中德污泥处理和利用技术对比

中德污泥处理和利用技术对比杨顺生西南交通大学土木工程学院[e-mail]讲座内容（绿色部分）处置工艺德国中国说明内部碳源是是同时减量厌氧消化是是同时减量热解是否国内探讨中农用越来越少是填埋已禁止是焚烧是是干化有是讲座内容•德国污泥利用和处置情况简介•-内部碳源开发•-厌氧消化•-热解•探讨适合中国的污泥处置和利用技术•-内部碳源开发（脱氮除磷）•-厌氧消化•-污泥减量绿色和平：如果世界是一个银行，你们早就把它救了！碳排放权的价值•3月18日，美国能源部长朱棣文在国会提议向别国征收二氧化碳关税。他认为，一旦美国实施减排措施，而其他国家没有设置碳排放成本，那么美国将处于劣势。•朱棣文称，期待中印等发展中国家尽快采取减排措施。碳排放权的价值•碳排放权将成为硬通货；•可以预见，2012年之后中国必将承担减排义务，碳排放也将不可避免地成为污水处理的成本因素。污水处理中的碳排放•排放来自三个方面：生物降解过程，电耗，外加碳源。世界水论坛无果而终，2009.03.22某污水厂COD平衡图（kg/d）德国污泥的用途和处置（万吨）1991199519982001污泥总量296264249243农用90138149140焚烧27274055填埋124472116临时堆放1914118其它36372523德国污泥产量•1991年和1995年统计数据包含了来自所有城市污水厂（一万多座污水厂）的污泥量•1998年和2001年统计数据仅包含了来自污水生物处理厂的污泥量德国：污泥处置成本•农用：40~50Euro/t•焚烧：100~150Euro/t（目前大约20%，今后的主要趋势）•德国现在的污泥焚烧能力：•电厂每年可焚烧140万吨，（褐煤电厂）•垃圾焚烧厂每年可焚烧80万吨，•其余30万吨能力等待政策确定后扩充。德国：政策和水价背景•2001年各州农业部长和环境部长要求严格控制污泥农用，到前年为止，有关禁止污泥农用的法律程序已经完成。•如果全面推行污泥焚烧，德国每立方米饮用水将会涨价30Cent。德国：污泥条例•为了保证污泥农业利用的安全可靠性，促进污泥的物质性利用，联邦政府于1982年1月15日在《废物处置法》下通过了一项关于在农业、林业及园艺用地上施用污泥的法律条例“污泥条例”(AbfKlaerV)。德国：污泥条例•该条例规定污泥必须进行稳定化处理。•稳定化处理是指：使污泥中的成分达到化学稳定。德国：污泥稳定化处理•德国90%以上污泥稳定化处理的方式是厌氧消化。•厌氧消化的产品是：沼气，消化污泥（农用），沼液（消化污泥脱水浓液）。污泥厌氧消化前后固体物质的变化•沼气是生物能源进水携带的污染物•每六立方米城市污水经过处理后，污泥厌氧消化所产沼气可发一度电，已经考虑了所有的损失。德国举例：德国鲍特罗普污水厂利用污泥产沼气发电，消化污泥焚烧供热序号参数数值备注1日处理污水m33670002污泥日产量m33000浓缩污泥3污泥消化池容积m3600004x150004污泥消化时间d205污泥消化温度°C376日产沼气Nm3500007发电机组功率kW3500电功率8焚烧炉功率kW7600热功率9气柜容积m3250010脱水污泥含水率%70离心机脱水污泥厌氧消化成功进行的标志•颜色黝黑（硫化铁），•有沥青或焦油味道，但是没有臭味，•用搪瓷器具泼出后器壁上迅速出现水线，因为熟污泥脱水性非常好，•在户外场地上晾晒时上面不落苍蝇(Eristalistenax，大而黄的苍蝇)。厌氧消化•厌氧消化是非常强有力的生物过程，根据Imhoff的研究和数十年的实践：•各种有机组织被降解，除了毛发以外；•各种病源被杀死，除了结核菌；•各种植物种子失去发芽能力，除了西红柿籽。包括全套附件:•换热器•泵•监控设备•开关设备•联网启动设备/电池•润滑油仓•进气排气处理•消声器•防噪声措施•减震措施热电联产机组吸收式制冷制热34%13%损失53%电力热38%冷电热冷联产机组沼气100%100%hel=35%hth=55%吸收式制冷设备zref=71%6°C/12°C汉堡附近某沼气设施污泥机械击破技术•搅拌球磨机•高压均质器•喷射工艺•大功率电脉冲•超声波•。。。搅拌球磨机•污泥进口污泥出口搅拌器球泥分离器动力球磨桶磨球高压均质器•污泥进口污泥出口压力阀座冲击环阀体均质缝喷射工艺•喷射管污泥进口靶板喷嘴大功率电脉冲设备•大功率电源污泥进口放电室超声波和产生的气穴气泡产生成长内爆热点压缩和膨胀+–声波10020040030060050050100150气穴泡半径mm作用时间ms各种击破（破解）技术特点•目前只有超声波技术实现了工程应用机械击破对污泥的作用示意图细胞内部颗粒细胞外部聚合体污泥絮状物液体举例：梅尔多夫污水厂举例：梅尔多夫污水厂•超声波设备投用后，消化污泥中的可挥发固体含量从60%下降到45%。•60%下降到45%，绝对值下降15%，相对值下降25%。•相对值是沼气产量增加的参考值，但是并不等于后者，因为可挥发固体进入液相和气相的比例因地而异。德国巴姆堡污水厂沼气产量增加30%7.680m?d9.950m?d020004000600080001000012000conventionalus-treatedbiogasproduction[m?d]VSS去除率增加•VSS去除率54%42%0102030405060conventionalus-treatedVSdestruction[%]德国：污泥作为碳源和催化剂•用机械、化学、生物、热学等工艺，使剩余污泥中的微生物细胞被击破，释放出有用物质（碳源和酶）来。这些物质被回流到生物池作为补充碳源和催化剂，改善反消化效果，降低出水总氮浓度。德国举例：滨德污水厂•两用进水排放格栅沉砂污泥浓缩超声波沼气柜发电机污泥脱水间消化池二沉池生化池，间歇曝气初沉池（内）厌氧池（外）36C浓缩运行结果德国：污泥热解•热解鼓内的反应热解气体，CO,CO2,H2,CH4,H2O,芳香族，油，85~90%热解残留物/惰性化物质，如：活性炭、被固化的重金属等，10~15%进料，100%450~500C热解鼓德国：污泥热解•工艺流程污泥进料能量能量预干燥到70%含固率热解气作为热源回流烟囱烟气净化烟气换热器蒸汽涡轮机发电机活性炭滤渣燃烧室热解上网德国：污泥热解德国：污泥热解•热解鼓德国：污泥热解•另一套热解设备德国：污泥热解•热解气体燃烧探讨适合中国的污泥处置和利用新技术•-内部碳源开发（强化脱氮除磷）•-厌氧消化•-污泥减量•-消除膨胀污泥•-填埋•-干化•-焚烧污水处理中的碳排放•排放来自三个方面：生物降解过程，电耗，外加碳源。污水处理中的碳排放：好氧降解•污水处理行业，典型的环保产业，但是一些做法不一定符合低碳经济要求。•某食品行业废水COD的好氧降解：•C8H12N2O3==C5H7O2N+NH3+3CO2+H2O污水处理中的碳排放：电耗•全国每年污水排放量约400亿立方米，保守估计耗电200亿度，对应的发电二氧化碳排放量是：200x108x0.4=8x109kg=8x106t.热电厂二氧化碳排放量•单位：（kg/kWh）-褐煤0.4-岩煤0.33-重油0.28-轻油0.26-天然气0.2污水处理中的碳排放：外加碳源•城市污水处理中，为了脱氮，往往投加甲醇。每脱除1克硝态氮，理论上需要投加近3克甲醇。为了保证脱氮效果，一般要多加30%甲醇，既增加处理成本，又增加污泥量。•多余的甲醇又要由微生物降解成水和二氧化碳并产生污泥，污泥需要脱水、运输、处置（填埋、焚烧等）。内部碳源开发的意义•因此，开发利用污泥碳源，无论从现实成本还未来应对策略考虑，都十分有意义。•由于污泥内部碳源开发、厌氧消化和减量均可通过超声波技术强化，以下以超声波技术为主线介绍。超声波污泥技术在污水厂的应用1补充碳源，强化生物脱氮除磷；2强化污泥厌氧消化，增加沼气产量；3污泥减量；4消除和预防污泥膨胀。1，强化生物脱氮除磷•生物池二沉池超初沉池脱水污泥进水浓浓污泥脱水70%剩余污泥30%回流污泥排放剩余污泥超声波强化生物脱氮除磷的原理•通过对污泥进行超声处理，向反硝化区补充碳源和生物酶（催化剂）•其中碳源可用溶解性COD增加值衡量•生物酶的作用是转化碳源，即将不溶性或半溶性碳源转化为直接碳源。广州某出水总氮月变化曲线污水厂出水总氮对比（2006.08）02468101214161812345678910111213样本组（每二日一组）出水总氮浓度（mg/L）经过超声处理未经过超声处理广州某污水厂试运行结果对比现场5个月的运行数据：-出水总氮减少25%，-两条运行线出水COD、BOD、TP正常，-污泥减量24%。某中试试验数据分析总氮进出水变化曲线010203040506070809011月29日12月3日12月7日12月11日12月15日12月19日12月23日日期总氮(mg/L)进水出水总磷变化曲线02468101211月29日12月4日12月8日12月12日12月16日12月20日12月23日日期总磷(mg/L)进水出水碳源的增加02004006008001000COD（mg/L）8月8日8月11日8月14日8月17日8月20日日期SCOD变化示意图（8月）COD0COD60超声波设备击破前后SCOD变化图(4月)020040060080010001234数值mg/LCODCOD70SCOD的增加值开发内部碳源的节能减排意义超声波外部碳源（甲醇）脱氮除磷内部碳源，免费外购污泥产量减少增加节能是否系统负荷基本不增加增加2，强化污泥厌氧消化，增加沼气产量•生物池二沉池超沉砂格栅进水浓污泥脱水70%剩余污泥30%以上回流污泥排放剩余污泥初沉池浓沼气污泥消化池2，强化污泥厌氧消化，增加沼气产量•增加沼气产量大约30%•提高沼气中甲烷含量2%•沼气中有害物质（色度物质）减少•污泥矿化程度提高，消化污泥中可挥发固体减少9~15%，例如从60%降到45%。•污泥脱水性能改善2~5%污泥厌氧消化的四个阶段乙酸污泥里的固态有机物水解的和溶解的有机物CO2CH4H2CO2有机酸醛类醇类水解阶段酸化阶段乙酸化阶段甲烷化阶段生物质产沼气量生物质沼气单产量Nm3/降解kgoDS碳水化合物0.6~0.7蛋白质0.7~0.8油脂/脂肪1.3~1.4污泥0.8~1.0击破污泥对厌氧消化的作用•前文所提碳源和酶对厌氧过程同样有加速作用，处理30%剩余污泥后，其余的微生物分子会迅速失去对厌氧环境的抵抗能力而被降解。厌氧消化时间可缩短一半以上。目前欧洲工程实践设计用12天，沼气量增加30%左右。1、2号罐产气速率对比00.511.522.533.54246812141618202224时间（小时）产气量（升）1号罐产气量2号罐产气量超声波处理对沼气品质的改善•甲烷含量提高2%•沼气中对各种色度物质降低，如硅氧烷等•（Siloxan）SiloxanSiOSiOOSiCH3CH3CH3CH3CH3CH3Hexamethylcyclotrisiloxan六甲基环三硅氧烷气缸内的燃烧沼气空气尾气润滑油润滑膜风冷可能发生沉积热电机组发动机活塞受损情况二氧化硅沉积层气缸内破损的硬壳沼气中甲烷和有害物质界限值•甲烷含量48-75%•氯和氟之和20mg/Nm³CH4•硫化氢250mg/Nm³•硅6mg/Nm³•其它痕量物质1mg/Nm³•最大湿度85%•最高温度30°C沼气净化和利用去除Siloxan污泥消化罐砂石过滤火炬沼气柜热电机组电力热污泥罐加热脱硫沼气锅炉超声波强化厌氧消化消化时间减少到12天沼气产量增加30%CDM-权益(CER)污泥量减少脱水性能改善，传质效率提高后续工艺是干化火焚烧时节能20%~40%3，污泥减量•由于生物酶的作用，无论是好氧过程还是厌氧过程，为生物活性均会提高，降解深度增加，有更多的物质被转化，宏观上表现为污泥量的减少。•脱水污泥含水率下降2~5%。•同时脱水性能改善，传质效率提高，后续处置工艺中干化和焚烧可节