高温热水解预处理污泥工艺探析

高温热水解预处理污泥工艺探析国外将“高温热水解——厌氧消化”称之为“高级厌氧消化”，其中“高温热水解”作为一项污泥预处理技术可分解不可降解或者难降解的物质，如胞外聚合物（EPS），有效改善厌氧消化反应条件。该污泥处理技术是由挪威CAMBI公司发明。目前全球范围已有20多个项目使用了这项技术，据了解，该项技术每年可处理420000t污泥（以干重计），按照含水率80%计，相当于每天5800m3。一、我国传统污泥厌氧消化处理工艺存在的主要问题：1）消化效率低，5%进泥含固率，消化池体积庞大，时间长，污泥有机质含量低；2）沼气产物中H2S含量高，除硫不容易，沼气利用难；3）设计和运行考虑不周，污泥中高含砂量，磨损、沉积，高浮渣含量；4）消化后的污泥产物无出路，处理后国内基本上还是填埋。这是由于上述问题使这一在国外为主流的污泥处理技术，在国内并不受青睐。然而采用高温热水解预处理技术，可有效解决以上工艺系统问题。该预处理技术是利用高温和高压迫使污泥分子结构发生变化（俗称：破壁），以加快整个消化过程和脱水性能，并优化污泥转化为沼气的有机物质比例。二、热水解处理流程热水解预处理系统由一个浆化罐、四个到六个反应罐和一个卸压闪蒸罐组成。一般采用序批式方法工作，整个批次4~5小时，具体流程如下：1、脱水污泥（含水率15~20%）进入混合预热罐（也称浆化罐），与从高温热水解污泥换热和闪蒸罐回收蒸汽混和，将污泥预加热至约100℃；2、预热后的污泥进入高温热水解罐进行热水解反应，在0.6~0.7MPa和150~170℃情况下，反应30min，然后通过罐体准备、进料、反应、出料的四步轮换，实现连续运行；3、热水解后的污泥会被急速送到闪蒸罐，由于压力的释放，在压力差的作用下，污泥细胞得到破坏；4、经热水解和闪蒸罐释放压力后的污泥温度100~110℃，经热交换器进行冷却，换热后污泥温度在40~50℃，以满足后续厌氧消化的要求。三、高温热水解的作用提高可生化利用的物质；提高降解率，从而提高沼气产量；可改善脱水效果，实现污泥减量；可提高卫生化水平。具体如下：1、提高了消化效率：消化池进泥含固率从传统的5%，可以提高的10~12%；消化温度40℃左右，消化时间从20~25天，可以缩短到15~20天。2、改善了污泥性能。污泥粘滞性得到改善，经高温热水解处理后污泥含固率降至11%左右。其粘滞性与含固率5%的污泥粘滞性相近。正因为如此，原有输送和搅拌设备不用更换，就能够实现能力翻倍。3、提高了沼气产量。水解后，有机成分中能够厌氧消化降解的成分增多，有机物降解更加充分，污泥稳定化成度更好使沼气产量增加；处理1立方米污泥（含水率80%）传统厌氧消化沼气产量为：30~40立方米；高级厌氧消化沼气产量为：50~60立方米。4、改善了消化环境。甲烷菌较水解和酸化微生物对环境条件十分敏感，极易受到破坏。一旦甲烷菌受到破坏，消化的中间产物有机酸就会富集。有机酸含量增加到2000毫克/升以上时，传统消化的pH值就会降低到7.0以下（与消化液碱度有关）。pH值降低，又会导致非离解性酸含量和CO2增加，而使沼气产量下降。而高温热水解后，消化液的高铵氮浓度，使得消化液为弱碱性，有利于甲烷菌生长。5、降低了硫化氢含量。传统厌氧消化沼气的硫化氢含量数百，乃至数千ppm，而高温热水后，往往不足100ppm。消化池中H2S的含量与pH有关，pH越低对消化反应的抑制作用就越大。高温热水后，消化池内的pH值为7.5~8.0。pH值7.3意味着比pH值为7.8溶液的H+摩尔浓度高3倍多。氢离子浓度低了，也就降低了形成硫化氢的可能性。6、降低了重金属的溶解性。由于氢离子浓度的降低，为硫与重金属离子的结合创造了条件，形成难溶解的硫化与重金属的化合物，而且是难溶解的。7、提高稳定化水平。稳定化处理是指减少气味物质和有机物含量的处理，与此同时改善脱水性能，减少病原菌的污泥处理过程。稳定化的实质是：微生物不再具有发生作用条件。热水解厌氧消化后的污泥有机物降解率高，消化后的“污泥”不粘手，也没有令人作呕的气味。下面介绍一种污泥厌氧消化工艺——Cambi高级厌氧消化工艺，该工艺可实现污泥处理的稳定化，降解有机物；减量化，尽量少添加物料；安全化，杀灭病原菌（生物安全）；能源化，沼气或热能；资源化，有机质、磷和微量营养回归大地。Cambi热水解原理1）批次加热消毒：满足所有国际已知的安全标准，批次处理，无病原菌再生；2）摧毁胞外聚合物ECP：污泥易于脱水，提高10%的含固浓度，降低粘稠度，易于搅拌（热水解的10%相当于传统的5%）；3）非溶解性COD的水解：30%到50%的溶解度促进快速消化，达到10天停留时间，60%的降解率；4）颗粒物质通过蒸汽爆破解体：进一步提高消化和降低粘稠度。Cambi热水解工艺污泥经螺杆泵从储泥罐连续不断地送入浆化罐、再经过螺杆泵以批次方式送入各个反应罐、在批次加入蒸汽进行高压蒸煮后、在反应罐自身压力推动下污泥进入闪蒸罐卸压闪蒸。闪蒸后释放的蒸汽回到浆化罐，对污泥进行预热浆化。闪蒸后的热水解污泥在闪蒸罐停留一定时间，并通过螺杆泵连续不断地送出到下一步冷却工艺中。热水解预处理系统按照预定程序周而复始运行。传统厌氧消化与Cambi高级厌氧消化的对比值得一提的是Cambi高级厌氧消化工艺的消化稳定的产物（消化剩余污泥）是无菌的生物固体，因为污泥在155-170℃下处理了30min，所有的致病菌都被杀灭。无需进一步的干化来杀灭病原菌，最终产品无臭无味和土相似，满足巴氏消毒的A级产品需求，可以用于肥料和土壤改良。四、结语1）热水解高级厌氧消化以能源化资源利用为核心，可全面达到稳定化、减量化、安全卫生化、能量利用、资源利用的五大目标。2）热水解高级厌氧消化可为传统消化的升级扩容改造提供了一条有效的途径。3）热水解高级厌氧消化可为利用一个厂现有消化罐建设区域污泥及有机垃圾处理中心提供有效途径。4）热水解高级消化及高干度脱水可为结合焚烧的处理处置路线提供优化的能源平衡，降低焚烧量，并提供消化后脱水的生物固体的土地利用途径，形成污泥多途径处置战略。5）在现有焚烧设备前端结合高级消化，全面优化项目的能耗、运行、投资、经济和环境效益，可为现有污泥焚烧项目转化为能量自持低碳提供更优化的解决方案。