2016年4月8日,在《中國給水排水》雜志主辦的中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會(第七屆)上,清華大學環(huán)境學院王凱軍教授圍繞“創(chuàng)新厭氧技術引領厭氧領域新格局”作了精彩發(fā)言。分析了我國污泥處理處置現狀、厭氧消化技術現狀和挑戰(zhàn),提出了厭氧消化技術創(chuàng)新思路。
王凱軍:感謝大會主席、感謝舉辦方邀請!剛才曉虎教授說他參加了4次,我想至少參加了3次,在其他的污泥會上介紹過污泥的相關技術,主要是宏觀的,這次就談一些微觀技術的問題。
一、我國污泥處理處置現狀
我國污泥處理處置現狀,這張片子主要講現在2015年3500噸也好,4000噸也好,到2020年達到6000噸也好,污泥的量是在不斷的增加,確實達到相當的數量。國家的"水十條",建設部、發(fā)改委等相關文件都有相關的要求,技術路線以前都在講不是非常明確,實際上從現有的政策來講,資源化、能源化導向是非常明顯的,而且從政策的導向來看,從這幾年發(fā)布的國家級別的文件來看,厭氧消化占據了重要的位置。
既然這個題目是講厭氧消化,我個人認為厭氧技術是生態(tài)文明建設中的關鍵技術,比剛才提的位置應該更高,因為在各個領域如果講可再生能源等等,厭氧技術無疑是一個減排的關鍵技術,而且在資金、金融追捧來講除了膜技術、新技術達到100倍以上,我想在可再生能源,在厭氧領域我知道有達到300噸以上,這個概念也是非常引人注目的概念。就不展開說這個內容了。
二、厭氧消化技術的現狀和挑戰(zhàn)
污泥厭氧消化的技術瓶頸主要包括:
1、污泥破壁問題:細胞壁結構穩(wěn)定、難于生物降解。需要解決細胞壁的破壁難題,才能保證污泥的有效降解。美國的法案中規(guī)定污泥厭氧消化的穩(wěn)定化程度達到不小于38%。
2、反應效率低:普遍消化技術難以實現高效甲烷化,需要解決水解酸化菌環(huán)境。
3、厭氧系統(tǒng)能量凈輸。
這三個方面有不同的技術路線。第一個破壁問題,有微波的等等預處理手段,但是現在大家好象都認同熱水解,熱水解確實能使得破壁,同時使得不流動的厭氧污泥變得流動。以威立雅為例,以前的池容比較大,停留時間比較長,通過熱水解之后污泥濃度提高的本身使得池容消減,同時效率負荷也提高,但是它仍然采用的是厭氧消化池,在某些程度上緩解了這種問題。我們可以期待北京的污泥厭氧消化工程能夠有好的表現,北京的污泥有機質含量有時候是比較高的,可達60%以上。
第二個問題我們談到的是酸化水解問題,30年前、50年前教科書都知道有中溫消化、高溫消化,厭氧酸化菌非常奇怪在35度活性最高,在50度的時候表現也非常好,但在40幾度的時候活性就降下來了。所以我們在十二五的時候開發(fā)了一個溫度分級生物分相,就是利用水解酸化菌在45度到50度之間進行溫度分級,進行水解酸化。而在第二級是采用厭氧消化,這個技術應該說跟美國推行的高溫分級分相是不太一樣的。
它應該說簡化了流程,45度之后直接進入了中溫厭氧之后,不需要再額外的加熱的系統(tǒng),而美國提的高溫的東西、冷卻換熱等等系統(tǒng)比較復雜,通過我們的效果大家來看,這組數據甲烷的產率提高比較大,中溫的消解率也比較提高。我想這是針對水解酸化做的一些工作。
第三個問題針對我們國家的厭氧消化之后能源自給率非常低,20%左右不到30%,國外可能30%到50%,而通過一些措施是可以提高的,比如說通過熱電聯(lián)產、高濃度厭氧消化、污水處理廠的節(jié)能,能夠提高污水廠的自給率,而進一步通過水熱還可以提高,通過共消化可以更高的提高能源自給率,甚至有些區(qū)域聯(lián)合治理,比如說幾個污水廠合在一起,比如跟餐廚共消化,這是一個運行方式,并沒有提高增量,這種運行方式使單一的廠子有比較好的表現。這是三個主要問題和現在國內的進展。
講厭氧的話,我們回顧厭氧發(fā)展的歷史,大家看污水處理最早是從厭氧開始的,我們從腐化池,包括三幾年的時候提出的厭氧接觸工藝,值得一提的70年代中期荷蘭的學者發(fā)明UASB把負荷大幅度的提高,在UASB里生成顆粒以后采用EGSB和IC反應器,使得污泥的處理能夠達到50到100以上,這是一個巨大的進步。
相反的我們的厭氧消化池有一些進展,這是比較重大的環(huán)境領域的共性技術,它可以處理污泥、處理餐廚、可以處理畜禽糞便,甚至現在農業(yè)用它處理秸稈,我們還有一些廠用它處理垃圾,但是幾十年后進展有限,只是在材料、攪拌、發(fā)電設備等等進行了一些改進,在原理上比幾十年前沒有太大的改變。
在污泥處理里頭有一個問題,采用消化池以后它的經濟效益低下,因為采用厭氧消化池處理之后沒有完,污泥需要不需要高干脫水,需不需要堆肥、焚燒,后續(xù)處置怎么辦,我們的投資已經20多萬到60萬,每噸污泥的費用都上百塊錢以上,在這樣的情況下后續(xù)再加上,比如德國厭氧消化后還需要焚燒,在歐洲厭氧消化以后還要做堆肥的,所以它的經濟效益是非常差的。這是簡單的一些統(tǒng)計,怎么解決這一系列的問題,我剛才說涉及到共性的反應器,反應原理的問題。
此外,厭氧消化池應用領域和問題,像污泥與秸稈廢棄物,預處理要求高,停留時間長,產氣率低。污泥與餐廚垃圾,負荷低。還有就是畜禽廢物以及污泥。這里停留時間長,污泥大約20天,在德國都是大于40天的,今后要用在垃圾上可能停留時間更長。
三、厭氧消化技術創(chuàng)新思路
1、推進器要用火車從工廠運到發(fā)射點,路上要通過隧道,隧道的寬度只比火車軌道的寬度寬了一點點
2、美國鐵軌之間的距離是英國鐵路的標準,因為美國的鐵路最早是由英國人設計建造的
3、英國鐵路是建電車的人設計的,最先造電車的人以前是造馬車的。
航天飛機的大小是怎么確定的?時間原因就把文字給大家過出來,由于運輸兩個輔助的推翼的大小來決定的,在美國,這推翼的大小跟它的運輸工具有關系,用火車運輸,又跟隧道有關系,又跟鐵道的軌道有關系,最終推下來以后跟古羅馬的馬車有關系,最終決定是跟馬屁股的大小有關系。
提出這個東西實際是問一個問題,我們的厭氧消化一定要用厭氧消化池嗎?厭氧穩(wěn)定一定要產甲烷化嗎?實際上在厭氧的水解酸化階段已經完成了有機物的分解,固體的污泥已經變成了溶解性的狀態(tài),如果把污泥拿出去就已經完成了污泥的穩(wěn)定化階段,而產甲烷是溶解性狀態(tài)的問題。
在厭氧消化里頭產生各種物質,甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等等,實際上國際上對PHA燃料以及合成新的脂肪酸都有一些研究,這些研究是建立在水解酸化的基礎上,所以現在這些研究在一個VFA平臺,在這個平臺上我們可以做很多不同于傳統(tǒng)的事情,而且它產物的價值也遠遠高于沼氣,這個乙醇、丁酸、PHA等等都是幾倍的甲烷,甚至天然氣的價格也是高于它的。
第二個它的反應時間非常短,甲烷化由于甲烷的時間長要20天、30天、40天,而酸化發(fā)展非?,幾天能完成,相對來講列了一些非甲烷化的優(yōu)勢。
所以應該說產酸發(fā)酵成為現在的厭氧消化非常重要的研究熱點,有了這樣的想法我們怎么來實行這個東西,就是"師法自然"。我們知道一些人、動物對有機物降解的效率遠遠高于我們現在的反應器,F在看方的是攪拌,綠的和黃的是酸堿的合流,條件的不同,實際簡單說對食草性的動物和對雜食性的動物胃的消化系統(tǒng)是完全不同的,這是把胃的消化系統(tǒng)在生物角度上來進行的一項分解。
基于這個我們來看人的胃的消化系統(tǒng)是什么,到胃里是胃酸為主,通過混合反應器最后完成了消化過程,根據這個特點來看,對雜食類動物要考慮它的反應條件,現在的反應器是不是最合理的反應器。我們也看一下兩項消化,水解酸化,如果控制PH,起碼在酸化項6左右,產生了主要的丁酸、丙酸、乙酸。如果我們不控制PH在一定的很短的停留下PH會下降,丁酸和乙酸的數量就會產生變化,特別重要的是在PH等于4以后乙醇就產生了,所以我們就控制在PH等于4的情況下,可以看乙醇這樣的主導產物。
所以我們在不同的符合下,10公斤、20公斤、30公斤的符合下,控制PH4的情況下,主要的產物是90%以上都能形成產乙醇、產乙酸。這樣的話我們把所有的產物類型進行定義提出一個產乙醇發(fā)酵途徑。有什么好處呢?這也是稍微理論一點,厭氧產甲烷的過程,如果是丙酸的話,非常小的3秒是適合它的情況,如果是丁酸的話會大一些,乙醇會更大,也就是說酸化的可能性、抑制的可能性會大大降低,是這樣的思路導致了我們進行了一些開發(fā),具體開發(fā)的結果下面會說。
第三點厭氧顆粒污泥取得成功,顆粒污泥是提高反應器和效率的有效技術。怎么提高效率,我們實際上剛才在低PH下不同負荷的圖可以看出來,在高負荷下效率是下降的,所以整個提高效率其中之一是產酸的情況下能不能形成顆粒污泥。
我們兩種方式進行了培養(yǎng),一種最傳統(tǒng)的國際工藝方式,一種好氧顆粒污泥的方式。產氧污泥跟酸化合起來以后,我們酸化負荷達到20公斤,而后續(xù)處理的負荷也是能夠達到23公斤,從整體上來看,一個產酸的反應器加一個甲烷的反應器的話,整體的負荷達到平均20公斤左右,整個的停留時間達到了不到4天,而上一個圖可以看出水非常好,出水總的COD是500毫克升。這是用餐廚垃圾做的一個結果(PPT)。
第四點就這個思路往下推進,我們是不是能夠進一步開發(fā)仿生的開發(fā)器。牛,我們大家都知道,是靠綠色食物生存的,所以有瘤胃,瘤胃反應器大家研究得比較多。我們看瘤胃它的負荷非常高,瘤胃是一種能夠達到130公斤和100公斤以上,相等的秸稈我們要處理厭氧的話只能到3公斤,差了2個數量級。
那么瘤胃系統(tǒng)跟我們的反應器有什么不同?微生物一個瘤胃細菌,一個厭氧污泥,我們的反應器是恒定的PH,瘤胃是動態(tài)的PH,我們是高溫,而瘤胃系統(tǒng)是39度,對這樣的秸稈到底35度、33度是最優(yōu),還是其他溫度最優(yōu),它在我們的反應器里反應的產物都是集中在這反應器里。而在瘤胃系統(tǒng)里面,降解后隔膜很快被腸胃系統(tǒng)吸收了,所以它就沒有形成產物的意識。
我們的厭氧反應是絕對的厭氧,瘤胃通過干濕交替,通過反芻,它實際的環(huán)境是一個交替的厭氧,包括了一個負壓條件。在條件上,我們是單一的濕發(fā)酵,它是干濕發(fā)酵,我們有這么多的不同,可能這個就是我們現在厭氧反應器低效的原因。
我有一個博士在做這種研究,通過反應器模擬揮發(fā)酸迅速排出的過程,模擬反芻的過程,模擬交替的厭氧、好氧條件的過程,可以得出一個結果,提高甲烷產率,時間可以大大縮短,具體上能到3-5天的情況下,而水解最優(yōu)的溫度跟以往的認識是不一樣的,動態(tài)的應該39度。而PH,因為它水解和產酸的PH不一樣,是一個動態(tài)的PH,能造成水解和產酸都達到最優(yōu),我們厭氧4個階段,以前研究甲烷比較多,研究水解,酸化不太多,再研究水解和酸化的差別就更少,厭氧、好氧的條件也能提高產率。
所以總結起來以后,我們就開發(fā)了一個瘤胃的仿生工藝,第一個是仿造瘤胃的發(fā)酵加上一個分離過程,仿造牛的系統(tǒng)的網胃和瓣胃的功能,而后續(xù)到了發(fā)酸以后,到了水解以后,我們現在的EGSB就能很好的解決這個問題,達到幾十公斤的負荷也沒有問題。提出了這樣一個工藝,效果也非常好,前頭講的餐廚我們已經到了中試,這個是完成了小試的工作。我想把思路性的東西給大家介紹一下,有很多比較專的技術問題可能講不細,只能給大家講這么多。謝謝大家!
【圖文解析】創(chuàng)新厭氧技術引領厭氧領域新格局
來源:中國給水排水 作者:王凱軍 汪翠萍