城市污水廠脫水污泥生物干化技術(shù)研究.pdf

1、近年來隨著城市污水廠規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的大量污泥已成為一個(gè)世界性難題。污泥經(jīng)脫水處理后其含水率仍高達(dá)80％左右。填埋、農(nóng)用、焚燒是當(dāng)前國際上應(yīng)用廣泛的污泥處置方法，但無論采用哪一種最終處置方法，減量化及穩(wěn)定化預(yù)處理都是必要的步驟。生物干化是基于堆肥化方法發(fā)展而來的一種新型減量化工藝。其原理是利用廢棄物本身所含的有機(jī)物好氧生物降解產(chǎn)生的熱量為驅(qū)動(dòng)力，配合通風(fēng)與翻堆形成的傳質(zhì)條件，使水分以蒸汽的形式進(jìn)入氣相，使廢棄物中的水分汽化并溢散，實(shí)現(xiàn)

2、含水率的下降和有機(jī)物的初步穩(wěn)定。本論文優(yōu)化了脫水污泥生物干化工藝關(guān)鍵操作參數(shù)，并研究了其水分去除與生物質(zhì)能利用的關(guān)系。對污泥及添加劑各自的好氧降解特征及其有機(jī)質(zhì)降解貢獻(xiàn)生物能進(jìn)行了分析。同時(shí)，還初步探討了污泥好氧生物降解過程中揮發(fā)性致臭物質(zhì)的釋放。最后，對太陽能輔助生物干化工藝效果進(jìn)行了研究。研究獲得了如下的創(chuàng)新成果：
　　 污水廠脫水污泥與添加劑混合物經(jīng)過15-18d左右的生物干化后，含水率可從初始階段的70％左右降低至50-

3、60％，減重率和減容率分別達(dá)到23-55％和27-35％。有機(jī)質(zhì)（VS）降解率達(dá)到19-38％。所得產(chǎn)物的低位熱值（LHV）不小于5000 kJ·kg-1。產(chǎn)物基本穩(wěn)定，沒有氣味散發(fā)，污泥粘性消失，有利于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和進(jìn)一步處理。實(shí)驗(yàn)測得污泥和物料混合物有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)熱率為21.0 MJ·kg-1BVS。因此，在較優(yōu)工況下物料產(chǎn)熱率約為6200 kJ·kg-1干固體。其中用于水分蒸發(fā)潛熱的熱量占總產(chǎn)熱量的60.6-72.6％。物料升溫顯熱與

4、氣流升溫顯熱分別占總熱量的1.5.6-34.4％和4.66-11.4％。如果將1-kg污泥的含水率從80％降至40％，約需要1667 kJ能量用于蒸發(fā)0.667kg水，根據(jù)本研究結(jié)果，生物能貢獻(xiàn)占需要能源的52.6％。
　　 實(shí)驗(yàn)研究了兩種通風(fēng)速率（相同通風(fēng)時(shí)間條件下等同于通風(fēng)量）與兩種翻堆頻率的交互影響規(guī)律。從結(jié)果來看，通風(fēng)量提高一倍，堆體升溫累積（TC）量降低13.7-17.0％，水分去除率提高2.86-11.5％，VS降解

5、率提高3.09-9.36％。相同的，翻堆頻率提高一倍，堆體升溫累積（TC）降低14.5-21.0％，水分去除率提高4.92-15.3％，VS降解率提高7.31-14.8％。從能量平衡計(jì)算結(jié)果來看，通風(fēng)量增加一倍，水分蒸發(fā)消耗熱量的效率僅提高4.46-5.07％。翻堆頻率增加一倍，則水分蒸發(fā)消耗熱量的效率降低14.0-14.7％。這是由于翻堆比通風(fēng)更能損失大量能量。因此可以推論，翻堆的功能能夠從一定程度上通過提高通風(fēng)速率實(shí)現(xiàn)，由此可減少翻

6、堆操作的能量消耗。而同時(shí)提高通風(fēng)量及增加翻堆頻率并無益處。
　　 以稻草、木屑和兩者的混合物作為添加劑時(shí)，在相同工藝操作條件下，稻草作為添加劑顯示出了顯著的溫度優(yōu)勢，而木屑則使堆體溫度最低。三種工況下所對應(yīng)的水分去除率分別為48.8％、62.3％和49.3％。物料的VS降解率分別為24.5％、31.0％和19.4％。其它指標(biāo)如總有機(jī)碳（TOC）、總凱氏氮（TKN）和化學(xué)需氧量（COD），均在稻草單獨(dú)作為添加劑時(shí)獲得了最高的降解速

7、率和總降解率。這是因?yàn)榉磻?yīng)后期稻草中的纖維素降解程度較大，堆體溫度再次升高，高溫促使有機(jī)質(zhì)降解，反過來，更多的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生了更多的熱量以維持堆體溫度。
　　 實(shí)驗(yàn)對比了稻草粒徑對生物干化效果的影響。小粒徑（2-5 mm）對有機(jī)質(zhì)降解更為有利（17.6％），但卻不利于水分去除（28.4％）。大粒徑稻草（20-30 mm）使得工藝運(yùn)行效果較差，有機(jī)質(zhì)降解率低（9.75％），水分去除率稍低（25.9％）。但與小粒徑相比，其單位有機(jī)質(zhì)

8、消耗去除的水分則較高。混合粒徑添加劑獲得了最優(yōu)的水分去除效果（31.0％）和最少的降解率（12.2％）。小粒徑、大粒徑和混合粒徑堆體總減重率分別達(dá)到23.0％、20.1％和23.3％，總減容率分別為27.0％、19.0％和25.4％。小粒徑與混合粒徑作為添加劑的堆體，顯示出了遠(yuǎn)高于大粒徑添加劑堆體的氧氣消耗速率。
　　 溫度反饋控制系統(tǒng)通風(fēng)，旨在改善氣流時(shí)間分布，使通風(fēng)量向高溫階段集中。實(shí)驗(yàn)研究了不同堆體設(shè)定溫度對生物干化效果的

9、影響。結(jié)果表明，生物干化過程約持續(xù)8天，中溫和高溫控制系統(tǒng)分別產(chǎn)生了36.8 h和18.4 h的通風(fēng)量。中溫控制生物干化效果優(yōu)于高溫控制。前者水分去除率比后者高5.80％。物料減重率高1.70％。該過程中有機(jī)質(zhì)降解率較低，但從VS、TOC、TKN和熱值的損失程度，可看出高溫條件下有機(jī)質(zhì)降解率比低溫條件高約37.9％。從生物穩(wěn)定性指標(biāo)，4天氧氣消耗量（AT4）可看出，高溫控制系統(tǒng)后期物料的降解能力增強(qiáng)，推測為添加劑秸稈在較高溫度條件下參與

10、了降解過程。
　　 在好氧降解之前對污泥進(jìn)行4 d的厭氧水解預(yù)處理，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的可生物降解性，可明顯提高后續(xù)處理過程中堆體的溫度。無預(yù)處理堆體最高溫度可達(dá)64℃，水解后再好氧降解，堆體最高溫可達(dá)75℃。但經(jīng)厭氧水解后，致臭物質(zhì)甲硫醇、二甲基二硫醚和丁酮的釋放量顯著增加，其它物質(zhì)乙醇、甲醇、苯乙烯等則有所減少。缺氧條件和好氧條件下，或在不同時(shí)段中，致臭物質(zhì)的相對含量會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。在初始0-3d，惡臭氣體大量釋放，之后迅速降低。硫化氫

11、和氨氣在初始階段（0-24 h）相對釋放量最大；二甲基二硫醚在48-72 h釋放最大；之后，甲硫醇和甲硫醚相對含量增大，成為優(yōu)勢致臭物質(zhì)。
　　 為進(jìn)一步降低生物干化產(chǎn)物含水率，將生物干化后的產(chǎn)物進(jìn)行太陽能輔助干化實(shí)驗(yàn)，可使物料含水率在較短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)降至40％以下。如延長太陽能干化時(shí)間，還可獲得含水率更低的產(chǎn)品。堆體厚度雖然對干化速率有顯著影響，但是其對相同時(shí)間內(nèi)總的干化量影響不大。干化過程中，其表層物料含水率在8 h以內(nèi)即迅速