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为了达到降低运转费用和能耗这一总体目标,首先有必要先回顾一下在污水处理过程中的微生物工作原理:污水生物处理主要是由生物曝气装置(好氧污水处理) 和污泥厌氧消化塔(厌氧污泥处理)而大部分组成。
好氧处理需要大量电耗进行充氧曝气,而污泥厌氧消化过程则相反是一个产能过程,在厌氧发酵过程中会产生大量生物沼气。因此,从能耗角度来看,厌氧生物处理总是优于好氧生物处理。但这里必须指出,在进行有机化合物的生物分解时,厌氧生物处理没有好氧生物处理来得彻底完全。
综上可知,从经济生态角度分析,市政污水处理厂只能通过以下措施才能提高能耗效率:
1. 提高热电联产能力
2. 节省电耗
2 提高能源效率的各种措施
在采用厌氧稳定化工艺的市政污水处理厂内,生物处理阶段消耗大约50%~60%的电能, 而在采用好氧稳定化工艺的市政污水处理厂内,则生物处理阶段所消耗的电能最高达到总电耗的 80%。出于这个原因,必须特别注意生化曝气池的运转情况。
处于第二位的电耗设施就是污水厂内的各种水泵和搅拌装置。通过以下措施可以对这些设备进行优化处理:
通过降低曝气流量, 降低回流污泥流量, 搅拌器间隙运转等,在短时间内完成优化处理。
部分或整体调整机械设备和电控技术。采用较高效率的电机, 更新沼气发电机, 优化电控技术, 更新曝气头和管道来降低压头损失, 提高泵井内液位,从而降低因为液位差而导致的水头损失等。
改进工艺处理技术: 更改曝气池的工作方式, 强化和/或定向利用省能的处理工艺 (例如滴滤床工艺)等。
提高沼气产量。缩短泥龄, 当污水中含有高碳浓度时提高初沉池的停留时间, 提高污泥浓缩性能, 优化消化塔的操作方式等。
采用新的处理工艺技术。ORC-装置, 对污泥脱水液单独进行处理(全程自养脱氮)等。
为了提高热电联产能力,必须设法增加厌氧消化塔的产沼效率和能力,同时采用沼气发电机(BHKW) 进行热电联产。通过额外增加产电,理论上可以覆盖市政污水处理厂内所需要的大部分电耗,从而降低运转费用。
扩大沼气产量的前提条件是污水厂内拥有足够的污泥消化塔容积。在德国,多数市政污水处理厂都能满足这一条件,这是因为大多数消化装置的实际运转负荷低于设计运转负荷。
提高沼气产量的另一个措施是缩短污泥消化停留时间。因为自2015年开始,德国逐步限制市政污泥农用,至2025年底基本要求所有市政污泥进行干化焚烧和磷回收处理。在这一背景情况下,就提出这一个问题:如果消化后污泥不再农用,是否还有必要对市政污泥进行厌氧稳定化处理 (一般来说消化时间是 25 ~30 d)。
一般来说,可以通过采取以下措施来提高消化塔的沼气产量:
将协同发酵基质输入污泥消化塔。只要后续污泥是焚烧处置, 则发酵装置就可以接受各种类型的餐厨垃圾和其他可生物发酵物质。
将非集中型高浓度污水直接输入污泥消化塔(例如,来自食品工业的高浓度污水和非食用油脂)。
有时还将一些工业废浓缩液直接输入污泥消化塔内。例如,有一个德国制药厂原来将其蒸馏塔的冷凝液作为废水输入附近市政污水处理厂。因为主要成分是异丙醇(Isopropanol), 虽然 COD 浓度高达约 200000 mg/L 但生物降解十分容易。所以现在将此浓缩液直接输入污泥消化塔之内,极大地提高了沼气产量。
在直接向消化塔输入浓缩液之后,不仅获得能源,同时也降低了曝气能耗。通过这一实例显示,非集中型预处理措施和市政污水处理厂最终处理之间的协调十分重要,通过有效的厌氧消化处理,市政污水处理厂和制药厂双方都获益。
采用市政污泥粉碎工艺 (细胞粉碎工艺, 例如热水解或超声波粉碎工艺)。在很多科研项目中已经证实,市政污泥粉碎工艺可以提高沼气产量。为了提高沼气产量,在大型市政污水处理厂中,已经采用各种形式的热水解工艺对市政污泥进行粉碎处理。各种研究结果显示,市政污泥经过热水解处理之后沼气产量提高最大可达 25% 。
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