%。

沼氣鍋爐熱能平衡

通過對(duì)鍋爐進(jìn)出水溫度、流量和消耗的沼氣量進(jìn)行測試，其熱效率為：

以沼氣為燃料，沼氣鍋爐的熱效率為50～90%；

額定燃?xì)饬繛?00m3／h的沼氣鍋爐:當(dāng)燃沼氣量小于300m3／h時(shí)，沼氣鍋爐的熱效率為50～80%；當(dāng)燃沼氣量大于300m3／h時(shí)，沼氣鍋爐的熱效率為80～90%；

沼氣鍋爐出水溫度在40～55℃。

沼氣驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)熱能平衡

沼氣驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)是生物能利用系統(tǒng)的核心，為使沼氣最大限度被利用，沼氣驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)有冷卻水回收和煙氣回收裝置，回收余熱用于消化池污泥加熱，使沼氣熱能利用率大于70%。

通過青島海泊河水處理廠沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的測試結(jié)果表明，在污水處理廠處理污水的同時(shí)，對(duì)所獲得的副產(chǎn)品――沼氣進(jìn)行廣泛的研究利用是大勢所趨，就可做為污水處理電耗的補(bǔ)充，降低的運(yùn)行、管理費(fèi)用。

海泊河污水廠沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)沼氣用量為134m3／h，綜合熱效率%，其中發(fā)動(dòng)機(jī)熱能利用率%，冷卻水吸收能量占%，廢氣熱回收率%。按每套機(jī)組正常連續(xù)運(yùn)行，可回收電量2146×103kWh／a，回收費(fèi)用約107萬元／a。利用余熱提高污泥溫度可節(jié)省耗煤量4236t／a，并可向曝氣池內(nèi)供應(yīng)氧氣2203m3／h。

沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的余熱要充分利用，首先要使整個(gè)系統(tǒng)形成閉路運(yùn)行。就是從廢氣熱交換器的出水熱量與消化污泥的需熱量達(dá)到平衡，在夏季可不采取再加熱就可去消化段加熱污泥:在出現(xiàn)故障或冬季時(shí)，可采用煤鍋爐或沼氣鍋爐提高水溫，這才能有效地利用熱源，使之體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和合理性。

污泥生物能綜合利用探索出了影響脫硫效果的幾個(gè)因素，合理控制這些因素可以提高脫硫效果，獲得了沼氣利用系統(tǒng)的熱平衡參數(shù)，為正確指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和污水廠運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。熱回收價(jià)值分析見表1、表2。表1回收價(jià)值分析

沼氣熱值

21509KJ／Nm3

發(fā)動(dòng)機(jī)用氣量

134m3／h

沼氣含熱量3054278KJ／h

機(jī)械轉(zhuǎn)換率

%

熱能消耗

KJ／h

折合電量

245kWh／h×24h＝5880kWh／d

年累計(jì)節(jié)電

5880kWh／d×365d＝2146×103kWh／a

電費(fèi)

元kWh

合計(jì)價(jià)值

元kWh×2146×103kWh＝萬元／年表2污泥干化前后植物養(yǎng)分含量

循環(huán)水量

m3／h

水溫變化范圍

42～56℃

水獲熱量

m3／h×1000kg×KJ／kg·℃×14℃＝1717425KJ／h

燃煤種類

煙煤

燃煤熱值

5000KJ／kg

燃燒效率

70%，熱值5000KJ／kg×70%＝3500KJ／kg

折合煤耗

1717425KJ／h／3500KJ／kg＝490kg／h

月計(jì)節(jié)煤量

T／h×24×30＝353T／月

年計(jì)節(jié)煤量

353T／月×12＝4236T／年

燃煤價(jià)格

200元／T

月回收價(jià)值

萬元

年回收價(jià)值

萬元

5污泥顆粒肥高溫干燥技術(shù)

脫水后污泥經(jīng)過污泥顆粒成型機(jī)成形，用燃?xì)飧G爐烘干，使污泥含水率10%左右，烘干時(shí)間約30分鐘，可以殺滅絕大部分蛔蟲卵、大腸桿菌、無害化處置周期比好氧堆肥技術(shù)縮短幾十倍，完全滿足考核指標(biāo)縮短10%～20%的要求。

污泥經(jīng)燃?xì)饧t外干化爐窯干處理后，得到的污泥產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)：

氮、磷、鉀的含量沒有減少，有機(jī)物含量與干化前相比也沒有什么變化，污泥產(chǎn)品在干化后完全達(dá)到保持原來肥效的目的；

污泥中大腸桿菌、蛔蟲卵已完全殺死，霉菌等微生物總量也得到了控制，說明污泥產(chǎn)品已達(dá)到了衛(wèi)生上無害化、穩(wěn)定化的目的；

污泥在干化前后，重金屬含量沒有發(fā)生變化，對(duì)重金屬含量較低的城市污水廠污泥而言，污泥產(chǎn)品可用于農(nóng)田作物及園林綠化；

污泥產(chǎn)品便于運(yùn)輸、貯存、便于生產(chǎn)上使用。

6利用城市污泥生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合

污泥的高效綜合農(nóng)業(yè)利用

以海泊河污水處理廠的消化后污泥，曬干后經(jīng)配方稱料混勻后，采用圓鼓滾動(dòng)和圓盤造粒法制作復(fù)混肥，該方法的粘結(jié)機(jī)理是依賴強(qiáng)壓下的化學(xué)鍵和范得華引力，使物料升值，在陳化冷卻過程中散發(fā)一些水分，然后進(jìn)行包裝，應(yīng)用此有機(jī)復(fù)合肥分別進(jìn)行了有機(jī)污染和病原物傳播、重金屬污泥土壤的研究，對(duì)多種農(nóng)作物的能效試驗(yàn)，重金屬以作物果實(shí)的污染指數(shù)等試驗(yàn)研究，獲得了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，為全面評(píng)價(jià)污泥的肥份及副作用提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。為污泥的農(nóng)業(yè)利用提供了依據(jù)。

(1)污泥中重金屬對(duì)農(nóng)用的影響

污泥中含有的重金屬鋅含量約3000mg／kg干污泥，超過國家農(nóng)用污泥控制標(biāo)準(zhǔn)，其余各重金屬元素的含量均在國標(biāo)要求范圍內(nèi)。

污泥中的重金屬主要以可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)五中形態(tài)存在。其中，前三種為不穩(wěn)定態(tài)，后兩種為穩(wěn)定態(tài)。污泥中鋅和鎳主要以不穩(wěn)定態(tài)的形式存在，銅主要以硫化物及有機(jī)結(jié)合態(tài)存在，汞、鎘、砷、鉻、鉛等毒性大的金屬元素主要以殘?jiān)嬖凇Ｖ亟饘俚倪@種分布特征對(duì)污泥農(nóng)用比較有利。

S2-離子對(duì)重金屬的穩(wěn)定有一定作用。向污泥中投加SO42-，能促進(jìn)不穩(wěn)定態(tài)的重金屬的消化過程中向穩(wěn)定的硫化物的轉(zhuǎn)化，從而提高其穩(wěn)定性，穩(wěn)定率分別提高到鋅：39%、銅：100%、鎳：33%、鉻：70%、汞：100%、鉛：100%、砷：100%。

60天的淋溶試驗(yàn)表明：該廠污泥中重金屬的返溶率很低，淋溶出水中重金屬濃度遠(yuǎn)低于國家固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，土地施用時(shí)不會(huì)造成重金屬污染。

一般作物為施污泥混肥100kg，隨施肥進(jìn)入土壤的污泥只有50kg左右，僅占耕層土重的%，在本污泥重金屬元素含量就不超標(biāo)的情況下，施工用量又很小，土壤不會(huì)因此而受污染。對(duì)小麥和甘蘭施用污泥復(fù)混肥土壤的測定結(jié)果表明，二種作物、土壤8種重金屬元素含量不僅沒有超標(biāo)，而且單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)都遠(yuǎn)小于污染起始值1，與施用雞糞復(fù)混肥和對(duì)照區(qū)的土壤污染指數(shù)幾乎無差異。

(2)污泥肥效

污泥中有機(jī)質(zhì)含量為48～60%，氮、磷、鉀三要素含量為33%、15%、%。是一種很好的農(nóng)肥資源，通過對(duì)6種作物的栽培試驗(yàn)，不同作物施用污泥復(fù)混肥都有明顯的增產(chǎn)作用，其效果大，小順序?yàn)椋捍蟀撞耍居衩祝净ㄉ拘←湥靖侍m＞辣椒；從3種不同復(fù)混肥的增產(chǎn)效果來看，污泥復(fù)混肥優(yōu)于無機(jī)復(fù)混肥，玉米、花生、小麥和大白菜4種作物平均增產(chǎn)%，增幅%～%，與雞糞復(fù)混肥的增產(chǎn)效果互有高低，二者基本持平。

采用燃?xì)饧t外窯烘干污泥具有投資省，衛(wèi)生指標(biāo)好，經(jīng)過改進(jìn)后便于在污水廠推廣使用，污泥干化前后植物養(yǎng)分與病原體及微生物總量對(duì)照，見表3、表4。表3污泥干化前后植物養(yǎng)分含量

類別

N

P

K

有機(jī)物

風(fēng)干泥

干化泥

表4污泥干化前后病原體及微生物總量

污泥種類

大腸桿菌

蛔蟲卵

細(xì)菌(cfu/g干泥)

放線菌(cfu／g干泥)

霉菌

脫水進(jìn)泥

×106

281

×109

×104

×105

干化爐窯出泥(干化爐溫200～250℃)

0

0

190

20

230

利用城市污泥生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合肥

將深圳市某污水處理廠的脫水污泥與干污