【干貨】污泥處理已勢(shì)不可擋 行業(yè)主流污泥處理技術(shù)大比拼
來(lái)源：化工707
截至2016年3月，我國(guó)已建3910多座城鎮(zhèn)污水處理廠，污水處理能力已達(dá)到1.67億立方米/日。作為污水的衍生品，我國(guó)每年產(chǎn)生3000萬(wàn)噸～4000 萬(wàn)噸市政污泥(含水率在80%)。”
中國(guó)工程院院士侯立安在日前舉辦的“2016污泥高峰論壇(第三屆)”上表示，預(yù)計(jì)到2020 年，我國(guó)的市政污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)噸～9000 萬(wàn)噸。
近年來(lái)，我國(guó)出臺(tái)了一系列政策措施，推動(dòng)污泥處置行業(yè)發(fā)展。其中，妥善處置污泥、有效利用污泥中的資源、提高處置效率和降低處置成本等成為行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)。
污泥處理的定義及分類
1.污泥的定義
污泥處理(suldge treatment)：對(duì)污泌泥進(jìn)行濃縮、調(diào)治、脫水、穩(wěn)定、干化或焚燒的加工過(guò)程。
2.污泥的分類
污泥處理前，首先要了解污泥的分類，才能確定污泥處理的方法：
污泥處理步驟
濃縮
首先，原污泥通過(guò)污泥泵由二沉池打到另一個(gè)池子中從而和上清液分離。因?yàn)樵勰嗟暮释ǔＤ苓_(dá)到99.5%，所以污泥必須濃縮，有多種可行的方法用于減少污泥的體積。
例如真空過(guò)濾和離心等機(jī)械處理的方法通常用于將污泥以半固體形式處置之前。通常這些方法是污泥焚燒處理的準(zhǔn)備工作。如果計(jì)劃采用生物處理，則多數(shù)才用重力沉降或者是氣浮的方法進(jìn)行濃縮。這兩種情況所對(duì)應(yīng)的污泥仍然是流態(tài)的。
重力濃縮池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行類似于污水處理中的二沉池。濃縮功能是主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，為了滿足更大的濃縮能力，濃縮池基本上比二沉池要深。一個(gè)設(shè)計(jì)正確，運(yùn)行良好的重力濃縮池至少能提高兩倍的污泥含泥量。
也就是說(shuō)，污泥的含水率可以有99.5%減少到98%，或者更少。這里值得一提的是，重力濃縮池的的設(shè)計(jì)要盡量基于中式結(jié)果的分析，因?yàn)楹线m的污泥負(fù)荷率與污泥的屬性的有很大關(guān)系的。
如果采用溶氣氣浮濃縮，需要有一小部分的水，通常是二沉池出水，在400kPa的壓力下充氣。這種過(guò)飽和的液體通入罐底，而污泥在大氣壓下通過(guò)。氣體以小氣泡的形式和污泥中的固體顆粒黏附，或則是被包圍，從而帶動(dòng)固體顆粒上浮到表面。濃縮了的污泥的上部被除去，而液體由底部流回溶氣罐充氣。
降解消化
體積減少后，污泥中含有大量的有害成分，在處置之前需要將之轉(zhuǎn)化為惰性成分。最常用的方法是生物降解穩(wěn)定。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程目的在于將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為最終無(wú)菌產(chǎn)物，所以常應(yīng)用消化的方法。污泥消化既能進(jìn)一步的減少污泥體積也能使所含固體轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)并且大體的上沒(méi)有病菌。通過(guò)厭氧消化或好養(yǎng)消化都能達(dá)到污泥消化目的。
污泥含有多種有機(jī)物，因此需要多種微生物來(lái)分解。有關(guān)資料將厭氧消化中的微生物分為兩類：產(chǎn)酸菌和甲烷菌。所以，我們也能把厭氧消化分為兩步。
第一步，由兼性厭氧菌和厭氧菌組成的產(chǎn)酸菌通過(guò)水解作用溶解有機(jī)固體。接著溶解質(zhì)由發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為酒精和低分子量分子。
第二步，有嚴(yán)格厭氧菌組成的甲烷菌將乙酸、酒精、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。因?yàn)閮煞N菌群只能在無(wú)氧的環(huán)境下存活，所以厭氧消化的反應(yīng)器必須是密閉的。設(shè)計(jì)容器的時(shí)候同時(shí)也要考慮另外的一些因素，例如：溫度、pH值和混合物攪拌。
污泥也可以通過(guò)好氧消化穩(wěn)定。這種消化基本上只能用于可生化污泥而不能用于初沉池污泥，伴隨著二沉池和污泥濃縮池中污泥體積的減少，這個(gè)工藝需要不斷的鼓氣。好氧消化多應(yīng)用于深度曝氣系統(tǒng)。再者，好氧消化對(duì)環(huán)境條件不敏感，也不局限有流行變化。
處置
污泥消化以后，污泥中的有機(jī)物能被去除并且能進(jìn)一步的減少污泥體積。接下來(lái)，污泥需要處置。多種方法可以用來(lái)有效的處置污泥。其中包括焚燒、衛(wèi)生填埋和用作化肥以及土壤改良劑。原污泥可以用來(lái)焚燒，可以有效地減少含水率。添加燃料可以用來(lái)引起和維持燃燒，城市垃圾也可能用來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。原污泥和消化污泥也可以用衛(wèi)生填埋來(lái)處置。
污泥的土地應(yīng)用實(shí)踐了好幾年，而現(xiàn)在只限于處理消化污泥。污泥的營(yíng)養(yǎng)成分有利于植物成長(zhǎng)，而其顆粒特性可用于土地改良。這些應(yīng)用局限有飼料作物和非人類消費(fèi)，而運(yùn)用于支持可食用植物的可能性正在研究中。污泥土地應(yīng)用的主要限制因素為植物富集金屬毒性和水體富營(yíng)養(yǎng)污染。污泥的應(yīng)用可通過(guò)在流態(tài)時(shí)由噴淋器噴淋、溝渠導(dǎo)流或直接注入土壤。去水污泥可以由傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械鋪設(shè)在土地之上在和培養(yǎng)土壤。
幾種污泥處理的方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析
污泥的衛(wèi)生填埋
這種處置方法簡(jiǎn)單、易行、成本低，污泥又不需要高度脫水，適應(yīng)性強(qiáng)。但是污泥填埋也存在一些問(wèn)題，尤指填埋滲濾液和氣體的形成。滲濾液是一種被嚴(yán)重污染的液體，如果填埋場(chǎng)選址或運(yùn)行不當(dāng)會(huì)污染地下水環(huán)境。填埋場(chǎng)產(chǎn)生的氣體主要是甲烷，若不采取適當(dāng)措施會(huì)引起爆炸和燃燒。
污泥的直接土地利用
污泥土地直接利用因投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低、有機(jī)部分可轉(zhuǎn)化成土壤改良劑成分等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置方式，科學(xué)合理的土地利用，可減少污泥帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。林地和市政綠化的利用因不易造成食物鏈的污染而成為污泥土地利用的有效方式。污泥用于嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的土地(如礦場(chǎng)土地、森林采伐場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)、地表嚴(yán)重破壞區(qū)等需要復(fù)墾的土地)的修復(fù)與重建，減少了污泥對(duì)人類生活的潛在威脅，既處置了污泥又恢復(fù)了生態(tài)環(huán)境。
污泥的焚燒
濕污泥干化后再直接焚燒應(yīng)用得較為普遍，沒(méi)有經(jīng)過(guò)干化的污泥直接進(jìn)行焚燒不僅十分困難，而且在能耗上也是極不經(jīng)濟(jì)的。
以焚燒為核心的污泥處理方法是最徹底的污泥處理方法之一，它能使有機(jī)物全部碳化，殺死病原體，可最大限度地減少污泥體積;但是其缺點(diǎn)在于處理設(shè)施投資大，處理費(fèi)用高，設(shè)備維護(hù)成本高，而且產(chǎn)生強(qiáng)致癌物質(zhì)二惡英。
污泥處理新技術(shù)
免費(fèi)處理處置
該技術(shù)創(chuàng)新采用污泥洗滌工藝，首先洗出污泥中有機(jī)物質(zhì)，分離無(wú)機(jī)物質(zhì)污泥土，再將有機(jī)污泥濃縮進(jìn)行高溫厭氧消化處理。
沉淀污泥經(jīng)過(guò)洗滌洗出污泥中一半固體無(wú)機(jī)污泥土，減少了一半生物處理量，節(jié)省工程投資和處理費(fèi)用;
單獨(dú)處理有機(jī)污泥，去除了無(wú)機(jī)污泥土在反應(yīng)器中的沉淀，減少了設(shè)備磨損和反應(yīng)器的維護(hù);
沉淀污泥經(jīng)過(guò)洗滌洗出污泥中大部分容易沉淀的重金屬和無(wú)機(jī)污泥土，提高了有機(jī)肥的品質(zhì);洗滌出的污泥土還可生產(chǎn)路面彩磚、透水磚。
其他創(chuàng)新工藝：超高溫厭氧消化、多級(jí)厭氧消化、沼渣漂浮等，污泥生物處理速度提高了幾倍和沼氣產(chǎn)量提高20%以上。
沉淀污泥生物處理系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用地埋式、緊密型、多級(jí)消化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，幾個(gè)獨(dú)立的厭氧消化反應(yīng)器你中有我我中有你渾然一體，節(jié)省建筑材料，采用混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)低廉。
目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的厭氧消化反應(yīng)器普遍采用地上式結(jié)構(gòu)，地上式結(jié)構(gòu)能使配備設(shè)備便于維護(hù)和有利沼渣排放預(yù)防沼渣沉淀。
該生物處理系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)很好地解決了配套設(shè)備的維護(hù)和沼渣沉淀，系統(tǒng)配備設(shè)備少，只需要幾臺(tái)水泵，就是水泵壞了更換一臺(tái)用不完20分鐘，保證設(shè)備檢修不停產(chǎn);沉淀污泥經(jīng)過(guò)洗滌去除了容易沉淀的無(wú)機(jī)污泥土，有機(jī)污泥經(jīng)吹浮系統(tǒng)作用全部漂浮不會(huì)沉淀。地埋式厭氧消化反應(yīng)器不僅投資少、不占用土地，而且還能防地震、防雷擊和使用壽命長(zhǎng)、減少消化系統(tǒng)的熱量損失。
以設(shè)計(jì)一個(gè)日處理600噸含水量80%的沉淀污泥洗滌、生物處理廠 為例，處理能力、污泥含水量與大連夏家河污泥處理廠(2010年全國(guó)示范工程第一名)完全相同，與其相比僅需要20%投資。
處理廠日常運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較低，處理污泥產(chǎn)生的副產(chǎn)品沼氣發(fā)電創(chuàng)收，沼渣制成有機(jī)肥料創(chuàng)收，污泥土生產(chǎn)路面彩磚、透水磚創(chuàng)收，生物處理沉淀污泥不要政府補(bǔ)貼資金和污水處理廠支出污泥濃縮費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)，還能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
處理廠日常營(yíng)運(yùn)費(fèi)用較低與大連夏家河污泥處理廠相比，處理一噸含水量80%的沉淀污泥節(jié)省政府補(bǔ)貼資金135元(全國(guó)最低價(jià))和污水處理廠支出的污泥濃縮費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)總計(jì)在200元以上。沉淀污泥洗滌、生物處理廠占用土地面積少，籌建在污水處理廠中，適合各種規(guī)模的污水處理廠，較小規(guī)模的污水處理廠可添加當(dāng)?shù)夭蛷N垃圾、化糞池垃圾、市政下水道污泥及周邊企業(yè)、村鎮(zhèn)小型污水廠污泥一起處理，增大處理規(guī)模實(shí)現(xiàn)盈利。
目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有污泥處理技術(shù)還沒(méi)有能夠達(dá)到免費(fèi)處理、處置污泥的水平。
石灰投加技術(shù)
脫水后的污泥進(jìn)入料斗，料斗中加入石灰和氨基璜酸，石灰投量為濕泥量的10%一15%，氨基璜酸的投量約為石灰投量的1%。由于氨基璜酸在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生氨氣，增強(qiáng)了整個(gè)工藝的殺菌效果，降低了反應(yīng)溫度。
污泥、生石灰和氨基璜酸在料斗中攪拌后，由雙螺旋進(jìn)料機(jī)推入柱塞泵進(jìn)料口，通過(guò)柱塞泵送入反應(yīng)器，在70℃下停留30 min，輸出的產(chǎn)品可達(dá)到美國(guó)EPA PART503 CLASS A標(biāo)準(zhǔn)。反應(yīng)后的污泥泵送至料倉(cāng)，密封容器中產(chǎn)生的氣體經(jīng)洗滌塔處理后排放。
該工藝的特點(diǎn)：
pH>12，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，殺菌徹底;高pH使大部分金屬離子沉淀，降低了其可溶性和活躍程度;
污泥的含固率可提高至30%;去除了污泥中的臭氣，系統(tǒng)全密封，無(wú)環(huán)境污染;
系統(tǒng)全自動(dòng)，操作維護(hù)簡(jiǎn)單：加入少量氨基璜酸，減少了石灰用量和反應(yīng)時(shí)間，降低了運(yùn)行成本。
污泥碳化技術(shù)
所謂污泥碳化，就是通過(guò)一定的手段，使污泥中的水分釋放出來(lái)，同時(shí)又最大限度地保留污泥中的碳值，使最終產(chǎn)物中的碳含量大幅提高的過(guò)程(Sludge Carbonization o在世界范圍內(nèi)，污泥碳化主要分為3種。
(1)高溫碳化。
碳化時(shí)不加壓，溫度為649—982℃。先將污泥干化至含水率約30%，然后進(jìn)入碳化爐高溫碳化造粒。碳化顆粒可以作為低級(jí)燃料使用，其熱值約為8 360—12 540 kJ/kg(日本或美國(guó))。技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原、三菱重工、巴工業(yè)以及美國(guó)的IES等。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模地應(yīng)用，最大規(guī)模的為30刪濕污泥。
(2)中溫碳化。
碳化時(shí)不加壓，溫度為426—537℃。先將污泥干化至含水率約90%，然后進(jìn)入碳化爐分解。工藝中產(chǎn)生油、反應(yīng)水(蒸汽冷凝水)、沼氣(未冷凝的空氣)和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳洲建設(shè)了1座100t/d的處理廠。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過(guò)于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對(duì)污泥實(shí)行碳化，其經(jīng)濟(jì)效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無(wú)其他潛在的用戶。
(3)低溫碳化。
碳化前無(wú)需干化，碳化時(shí)加壓至6—8 MPa，碳化溫度為315℃，碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率50%以下，經(jīng)干化造粒后可作為低級(jí)燃料使用，其熱值約為15 048～20 482 kJ/kg(美國(guó))。
該技術(shù)通過(guò)加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過(guò)機(jī)械方法即可將污泥中75%的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過(guò)程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件14t。
污泥水解熱干化技術(shù)污泥水熱干化技術(shù)通過(guò)將污泥加熱，在一定溫度和壓力下使污泥中的粘性有機(jī)物水解，破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)改善脫水性能和厭氧消化性能。
隨水熱反應(yīng)溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的碰撞導(dǎo)致了膠體結(jié)構(gòu)的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。
經(jīng)過(guò)水熱處理的污泥在不添加絮凝劑的情況下機(jī)械脫水的含水率大幅度降低。
污泥的水解宏觀上表現(xiàn)為揮發(fā)性懸浮固體濃度減少和COD、BOD以及氨氮等濃度增加。水熱干化技術(shù)采用漿化反應(yīng)器，通過(guò)閃蒸乏汽返混預(yù)熱漿化、蒸汽與機(jī)械協(xié)同攪拌，提高了系統(tǒng)的處理效率;在水熱反應(yīng)器中，采用蒸汽逆向流直接混合加熱的方式，強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱過(guò)程，可以避免局部過(guò)熱結(jié)焦碳化：在連續(xù)閃蒸反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的有效回收。
微生物水解干化蛋白提取
污泥微生物通過(guò)水解破壁處理后，其胞內(nèi)蛋白質(zhì)和水分得以釋放，再經(jīng)過(guò)固液分離后，可到含水率35-45%(減量70%以上)、有機(jī)物消減40-50%的污泥殘?jiān)涂少Y源化利用的含蛋白液體。目前天津裕川環(huán)境在該方面已取得一定成績(jī)。
微生物蛋白提取流程圖
污泥經(jīng)水解處理后，其含蛋白液體經(jīng)濃縮后可作為蛋白發(fā)泡劑和有機(jī)肥等利用，污泥殘?jiān)捎米龈餐�、綠化土、土壤改良劑和建筑材料等。
微生物蛋白提取后端處置路線
值得注意的是，蛋白質(zhì)提取工藝中保證了重金屬不會(huì)進(jìn)入蛋白質(zhì)，而蛋白可以用于工業(yè)制品，也可以進(jìn)入農(nóng)業(yè)，但這些也都要企業(yè)自身完成產(chǎn)業(yè)鏈整合的工作。目前裕川環(huán)境的污泥蛋白質(zhì)提取工藝已成功運(yùn)用，后期有望通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)間的有機(jī)協(xié)調(diào)，打通蛋白進(jìn)入農(nóng)業(yè)的后端產(chǎn)業(yè)鏈。
熱水解+厭氧消化
熱水解預(yù)處理技術(shù)是以含固率15%~20%的脫水污泥為對(duì)象進(jìn)行的厭氧消化技術(shù)。
具體而言，該工藝是通過(guò)高溫高壓熱水解預(yù)處理，以高含固的脫水污泥(含固率15%~20%)為對(duì)象的厭氧消化技術(shù)。
工藝采用高溫(155℃~170℃)、高壓(6bar)對(duì)污泥進(jìn)行熱水解與閃蒸處理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有機(jī)物發(fā)生水解、并破解污泥中微生物的細(xì)胞壁，強(qiáng)化物料的可生化性能，改善物料的流動(dòng)性，提高污泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機(jī)物降解率和產(chǎn)氣量，同時(shí)能通過(guò)高溫高壓預(yù)處理，改善污泥的衛(wèi)生性能及沼渣的脫水性能、進(jìn)一步降低沼渣的含水率，有利于厭氧消化后沼渣的資源化利用。此工藝已在歐洲國(guó)家得到規(guī)�；こ虘�(yīng)用。
與傳統(tǒng)消化相比，該工藝具備以下特色：
(1)有機(jī)物轉(zhuǎn)化率高
(2)無(wú)害化水平提高，完全殺滅病原菌，泥餅達(dá)到A級(jí);
(3)PH略高，可降低沼氣中的H2S和CO2濃度，使CH4含量提高;
(4)減少污泥體積，提高污泥穩(wěn)定性
