汙泥處理處置相關技術及優缺點分析
发布时间:2019/8/16 浏览人数:110

現階段汙泥的处理处置技术主要指对汙泥进行浓缩、调节、脱水、稳定、干化或焚烧的加工过程,以达到对汙泥减量化、稳定化、无害化。目前常用的汙泥处理处置技术有:厌氧消化技术、好氧发酵技术、深度脱水技术、热干化技术、石灰稳定技术和焚烧技术。

1、厭氧消化技術

汙泥厌氧消化是指汙泥在无氧条件下,由兼性菌和厌氧细菌将汙泥中的可生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等,使汙泥得到稳定的过程,是汙泥减量化、稳定化的常用手段之一。汙泥厌氧消化具有减少汙泥体积、稳定汙泥性质、产生甲烷气体等优点。

传统的汙泥厌氧消化具有反应缓慢、有机物降解率低和甲烷产量较低的缺点,限制了厌氧消化技术优势的发挥。根据Bryant的三阶段理论,水解是汙泥厌氧消化过程中的限速步骤。因此,从20世纪70年代起,人们对包括高温热水解、超声波预处理、碱解预处理和臭氧预处理等物化方法在内的各种汙泥厌氧消化强化技术开展了研究,通过击破汙泥的细胞壁,使胞内有机物质从固相转移到液相,促进汙泥水解,提高汙泥厌氧消化效果。

随着各国汙泥量不断增加和对能源的需求、处理后汙泥品质要求的不断提高,一些原有的汙泥厌氧消化设施面临扩容和改造。汙泥预处理技术可以改善汙泥厌氧消化效果、改善汙泥脱水效果和提高沼气产量,在一定程度上能够替代消化池扩容带来的效益,因此得到了广泛的研究应用。其中,高温热水解技术相对较为成熟,目前,该技术已开发出Cambi热水解、Biothelysis热水解和Monsal酶解等多种工艺,近年来在欧洲得到推广应用,挪威、英国和澳大利亚均有成功应用的案例。

针对传统汙泥厌氧消化含固率低的限制,高含固汙泥厌氧消化技术的研究也成为热点。高含固汙泥厌氧消化的优势在于沼气产生效率高于传统的厌氧消化,原因是进泥含固率大幅升高,厌氧消化池内单位微生物量能接触消化的有机物量大为提高,其产气效率和处理负荷亦随之提高。目前国外已开发出多种高含固汙泥厌氧消化技术,并已在实际工程中得到应用,如芬兰的HLAD工艺,控制进入预反应池的汙泥含固率为10%~15%,产气效率相比传统汙泥厌氧消化高出30%。

技術優點:

厌氧消化过程可杀死部分病原菌和寄生虫卵,使汙泥得到稳定化,不易腐臭。

厌氧消化过程产生沼气,可实现汙泥生物质能的有效回收。

厌氧消化可降解汙泥中35%~50%的挥发性固体,减少汙泥干固体量,有利于降低后续汙泥处理处置费用。同时厌氧消化有助于提高汙泥脱水性能,脱水后汙泥体积可进一步减少。

技術缺點:

維持厭氧消化所需溫度需消耗大量熱能。

汙泥厌氧消化工艺停留时间较长,通常要达到20~30d,造成厌氧消化池体积庞大,操作管理复杂。

産甲烷菌對環境條件要求較高,啓動階段必須進行菌種培養,初期調試時間長。

厌氧消化之后汙泥的含水率仍较高,必须进行后续处理,常用的手段有热干化和深度脱水。

2、好氧發酵技術

好氧发酵是在有氧条件下,微生物通过吸收、氧化、分解等活动,把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,同时释放出可供微生物生长活动所需的能量;而另一部分有机物则被合成为新的细胞质,使微生物不断生长繁殖,产生出更多的生物体的过程。汙泥高温好氧发酵不断地分解有机物,使堆体温度不断升高,并能将其中的病原菌和寄生虫卵杀死,使之无害化。汙泥高温好氧发酵的产品称为堆肥,可以用作土壤改良剂和有机肥料。汙泥高温好氧发酵应重视汙泥重金属污染问题,处理过程中由于好氧细菌的作用易产生恶性臭气,所以应防止臭气污染,处理后的汙泥含水率一般可低于40%。

目前汙泥堆肥采用的主要工艺形式分为静态和动态两种,又可根据物料堆放形式分为条垛式和仓式两种,其它还有一些反应器形式的堆肥一般应用于小型项目中。

制约汙泥堆肥技术工业化应用的瓶颈主要有五个方面:占地面积、臭气外排造成的二次污染、干物料的投加和安全储运、汙泥的最终处置和操作员的健康安全问题。相较于静态堆肥仓工艺,动态堆肥仓工艺在这五方面有了一定的突破。我国在机械翻堆工艺和强制通风静态堆肥工艺基础上,开发出了具有自主知识产权的CTB自动控制生物堆肥成套技术,该技术堆肥耗时短、占地面积小,无恶臭、废水等二次环境污染问题,技术的完整性和配套性好。而新发展起来的汙泥好氧堆肥工艺(SACT)是基于卧式敞口发酵槽理论,通过构筑物形式、机械翻堆设备改进、自动进出仓系统的采用等方面进行改进和创新,形成了完整的自动化堆肥系统理论,在工程应用中进一步降低了投资和运行成本,取得了良好的工程效果。

技術優點:

好氧发酵工艺能杀灭汙泥中病原菌和杂草种子,达到无害化。

好氧发酵工艺能降解汙泥中大部分有机物,并且使汙泥的含水率降到40%,达到减量化。

好氧發酵後制成的肥料可應用于土地,達到資源化。

不需外加熱源,運行成本相對較低。

技術缺點:

汙泥泥质不稳定,其中重金属难以稳定化,使用面较窄,只能用作园林绿化用肥。

占地面積較大。

堆肥過程中産生大量的臭氣,汙染周邊環境。

3、深度脫水技術

近年来,汙泥脱水技术得到了很大的发展,技术突破集中在汙泥脱水前调理剂的研发和脱水机械设备的改进等方面。目前,采用汙泥药剂调理+机械脱水的技术,在湿汙泥原泥中加入汙泥调理剂破坏汙泥絮体微生物结构并溶胞,分离出物理性结合水。使微生物的生物体的水分分离,最终使汙泥中的结合水大部分转化为自由态水,再通过机械脱水设备将自由态水分分离。该技术已在制革汙水處理厂汙泥处理中规模化应用,处理后汙泥含水率可低于50%,为满足汙泥后续处理处置的要求,需要进一步降低常规机械脱水汙泥的含水率。_ueditor_page_break_tag_

汙泥的调质处理是汙泥深度脱水的关键环节和核心技术,可以说汙泥调理技术决定汙泥深度脱水项目的成败。国内汙泥调质的方法比较多,普遍采用在汙泥中添加脱水剂、絮凝剂或混凝剂的方法,改变汙泥中水分子(主要是间隙水和毛细水)存在方式和结构,有利于水与泥在一定条件下实现分离。常用的调质药剂为氯化铁(或硫酸铁、聚合硫酸铁)加生石灰。

汙泥深度脱水设备主要是高压隔膜板框压滤机,通过从汙泥外部施加压力,使调质后的汙泥中的水分沥出并分离,得到含固率较高的泥饼。国内设备制造厂商比较多,品牌知名度较高设备性能较好的有山东景津、杭州兴源等,设备制造工艺和质量已经日益完善。

技術優點:

減量效果好,能源消耗低,占地面積小,建設周期短,處理時間短。

技術缺點:

氯化铁具有强腐蚀性,生石灰容易结垢,导致高压隔膜板框压滤机运行维护费用较高,稳定与杀菌不足,略臭,汙泥中有机质含量未降低。

4、汙泥热干化技术

汙泥的热干化是指通过汙泥与热媒之间的传热作用,脱除汙泥中水分的工艺过程。汙泥热干化系统主要包括储运系统、干化系统、尾气净化与处理系统、电气自控仪表系统及其辅助系统等。

按汙泥被干燥的程度不同,分为全干化和半干化两种,“全干化”指较高含固率的类型,如干化后汙泥的含固率85%以上;而半干化则主要指干化后汙泥的含固率在45~60%左右的类型。按汙泥干燥的形式,将汙泥干化分为直接干化和间接干化两种,直接干化是利用热的干燥介质(如烟气)与汙泥直接接触,以对流方式传递热量,并将蒸发的水分带走,也称为热对流干化系统;间接干化是利用传导方式由热媒(如蒸汽等)通过金属壁面向汙泥传递热量,蒸发的水分通过载气(如空气)带走并洗涤冷凝,也称热传导干化系统。

目前汙泥干化所采用的干化机主要有:对流方式传热的流化床干化机、转筒干化机、带式干化机,传导加热方式的转盘式干化机、浆叶式干化机、对流与传导加热相结合的涡轮薄膜干化机等。

汙泥显著减容,体积可减少约4倍。

干化处理后可形成稳定产品,汙泥性状大大改善。

干化处理成品无臭且无病原体,减轻了汙泥有关的负面效应,使处理后的产品更易被接受。

幹化處理成品具有多種用途,如作肥料、土壤改良劑、替代能源等。

技術缺點:

投資大,能耗高,運行成本高。

高溫幹化易産生臭氣。

幹化過程粉塵控制要求嚴格,存在安全隱患。

5、石灰穩定技術

通过向脱水汙泥中投加一定比例的生石灰并均匀掺混,生石灰与脱水汙泥中的水分发生反应,生成氢氧化钙和碳酸钙并释放热量。石灰稳定技术可有效起到除臭、灭菌、抑制腐化、脱水、钝化重金属离子等作用。

典型的工艺流程为:含水率80%的汙泥由螺旋输送机送至料仓暂存,通过计量输送装置使汙泥和生石灰按质量比4:1的配比分别送入物料反应系统。在物料反应系统内,汙泥和生石灰发生化合反应,使系统内的温度迅速升高到100度,汙泥中的水份被大量蒸发,完成汙泥的干燥、脱水过程。干化后的汙泥通过双螺旋混合器输送至室外堆置棚进行堆置贮存。为防止汙泥干化工程中产生二次污染,可以通过添加除塵、除臭設備實現對排放出的石灰粉塵和惡臭氣體的處理。

在實際應用中,除了投加石灰外還往往投加其它輔料以增強效果,這些輔料有的含N,增加NH3氣體的産生,強化殺菌且有利土地利用;有的爲強酸的鐵鹽和鋁鹽,提高反應溫度同時使固體無機成份的比例更適合于建材利用;一般都爲酸性,除了增加放熱外還能適度調節PH,共同的作用都是減少石灰加量,節約費用。

技術優點:

投資小,運行成本低,占地面積小,操作管理簡單。

可以有效消滅細菌,且無細菌再生的風險。

幹化産物富含含大量氫氧化鈣、氧化矽、碳酸鈣等物質,可以作爲建築材料的基材、道路基礎輔料、垃圾填埋場的墊層土、道路施工用的回填土等使用。

石灰稳定汙泥pH值较高,可作为焚烧设备的脱硫剂。

尤其適合應急或階段性處置。

技術缺點:

由于添加石灰量大,減量化程度相對其他工藝不高。

呈強堿性,土地利用價值低且面窄。

藥劑使用費高。

6、汙泥焚烧技术

汙泥焚烧是指汙泥在一定温度,充分有氧的条件下,使汙泥中的有机物质转化为CO2、H2O、N2等,反应过程中释放出来的热量用于维持反应的温度条件。汙泥焚烧是最彻底的汙泥处理方法,它能去除全部有机物,杀死全部病原体,最大限度地减少汙泥体积。

汙泥焚烧一般采用流化床工艺,分为固定(鼓泡)流化床焚烧炉、循环流化床焚烧炉和回转式流化床焚烧炉等。汙泥焚烧的烟气应进行处理,并满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》等有关规定。汙泥焚烧的炉渣和除塵设备收集的飞灰应分别收集、储存、运输。国家鼓励对符合要求的炉渣进行综合利用:飞灰需经鉴别后妥善处置。汙泥焚烧工艺在经济较为发达的大中城市应用较广。一般采用干化焚烧的联用方式,提高汙泥的热能利用效率。

技術優點:

采用焚烧法处理汙泥,可最大程度地实现“减量化、稳定化和无害化”。

焚燒後的灰渣根據重金屬含量可選擇直接或使用重金屬螯合劑處理後進入填埋場,也可用作建築材料或鋪路等。_ueditor_page_break_tag_

技術缺點:

投資大,設備維護成本高。

汙泥本身热值低,需与生活垃圾、煤等掺烧,运行成本高。

尾氣排放量大,易造成二次汙染。

7、綜合評價

汙泥处理的目标是减量化、稳定化、无害化。要想作为资源利用是一种向往,与现实有较大距离,普遍“化”不了,还不能作为必须达到的目标。各种处理方法相比较,各有不同的优势。

減量化的程度,熱幹化和焚燒是最高的。石灰穩定和好氧發酵(堆肥)處于相當水平,一般可達35%(好氧發酵因不同工藝、不同的菌種和稭稈類輔料的投加比例不同有較大的變化輻度爲15~40%)。比化學調理後深度脫水(42%)差,但産物的含水率卻低些(因爲投的固體量較大),消化+半幹化爲50%,幹化焚燒爲95%,但經濟投入要大得多。

穩定化程度,熱幹化和焚燒是最徹底的。石灰穩定、好氧發酵、厭氧消化也都能達到較好的穩定程度,深度脫水則尚有差距。

無害化程度,熱幹化和焚燒殺滅病原體最徹底。好氧發酵和石灰穩定殺菌能力其次,厭氧消化和深度脫水殺菌能力略有不足。

占用土地方面,石灰穩定和深度脫水技術處理時間短,占用土地最少。而好氧發酵與厭氧消化一般用時較長,占用土地面積大。

經濟性方面,石灰穩定的建設投資和運行成本是最低的,厭氧消化,好氧發酵,深度脫水其次,熱幹化和焚燒技術投資和運行成本較高。