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吉建斌的网易博客

吉建斌

 
 
 

日志

 
 

水热技术在污泥减量化和资源化中的应用  

2017-11-28 07:07:45|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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万晓,张妍,张超(北京健坤伟华新能源科技有限公司)

乔玮,夏洲,王伟(清华大学废弃物资源化与新能源技术研发中心)

(原载于水工业市场2010年第8期55至57页)

污泥是污水处理过程中产生的二次污染物,其中含有高密度的有机物和丰富的氮磷等营养物质,以及重金属、盐类、致病菌和寄生虫等有害成分,由于污泥处理处置不当而引起的环境问题已不容忽视。

一、胶体结构造成污泥处理困难

污泥是一种组成异常复杂的胶体混合物。在电子显微镜下观察可以发现,污泥中的水分与固体悬浮物一起被微生物细胞包裹形成菌胶团(见图1)。

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菌胶团的特殊结构造成污泥的粘度很高,常温下含水率90%污泥的动力学粘度可以达到100,000 mPa·s,而水的动力学粘度仅为1 mPa·s。在这种胶体体系中,水分与固体颗粒以及微生物细胞的结合力很高,常规的脱水方式很难有效脱出污泥中的水。依附在固体颗粒和微生物细胞中的各种污染物,也因为菌胶团胶体体系的束缚,很难采用常规手段加以处理或利用。

表现在实际工程中,机械脱水很难使污泥含水率降低到80%以下;厌氧消化处理污泥时,有机物的转化时间长,转化效率低;好氧堆肥时,空气很难与污泥充分接触,难以腐熟;热干化(蒸发干燥)时,高粘度导致传热传质困难,设备复杂(见图2)。

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因此,改变污泥的微观结构,破坏菌胶团胶体体系,使其中的水分和各种污染物得以释放,是降低污泥处理难度的根本途径。

二、利用水热技术改变污泥结构和性质

水热技术是在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行化学反应的各种技术的统称,在化工、冶金等领域被广泛应用。

1、污泥水热改性的基本原理

在水热反应体系中,水的性质发生强烈改变,蒸汽压变高、密度变低、表面张力变低、粘度变低、电离常数增大,离子积变高。利用水的这些性质变化,无须添加药剂即可对污泥进行改性。

研究证明,反应器内温度达到170?190℃,压力1MPa左右时,水热反应就可以对污泥进行有效的改性。在上述反应环境中,蒸汽压力升高直接导致污泥中微生物细胞破裂,细胞质释放。水的表面张力降低,分子热运动加剧,胶体结构的凝聚力降低;同时由于电离常数增大、离子积变高,有机物的水解反应得以加速进行,构成菌胶团结构主体的大分子有机物水解成小分子有机物。在这些因素的共同作用下,污泥的胶体结构被完全破坏,粘度降低到1,000 mPa?s以内,固体和液体有效分离。图3形象的描述了这一过程。

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图4是污泥经过水热改性以后的电镜照片,与图1对比,可以清晰的看出胶体结构被破坏后,水和固体的分散情况。

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水热反应对污泥的改性,突出的表现在两方面工程性质上:(1)胶体结构破坏后,污泥粘度降低,固液分离性能提升,脱水性能改善;(2)大分子有机物被水解成小分子,易降解的有机物比例提高,生物处理(消化处理)难度降低。

2、水热处理改善污泥脱水性能

污泥经过水热处理后,粘度的降低使得固液分离性能得到有效提高。如图5所示,图5(左)是静置10分钟后污泥沉降情况的对比。经过水热处理的污泥(右侧量筒)固液分离能力远远优于未经处理的污泥(左侧量筒)。图5(右)的沉降曲线是对此现象的量化表征。从沉降实验的数据看,水热处理后的污泥,在30分钟内即可完成自由沉降,而未经处理的污泥自由沉降非常困难。

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在实际工程中,水热处理后的污泥采用卧螺离心机脱水,干泥含水率为50%;采用隔膜压滤机脱水,干泥含水率为40%。

3、水热处理改善污泥消化性能

厌氧消化是污泥生物质能回收和利用的重要方式。污泥中的有机物主要存在于固相,尤其是微生物细胞质中。从厌氧消化的机理来看(如图6所示),固相有机物的消化要经历水解、发酵、产酸、产甲烷等阶段,固相有机物必须经历水解过程转变成可溶性有机物,才能被厌氧微生物有效利用从而完成消化过程。固相有机物的水解是厌氧消化的限速步骤。因此,传统的污泥厌氧消化停留时间长,有机物转化率低。

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水热技术对污泥进行改性的过程中,微生物细胞破裂,细胞质释放,随后难降解的大分子有机物在水热环境中发生水解,转变成易降解的小分子有机物。这一过程实际上是在厌氧消化工艺之前突破了消化的限速步骤,可以使厌氧消化的效率大为提高。

如图7 所示, 测定了不同水热反应条件下,污泥VSS和SCOD/TCOD的变化情况,借以表征污泥中固体有机物的水解率。随着水热反应温度的升高和反应时间的增长,污泥VSS的溶解率上升,170℃下可以达到45%的溶解率。相应的,溶解性COD占总COD的比例也提高到40%左右,固相有机物被转移到液相。

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静态厌氧产气实验证明了水热改性对提高污泥消化效率的作用。如图8所示,对比30天累积产气量,经过水热处理的污泥相比未经处理的污泥提高近一倍。

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采用ASBR反应器对水热改性污泥进行厌氧消化处理,如图9所示。有机物容积负荷可以稳定保持在10kg/(m3?d)左右,对应的总COD去除率达到55%。

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三、工程示范

先后在北京、东莞、无锡等地建设了水热技术示范工程,在工业化生产规模上对水热技术的核心工艺进行了验证和优化。

2009年3月6日,通过了中国环境科学学会主持的科技成果鉴定。

 

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关光(先生):北京北宇机械设备有限公司,18001368585

吉建斌(先生):18603463183,jzhx928@163.com

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