德国污泥厌氧稳定工艺的基础

德国污泥厌氧稳定工艺的基础Dr.M.Schröder博士Tuttahs&Meyer水、废水和废物工程设计有限公司,亚琛,德国姚刚博士联邦德国亚琛工业大学环境工程系摘要：本文主要论述了分建式污泥厌氧稳定工艺（消化）的最佳可利用技术。在阐述污水厂处理工艺流程之后，讨论了传统的和改进的工艺步骤，例如污泥分解工艺和过程水的处理。此外，重点比较了污泥的厌氧消化工艺与活性污泥法中同步污泥好氧稳定工艺对整个污水处理过程产生的影响。本文还重点论述了从污泥气（消化气/沼气）的利用到氢气利用的技术革新的各种可能性。最后，论文提出一些经济性的建议。关键词：好氧的，厌氧的，污泥稳定，厌氧消化池，经济，能量Basisoftheseparateanaerobicsludgestabilisationprocess(“Digestion”)inGermanyDr.-Ing.M.SchröderTUTTAHS&MEYERGmbH,Aachen,GermanyDr.-Ing.YaoGang(RWTHAachenUniversity,Germany)Abstract:Thearticlefocusesonthebestavailabletechnologyfortheseparateanaerobicsludgestabilisationprocess(“digestion”).Followingtheoperationprocedureofatreatmentplant,theclassicalaswellastheinnovativeprocessstages,suchasdisintegrationandprocesswatertreatment,arediscussed.Furthermore,theimpactofthedigestionstageontheentirewaterwayofawastewatertreatmentplantincomparisontothesimultaneousaero-bicsludgestabilisationintheactivatedsludgeprocessishighlighted.Anotherimportantas-pectistheoutlineofpossibilitiesfromdigestergasutilisationtoinnovativehydrogentech-nologies.Concluding,thearticleconsiderssomeeconomicaspects.Keywords:Aerobic,Anaerobic,Sludgestabilisation,Digester,Economy,Energy11前言在污水处理过程中不仅产生来自机械处理级段（格栅、沉砂/除油池）的剩余物，更主要产生污泥。为了保障污泥的处置，必须根据计划的处置途径对污泥进行深度处理。污泥稳定是其中最实质性的一个处理环节。污泥稳定是指将溶解性的和颗粒有机物转化成无机物或很难进一步降解的有机物的工艺。污泥稳定分为好氧稳定和厌氧稳定（厌氧消化）。污泥稳定工艺的选择并不取决于法规的要求，而主要是取决于其经济性，污泥稳定工艺的经济性与可供采用的污泥处置途径的要求相关。本文将给出一些来源于分建式污泥的厌氧稳定工艺实践的重要启示。在本书给定的框架内几乎不可能就此课题展开全面的讨论。2污泥的好氧稳定-污泥的厌氧稳定为了能进行经济性比较，必须考察各种污泥处理工艺流程对整个污水处理厂产生的影响。如果要建造污泥的好氧处理，那么在德国仅乎只采用在活性污泥曝气池内进行同步污泥稳定。这类活性污泥曝气池的池容积不是取决于根据碳、氮和磷的去除率计算的结果，而是取决于泥龄。如果只进行硝化，活性污泥的BOD5－污龄≥20天，如果还要进行反硝化，BOD5－污龄≥25天。因此这类活性污泥曝气池容积明显大于只进行污水处理的曝气池容积。此外如果选用同步污泥好氧稳定工艺，一般不能设初沉池（通过初沉池可以进一步减少曝气池的容积），因为无法对初沉污泥进行合理的处置。图1给出了同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺和分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺的流程图。1图1:同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺和分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺流程图同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺活性污泥曝气池二沉池格栅沉砂池初次浓缩池稀污泥处置活性污泥曝气池二沉池格栅沉砂池初次浓缩剩余污泥机械浓缩污泥厌氧消化池二次浓缩污泥机械脱水填埋焚烧工业初沉池23分建式污泥厌氧稳定工艺的目的污泥稳定的一个主要目的是尽可能地减少能形成臭味的物质和有机污泥的量。当采用分建式污泥厌氧稳定工艺时，通过将有机物转化成气体（污泥气/消化气/沼气）来实现这一主要目的。初沉污泥与剩余污泥的混合物中有机物和无机物的比例大约为1.8:1，即大约65%的有机干固体和35%的无机干固体。由于有机固体物转化成污泥气，厌氧消化后的污泥中的这一比例减小到1:1或更小（见图2）。污泥上清液污泥气〔消化气/沼气〕＋消化污泥生污泥TS/(E⋅d)∶干固体/(人⋅天)GV＝灼烧减量（有机物质），GR＝灼烧残量（矿物质）图2:经过厌氧消化后污泥中固体物质的变化4分建式污泥厌氧稳定的工艺流程4.1概述分建式污泥厌氧稳定工艺的主要组成如下：••••••生污泥的排泥设施生污泥的浓缩池厌氧消化池二次浓缩池污泥机械脱水在污水厂进干化和焚烧（可选）3除了这些传统的处理步骤之外，其它的一些处理方法可能是有意义的。这里特别提一下污泥的分裂方法，通过污泥的分裂处理可以提高产气率，从而进一步减少污泥量。当然，污泥分裂工艺部分尚处在发展中，常常还不能经济地应用。此外，要注意来自污泥浓缩和脱水处理步骤中所谓的过程水对污水处理厂产生的回流负荷。根据污水厂设计处理能力的利用率和过程水的负荷量，可以设置过程水贮存池－－来投加回流的非连续产生的过程水－－或者甚至设置单独的过程水处理设施。4.2生污泥的产量采用分建式污泥厌氧稳定工艺的污水厂一般建有初沉工艺和曝气工艺系统。相应地产生两种污泥：初沉污泥和剩余污泥。两种污泥的区别主要在于其含水率。初沉污泥的含水率一般在96－98%（视其在初沉池停留时间而定），从回流污泥系统中排出的剩余污泥的含水率大于99%。污泥的含水率主要取决于排泥方式。在排出剩余污泥时尤其应注意，从二沉池排出的底泥/回流污泥是经过足够浓缩的。4.3生污泥的浓缩生污泥的固体含量直接关系到厌氧消化池的池容大小。因此生污泥浓缩的目的是要提高其中固体物质的含量。比较合适的固体含量（TR）大于4%，最佳值在5%和7%之间。固体含量大于7%时会有问题，因为相应的机械设备（泵、搅拌机）的功能会受到不利的影响。初沉污泥和剩余污泥应总是分别排放并分开进行浓缩。初沉污泥可以采用简单的重力浓缩池进行浓缩，剩余污泥应采用机械浓缩。必须根据具体情况，经过经济可行性研究后，确定采用何种现有的机械设备（离心机、带式浓缩机、转筒筛等）。4.4分裂工艺当采用分裂工艺时，借助机械、热、化学或生物机械方法将污泥的结构打碎，直到生物细胞被分解，这时细胞内的物质释放出来（高能方法）。原则上有一系列方法可供使用（见图3）。分裂方法可以用在污泥处理过程中的不同的环节，这里要注意，不是每一种方法都能合理地用在各个处理环节中。分裂工艺的预期结果可以小结如下：a)低能方法破碎线状的污泥絮凝体/有机结构（浮泥、膨胀污泥）防止厌氧消化池出现泡沫改善污泥脱水性能4b)高能方法和其它方法优化厌氧消化池的产气率减少污泥量，从而降低污泥处置费用提高有机物的可利用程度（有助于反硝化/生物除磷）分裂工艺机械方法高能方式低能方式-搅拌球磨机-剪裂均匀器-超声波-切碎机-高压均质工艺-穿孔板破碎机-Lysat-离心机-分裂器-碰撞工艺-旋转流化分裂器热处理-100°C-100°C化学法-湿法氧化-臭氧氧化-碱性水解-酸性水解生物法-酶/添加剂水解-自溶分裂工艺机械方法高能方式低能方式-搅拌球磨机-剪裂均匀器-超声波-切碎机-高压均质工艺-穿孔板破碎机-Lysat-离心机-分裂器-碰撞工艺-旋转流化分裂器热处理-100°C-100°C化学法-湿法氧化-臭氧氧化-碱性水解-酸性水解生物法-酶/添加剂水解-自溶图3:分裂工艺一览表根据在德国使用的情况对分裂工艺的评估可以综述如下：••••••只有当厌氧消化时间很短且单位产气量很低时（500l/kgoTR）才具有经济可行性。迄今为止，只有机械分裂工艺才有成熟的生产性经验。仅剩余污泥的分裂较容易成功；初沉污泥会产生运行方面的问题（视设备情况而定）。其中超声波方法最成熟，但目前因其养护费用和能耗高而不经济可行。分裂工艺会使多聚合物混凝剂消耗量增加10%–30%，且脱水后的污泥泥饼的固体含量并没有明显提高(±2%)。只有当污泥的处置费用目前的污泥处置费用（水平）时，其年费用才会持平或具有优势。4.5污泥厌氧消化池在德国一般采用单级、加热中温污泥厌氧消化工艺。厌氧消化池内的温度在30－40ºC之间，但不宜明显高于37ºC，否则中温细菌就不在有相应的生存条件，并由高温细菌而取代。（参见图4）所需要的厌氧消化池内的温度必须在整个池内相对均等，局部偏应小于1°C－2°C。因此厌氧消化池的形状和搅拌设备之间必需要进行优化，以满足这些条件。5同时通过充分的完全混合避免出现污泥沉积。厌氧消化池内的搅拌不足会对整个工艺过程的经济性产生不利影响，因为这样会降低产气量，并且不能足以达到污泥减量化。厌氧消化池的形状和搅拌设备必须相互协调。高温细菌中温细菌厌氧消化时间温度图4:厌氧消化时间与温度之间的关系〔Faire和Moor〕在确定构筑物的几何形状时，要力求进一步达到下述目的：••••活性物质与投配污泥之间的充分的物质交换。易于气体的释放。没有分层，尤其是没有浮泥层。没有死区。池形的弱点必须由机械技术来弥补，这样就会产生过高的运行费用。图5给出了几种厌氧消化池的基本池形。安格尔萨克森形传统的欧洲形蛋形圆柱形图5:厌氧消化池－－基本池形6在德国优先采用蛋形厌氧消化池（图5中第3种）。这种池形配备专门的混合器。随着机械技术领域中新的、成本低的搅拌机的发展，也能使圆柱形池子实现很好的混合，因此圆柱形厌氧消化池的应用也日益增加。一般规定在厌氧消化池内搅拌机自由悬挂不安装底部支承，因此过去在德国应用的厌氧消化池的容积小于4000立方米。在这种情况，配备搅拌机的圆柱形池子常常比配备混合器的蛋形池子要经济。对于较大的池子，表1给出了定性评估，在运行方面圆柱形池子与蛋形池子相比处于明显劣势。表1:厌氧消化池的池形和搅拌方式的定性评估混合器搅拌机气体蛋形圆柱形圆柱形1搅拌费用-++-2池子费用--++++3搅拌效果++-+-4运行问题++-+5TS/温度.-梯度++(+-)+-6产体气量++(+-)+7能量消耗+++--除了上述搅拌方式，还可以采用外部泵和压缩污泥气〔消化气/沼气〕进行搅拌（由于增强形成泡沫要慎用）。在同样好的混合效果的前提下，搅拌方式和相关的厌氧消化池形状的选择最终取决于能耗以及投资和运行费用。良好的热量管理对厌氧消化池的经济运行具有重要意义。关于这一点尤其要注意正确设计和布置热交换器。连续向厌氧消化池投配污泥也具有同样的重要意义。这可以通过对一次浓缩池进行相应地管理来实现。5污泥气〔消化气/沼气〕的利用5.1污泥气〔消化气/沼气〕的性质污泥厌氧消化产生的污泥气〔消化气/沼气〕一般组成如下：甲烷(CH4):60至70体积%二氧化碳(CO2):30至40体积%硫化氢(H2S)1体积%7甲烷成份越高，污泥气〔消化气/沼气〕的价值也越高。如果硫的总浓度超过2.2g/m³N，会引起腐蚀。通过向污泥中投加少量的氯化铁可以最经济地实现这一标准值，如果在污水处理中没有为了除磷已经投加硫酸氯化铁(FeClSO4)和氯化铁的话。硫与氯化铁反应生成硫化铁，与污泥一起进行处置。此外污泥气〔消化气/沼气〕中可能含有下列微量物质，这些物质会对污泥气〔消化气/沼气〕