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污泥热碱分解处理处置及资源化应用案例及分析

北极星水处理网  来源:中国给水排水  作者:崔静  2021/3/2 11:22:22  我要投稿  

北极星水处理网讯:污泥热碱分解(水解)处理处置技术是天津市裕川环境公司研发并实现产业化应用的污泥资源化利用技术。通过热与碱的协同组合,在加热状态下,碱的加入降低了微生物细胞对高温的抵抗力。碱抑制细胞活性的同时,溶解脂类物质使污泥细胞破裂,释放出胞内物质,同时加快热对污泥中有机物的分解,破坏微生物及其组成物质,加快了污泥细胞的破裂进度,热碱组合提高了污泥破解效率。污泥水解过程中,Ca2+与蛋白质中间产物分子的终端羧基结合生成水溶性的钙盐,从而形成了独特的污泥热碱水解处理工艺以及伴随产生的优良的钙蛋白有机肥料。彻底实现污泥减量化(减量70%)、无害化(病原菌全部灭活)、稳定化(有机质降解50%)以及资源化(有机钙蛋白产品)利用。

01背景

“绿水青山就是金山银山”,以在不消耗绿水青山存量的前提下,将价值量附加到社会的产品与服务中,实现价值的提升[1]。污泥本身是一种可以利用的资源,污泥处理处置就是要借助先进可行的技术手段,将污泥作为一种资源加以利用,在解决对环境影响问题的基础上产生一定的经济效益。

“绿水青山就是金山银山”“要坚持节约资源和保护环境的基本国策”。生态环境部公布的2018年度《水污染防治行动计划》中要求:“推进污泥处理处置。污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置,禁止处理处置不达标的污泥进入耕地。非法污泥堆放点一律予以取缔。现有污泥处理处置设施应于2017年底前基本完成达标改造,地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%以上”。

《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》中“鼓励符合标准的污泥进行土地利用。污泥土地利用应符合国家及地方的标准和规定”“污泥农用时,污泥必须进行稳定化和无害化处理,并达到《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284)”。

根据《中华人民共和国土地管理法》:国家实行占用耕地补偿制度,按照“占多少、垦多少”的原则,实现占补平衡。随着土地整治工程事业的不断推进,新增耕地数量不断提升,但新增耕地肥力水平偏低,合格率仅为12.9%。同时现有土地由于化肥农药等大量施用,原有土壤有机质养分长期得不到有效补充,造成土壤板结、酸化等问题也日益严重,需要以可持续的方式提升土壤肥力,以保证耕地质量。

市政活性污泥被世界水环境组织更名为“生物固体”,更加表明污泥是一种资源,含有丰富的氮、磷、钾等有机物,其特点和性质决定了污泥的根本出路是资源化。污泥中含有丰富的有机质及氮磷钾,是放错位置的资源,通过安全有效的处理,将污泥中的有益物质提取回收回哺土壤,在绿水青山不衰减的情况下,通过利用绿水青山的增量价值实现人类自然生态循环,再燃生态效益的增长,达到生态环境和经济效益双赢[1]。

02热碱分解/水解污泥处理处置及资源化利用技术原理

污泥热碱分解(水解)处理处置技术,通过热与碱的协同组合,在加热状态下,碱的加入降低了微生物细胞对高温的抵抗力。碱抑制细胞活性的同时,溶解脂类物质使污泥细胞破裂,释放出胞内物质,同时加快热对污泥中有机物的分解,破坏微生物及其组成物质,加快了污泥细胞的破裂进度,热碱组合提高了污泥破解效率。污泥水解过程中,Ca2+与蛋白质中间产物分子的终端羧基结合生成水溶性的钙盐,从而形成了独特的污泥热碱水解处理工艺以及伴随产生的优良的钙蛋白有机肥料。彻底实现污泥减量化(减量70%)、无害化(病原菌全部灭活)、稳定化(有机质降解50%)以及资源化(有机钙蛋白产品)利用。

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图1 技术原理图

03资源化产品特性

1.富含有机螯合钙

污泥热碱水解/分解处理,使Ca2+与生物质固废中的蛋白等有机物螯合成为有机态钙(氨基酸钙、多肽钙等),其资源化产品分别为液态——液体有机钙蛋白,固态——蛋白固体基料。碱性热水解处理过程中加入的钙离子与蛋白质中间产物分子的终端羧基结合生成水溶性的钙盐,即:有机螯合钙,钙螯合率为96%。在此过程中无机钙转变为有机钙,含有该成分的产品统称为有机钙蛋白。

有机态钙是植物可以即使直接吸收利用的有效钙。钙是植物营养必需的第四大营养元素(N、P、K、Ca);是组成植物细胞壁的重要成分,可以增强植物对环境胁迫的抗逆能力;是植物体内酶的组成成分和活化剂,可以防止植物早衰,延长贮藏期。有机钙蛋白是兼具有机肥、钙肥和土壤调理功能的新型肥料。

2.富含16种氨基酸

有机钙蛋白富含16种氨基酸,并含有氨基酸聚合物多肽。氨基酸可以完整分子形态被植物直接吸收。每种氨基酸对作物生长发育都具有其独特的功效,多种氨基酸的综合作用,使有机钙蛋白具有增强植物呼吸作用,改善植物氧化还原过程,促进植物新城代谢的良好作用。对促进光合作用和叶绿素的形成,种子发芽,营养物质吸收,根系生长发育等生理生化过程均有明显的促进和激活作用。氨基酸、多肽在改良修复土壤中,能有效抑制土壤中土传病害的发生,降低作物发病率和病情指数,可为土壤有益微生物菌群繁殖创造条件,农药施用量降低10-15%。与无机氮肥混合施用,可将无机氮肥的吸收利用率提高20%。

3.有机钙蛋白土壤修复改良机理

1)用于酸性土壤的改良修复

土壤含钙水平与土壤酸度密切相关,也可以说是土壤的酸化造成了土壤钙的贫瘠,而调节土壤酸度和提高供钙水平最理想的物料莫过于施用有机钙蛋白土壤调理型生物制剂,它能起到调酸、增钙与提高土壤有机质和养分的多重功效。提高土壤pH值,Ca2+代换Al3+,减轻Al3+毒害。

2)用于盐碱化土壤的改良修复

土壤盐化是指可溶性盐类在土壤表层和土体中的累积;土壤碱化主要是指由于土壤胶体表面吸附了相当数量的钠离子而导致土壤理化性质的恶化。

土壤碱化需具有两个条件。一是经历盐分的累积与淋溶;二是土壤胶体表面交换性钙离子与土壤溶液中钠离子发生交换作用,在以钠离子的吸附为主时,土壤发生碱化。土壤碱化过程是土壤胶体微粒双电层外围吸附的离子发生交换的物理化学反应。能够参与土壤吸收性复合体所进行的交换反应的阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+、H+与少量的K+、NH4+等,他们的相对交换能力Ca2+>Mg2+>K+>Na+。

有机钙蛋白土壤调理型生物制剂中的有机钙、可置换钙可以有效置换Na+,有效降低pH值,降低Na+浓度,减轻直至消除盐碱化土壤的危害。

3)用于防治缺钙引起的病害

用于缺钙引起的苹果苦痘病和水心病,番茄脐腐病,大白菜干烧心,以及对缺钙敏感的草莓、甜菜、大豆、马铃薯等作物。施用有机钙蛋白土壤调理型生物制剂,对补充土壤与作物中的有效钙,抑制缺钙引起的生理病害,抗重茬等是十分有效的。

4)用于重金属污染土壤的修复

钙作为植物必需的营养元素,还同时具有独特的解毒功能。增加土壤Ca2+浓度,提高Ca2+/Cd2+降低Cd2+浓度,利于重金属钝化和消除其活性。无论是土施还是水培,施钙对镉污染土壤都具有非凡的解毒作用。

04技术应用案例

1.天津项目

300吨/日污泥热碱水解及资源化处置项目:位于天津滨海新区,一期工程(150吨/日)在2012年10 月投产运行;二期(150吨/日)2015年投产。该项目获国家发改委2009年“资源节约与环境保护项目”1000万元资金支持,是天津市最具规模的污泥处理及资源化设施之一,目前处理来自塘沽、大港、津南和天津市区污水处理厂污泥。该项目已连续稳定运行近8年。

项目特点:

该污泥处理项目与津能国电热电厂、污水处理厂、建材厂相邻建设,在项目之间实现了固废和热能的综合循环利用:

1)热能的综合利用

一次热能利用:电厂产生的一次蒸汽(160℃饱和蒸汽)输送进入污泥处理厂,利用蒸汽潜热完成污泥处理处置,一次蒸汽冷却为蒸汽冷凝水;

二次热能利用:蒸汽冷凝水(80℃热水)输送至建材厂养护窑为建材养护提供热量后,水下降至50℃;

三次热能利用:养护窑供热完成的热水(50℃)在冬季输送至厂区办公楼作为冬季供暖热源。供热后的水温大约为30℃;

最终利用:最终该部分蒸汽冷凝水再回流至电厂循环利用。

2)固废处理及综合利用

污水厂脱水污泥送至污泥处理项目处理处置综合利用;电厂粉煤灰、炉渣等作为建材厂原料进行固废综合利用;城市建筑垃圾运至建材厂处理后作为建筑材料综合利用:

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图2 污泥接收及储存系统

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图3 污泥热碱水解处理系统

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图4 固液分离系统

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图5 蛋白浓缩系统

2.太原项目

太原项目建设在太原市循环经济环卫产业示范基地,项目规模一期500吨/日(2019年已投产),二期扩建至700吨/日,主要接收并处理处置太原市污水处理厂产生的脱水污泥。基地包括垃圾焚烧发电厂、餐厨垃圾处理厂、污泥处理厂等,是以固废综合处理及循环利用为核心的综合性示范基地。

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图6 太原项目现场照片

3.武汉项目

该项目建设在湖北省武汉市某污水处理厂内,污泥处理规模为120吨/日(已建设完成),主要处理该污水处理厂产生的脱水污泥。

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图7 武汉项目现场照片

05总结

市政活性污泥被世界水环境组织更名为“生物固体”,更加表明污泥是一种资源,含有丰富的氮、磷、钾等营养物质,其特点和性质决定了污泥的根本出路是资源化。另一方面,我国土壤过度使用化肥、缺乏有机质,土壤障碍问题日益突出。污泥热碱水解处理处置技术将这两个问题相结合在实现污泥无害化、减量化和无害化的同时彻底实现了污泥的全资源化,将污泥中提取回收的有益资源回哺到人类赖以生存的土壤中,实现自然生态循环。有机钙蛋白产品的应用将为盐渍化耕地和土壤的修复提供有力的技术和资源支撑,同时有机钙蛋白产品的应用可减少化肥施用量20%,减少农药施用量10%,减少作物对化肥和农药的依赖性,提升农产品品质,改善生态环境。“脱氮还田”是该技术对水处理行业以及中国农业的巨大贡献:将氮以有机氮的形式提取出来,并回用至农业,为绿色农业提供取之不尽的有机原料。符合国家拓展耕地以及建设绿水青山的长远政策。

作者简介:崔静(1978- ),女,高级工程师,工学博士,主要从事污泥处理处置技术及资源化产品利用的开发及产业化研究工作。

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