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其中外加酶水解技术、机械处理技术、热处理技术、热化学水解技术、电处理技术等污泥减量技术手段各有其不同的优点及缺陷,具体情况见表1。
2.2 污泥浓缩
污泥浓缩是指降低污泥的含水率,使污泥浓稠,缩小污泥体积,是污泥脱水前的必要过程。污泥浓缩主要是去除污泥中的间隙水,含水率99.8%的剩余活性污泥,经过浓缩后污泥含水率可降到96%左右,可大大降低污泥的体积和后续污泥处理难度及费用。污泥浓缩的常用方法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。
重力浓缩主要依靠水与污泥间的密度差,污泥下沉至罐(池)底部排出,水分从泥中分离出来由罐(池)上部排出。重力浓缩是污泥自然压缩沉淀过程,一般需要较长时间,特别是黏度大污泥浓缩效果较差。对此,一般污水处理厂经常采用污泥加温的方式,可加速污泥沉淀过程及效果,实现泥水的良好分层。常见的重力浓缩池有二沉池、污泥浓缩罐等。对于密度与水密度接近的污泥,不易实现重力浓缩,可选用气浮浓缩。气浮浓缩主要依靠加压空气释放微小气泡与污泥作用,在混凝剂的作用下,污泥与气泡黏附形成较大颗粒,悬浮于池体表面,通过刮渣机去除。对于难于脱水的污泥,可采用离心浓缩法。离心浓缩是利用污泥中固体物质与水的比重不同,利用离心力使泥水分离。离心浓缩处理效率远远高于重力浓缩,重力浓缩池内十几个小时达到的浓缩效果,离心浓缩几分钟即可达到,且离心浓缩出泥含水率可达94%以下。为提高离心浓缩效果,一般须要加入聚丙烯酰胺等絮凝剂。
2.3 污泥消化
污泥消化其原理主要依靠好氧或厌氧消化的内源代谢作用。内源代谢主要是指当外部可利用的基质消耗殆尽时,一部分细胞出现死亡和溶解,其细胞内存储的有机物被活细胞利用来维持生命的现象。好氧消化是在有氧的条件下,通过细胞的内源代谢作用,将污泥转化为二氧化碳和水,以实现污泥减量。厌氧消化是在无氧条件下,通过细胞的内源代谢作用,将污泥转化为甲烷,以实现污泥减量。一般厌氧消化应用比较普遍。厌氧消化的水解过程非常缓慢,为此须要提高初始阶段的污泥水解作用,加快反应进度,需要在厌氧消化前设置预处理工艺来克服。主要的预处理工艺有:酶水解技术、机械破解、超声波破解技术、热解处理、臭氧氧化技术、化学和热化学水解、强氧化剂氧化技术、电处理技术等。厌氧消化污泥减量的主要工艺流程为,剩余污泥先经过污泥浓缩池,进行泥水分离浓缩,提升污泥浓度,再经过预处理工艺提高初始阶段污泥的水解作用和污泥降解速率,然后再进入厌氧消化池,通过内源代谢作用降低污泥产量,最后经过污泥脱水机脱水,降低污泥含水率。主要工艺流程如图2所示。
厌氧消化不仅可以减少剩余污泥的污泥量,还可以产生沼气来回收能源,具有一定的经济效益。厌氧消化可在中温条件(33~35 ℃)或高温(53~55 ℃)条件下进行,通过预处理工艺提高污泥的水解率后,促进了污泥的减量和沼气的产生。在中温厌氧消化中可降解约40%~45%的有机质,TSS的降解率约为30%。
2.4 污泥脱水
污泥经浓缩、消化处理后其污泥含水率仍然在95%以上,体积很大,须要对污泥进行进一步脱水操作。脱水主要是去除污泥中的吸附水和毛细水,脱水后污泥含水率可达到60%~85%,形成泥饼,失去流动性。
污泥脱水的方法有自然干化法和机械脱水法。自然干化既是将污泥平铺于地面,依靠渗透和蒸发使污泥干化的方法。根据污泥的性质和气候条件的不同,污泥经过一周到几周的自然干化后,含水率可降到70%。自然干化法能耗较低,但因占地面积大、存在大气污染、受气候条件影响较大等问题,使自然干化法的推广受到限制。目前采用较多是机械脱水法,如选用真空过滤脱水、压滤脱水、离心脱水。机械脱水法须要对污泥进行脱水前的预处理。预处理的方法有很多,其中应用最广泛的是加药调理。加药调理是指向污泥中投加化学药剂,使污泥改变胶体结构,减少污泥与水的亲和力,提高污泥的脱水性能。机械脱水法占地面积小,脱水效果稳定,可实现连续生产运行。实际生产中,常将污泥浓缩与机械脱水组合使用,可大大提高污泥脱水效果,降低后续污泥处理难度。
2.5 污泥干化
经机械脱水后的污泥含水率一般在60%~85%,若直接外运处理则需要很高的处置费用,因此须要对脱水后的污泥进行干化处理,使其污泥含水率降低到40%以下,以提高污泥热值,降低污泥总质量,为下一步污泥外运或污泥焚烧奠定基础。
污泥干化是污泥深度脱水的一种形式,是污泥焚烧的预处理装置。污泥干化主要是去除污泥中的间隙水、毛细结合水、表面黏附水和内部水,采用的能源主要是热能。根据热介质的不同可分为,电能污泥干化法、热水干化法、蒸汽干化法、太阳能干化法、天然气干化法、炉窑烟气余热污泥干化法。实际生产中蒸汽干化法应用比较广泛。蒸汽干化法是利用蒸汽作为能源,使污泥中的水分蒸发,降低污泥含水率,实现污泥减量目的。下面是经过考察、调研几种不同污泥干化技术比选情况,详细见表2。
通过表2可以看出,不同污泥干化技术,均有其不同的特点,但普遍存在的是现场异味问题,须进行气味回收处理。某化工厂选用伞式蒸汽干化技术,处理污水处理场60%~85%脱水后污泥,污泥处理量2t·h-1。经过近两年来的运行,污泥干化后含水率可达到30%左右,基本实现了最初的设计目的。但现场运行中仍存在以下问题,值得借鉴:①蒸汽采用低压蒸汽,温度低,换热效率低,特别是对于含水率高的污泥处理效果不理想;②干料污泥螺旋输送机故障率高,主要是污泥堵塞螺旋轴,造成轴弯曲、故障停机;③现场及周边环境臭味污染严重,须进行VOCS处理;④干污泥装卸袋、车粉尘污染严重,须考虑密闭的机械化装车方式。
2.6 污泥焚烧
污泥焚烧是使污泥在高温下燃烧,将污泥中的水分、有机物全部去除的方法。焚烧后,污泥本身变为灰烬,S、N、金属和其他元素完全被转变成各种最终产物,污泥含水率为零。该方法不但大大减少了污泥的体积和质量,而且杀死一切病原体,使污泥不再具有污染能力,实现了污泥的无害化。炉内停留时间、燃烧温度、氧含量以及污泥水分和污泥热值是污泥焚烧的主要控制因素,对污泥焚烧的效果有很大影响。
1)停留时间。为保证污泥的完全燃烧,必须使污泥在燃烧室中有足够的停留时间,具体可根据污泥的含碳组分、热值等情况确定。
2)温度。燃料只有达到着火温度,才能与氧气反应燃烧,因此燃烧室温度必须保持在燃料起燃温度以上。
3)氧气。氧气是污泥燃烧的助燃物质,氧气含量越高,污泥越易燃烧。
4)污泥水分。污泥焚烧时水分受热蒸发,水分不断置换,能量消耗增多。
5)污泥热值。污泥热值的高低由可燃质的含量决定。污泥的可燃成分越多,热值越高,燃烧效果越好。
目前,污泥的焚烧方式有单独焚烧、混合焚烧两大类。单独焚烧须要对含水率高的污泥进行热干化处理,否则污泥焚烧困难,需要在炉内停留较长时间。混合焚烧适用于污泥热值较低污泥,可通过掺杂富氧空气、富余的干气等辅助燃料,提高焚烧效率。
污泥焚烧设备主要是焚烧炉,主要有流化床炉、回转炉、立式炉及立式多段炉等多种炉型。国内现已运行的污泥焚烧炉多为流化床焚烧炉,其能够满足物料充分混合,提供充足热量,实现彻底燃烧。严格控制焚烧时间及焚烧温度,可以有效控制有毒气体的产生。灰渣是污泥焚烧后的最终产物,可以再次利用制成建筑用砖等,从而实现了污泥这一危险废物的零污染、零排放,完成了污泥处置的良性闭环管理。
3 结束语
污泥处理是保证污水处理厂良好运行的重要环节,降低污泥产量,使污泥能够稳定化、无害化及综合利用是企业追求的最终目标。但在中国无害化及综合利用缺乏最终的处置手段,研究发现污泥农用、污泥堆肥等方法因土地板结、肥效低下等问题,在国内并没有得到推广,中国目前最主要的污泥处置方式为污泥填埋(占90%),而随着污泥产量的增加,填埋场地问题也越来越突出,大多城市已经出现无地填埋的尴尬处境,导致污泥处置的费用越来越高,所以污水处理厂污泥减量化急需一套完整的处理体系,无论是在水处理环节,还是污泥处理环节,均应加大对污泥减量化技术的研究和落实,推动污泥最终资源化进程。污泥焚烧可以作为污泥最大减量化、资源化的一种技术手段,可根据污泥热值情况,进行单独焚烧或者混合掺烧。但污泥焚烧还存在一些弊端,需要市场反复的验证,以及更深一步的研究与探讨。
作者:宋艳会 李兵 杨培君 李元明 李家乐 魏志刚
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