北排經(jīng)驗:熱水解厭氧消化系統(tǒng)的啟動與調(diào)試
目前,高級厭氧消化主要有高溫消化、兩相消化、協(xié)同消化以及熱水解厭氧消化等技術(shù)形式。本文對北京某污水處理廠熱水解厭氧消化系統(tǒng)的啟動及運行調(diào)試案例進行了總結(jié)。
01
污水處理廠簡介
污水處理廠為新建,采用MBR工藝,設(shè)計污水處理量60萬m3/d。自2016年10月開始投入運行,其污泥處理工藝采用污泥濃縮+污泥預(yù)脫水+熱水解+厭氧消化+板框脫水,其工藝流程見圖1。廠內(nèi)設(shè)計有4條熱水解線,最大處理能力為244 t DS/d,除本廠產(chǎn)泥可全部處理外,還可協(xié)同處置其他污水處理廠產(chǎn)生的濕泥。消化池采用鋼制柱型結(jié)構(gòu),共5座,單座有效容積11 450 m3。消化池進泥全部為剩余污泥。
02
熱水解厭氧消化技術(shù)
2.1熱水解技術(shù)
熱水解技術(shù)是指污泥在密閉容器中進行物理、化學(xué)反應(yīng),將微生物細胞壁進行破碎,加快固體有機物的溶解及水解速率,同時可殺滅污泥中病原菌及蛔蟲卵,實現(xiàn)污泥的無害化處理。污泥熱水解過程作為厭氧消化的預(yù)處理過程,首先污泥進入漿化罐,利用工藝的廢熱對污泥進行加熱,通常污泥會加熱到90 ℃然后進入反應(yīng)罐。反應(yīng)罐的數(shù)量根據(jù)處理規(guī)模大小而有所不同(廠內(nèi)單條線設(shè)4個反應(yīng)罐,每個反應(yīng)罐有效容積12 m3,固相空間8 m3,氣相空間4 m3),在反應(yīng)罐內(nèi)通過鍋爐產(chǎn)生的蒸汽將污泥加熱到165 ℃左右,壓力維持在0.65 MPa,反應(yīng)30 min左右;反應(yīng)之后的污泥通過壓差進入閃蒸罐進行閃爆,細胞壁大量破碎,釋放出細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等,使之成為易降解的氨基酸、揮發(fā)性脂肪酸及碳水化合物等小分子物質(zhì)。反應(yīng)罐和閃蒸罐的廢氣返回漿化罐預(yù)熱下一批污泥,閃蒸罐出泥溫度通常在110 ℃,需經(jīng)過稀釋、冷卻后再進入消化池。
2.2厭氧消化技術(shù)
厭氧消化技術(shù)可以分解有機物產(chǎn)生大量沼氣,同時可對沼氣進行回收再利用,可以實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、減量化。因此,污泥厭氧消化技術(shù)在世界各國得到廣泛應(yīng)用。按照三階段理論,傳統(tǒng)厭氧消化需經(jīng)歷水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3個階段,在水解階段,污泥中有機物在微生物細胞壁的保護下,很難被水解酶水解,造成水解周期相對較長,使得污泥停留時間相應(yīng)增加。為解決傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)處理效率不高問題,國內(nèi)外進行了大量研究,且發(fā)明了很多采用物理、化學(xué)、生物等細胞破壁技術(shù)方法,以提高污泥厭氧消化處理效率。熱水解技術(shù)作為厭氧消化的預(yù)處理過程,可以有效提高厭氧消化效率。
03
熱水解厭氧消化系統(tǒng)啟動
該污水處理廠厭氧消化系統(tǒng)為中溫厭氧消化,進排泥采用底部進泥、頂部溢流排泥方式;攪拌方式采用機械攪拌;前端設(shè)有兩級換熱系統(tǒng),一級換熱為熱水解出泥經(jīng)過一級板式換熱器進行水、泥換熱,將熱水解后污泥降溫至60 ℃左右通過進泥泵注入消化池,二級換熱為消化池內(nèi)污泥經(jīng)過二級板式換熱器進行自身內(nèi)循環(huán)換熱,達到控制池內(nèi)溫度目的;后端設(shè)有沼氣脫硫系統(tǒng)、沼氣存儲系統(tǒng)、沼氣利用系統(tǒng),沼氣利用系統(tǒng)主要為沼氣鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽供熱水解使用以及冬季采暖使用,為充分利用沼氣能源,后期會加入沼氣發(fā)電項目。
3.1消化系統(tǒng)啟動方式
由于該污水處理廠為新建廠,未經(jīng)歷傳統(tǒng)厭氧消化向高級厭氧消化的轉(zhuǎn)換過程,采用污泥接種培養(yǎng)直接啟動的方式。首先啟動1#、2#、5# 3座消化池,利用冷卻水泵向3座消化池各注入5 000 m3再生水,完成清水聯(lián)動以后,開始對3座消化池、氣柜及沼氣管線氣相空間進行氮氣置換,直到消化池內(nèi)氧氣含量降到5%以下。在清水聯(lián)動及氮氣置換期間通過鍋爐采暖系統(tǒng)對3座消化池進行加熱,當(dāng)池內(nèi)溫度達到35 ℃時開始進行污泥接種操作。3座消化池穩(wěn)定運行后再啟第4座(3#)消化池,第4座啟動過程未經(jīng)氮氣置換,采用現(xiàn)有3座消化池向其直接排泥的方式,使其迅速達到工作液位以最短時間避開沼氣爆炸極限區(qū)。第5座(4#)消化池啟動方式同第4座。
3.2污泥接種培養(yǎng)
本次污泥接種培養(yǎng)采用北京某污水處理廠熱水解厭氧消化后的污泥進行接種,單池接種4 000 m3,接種后繼續(xù)補水至工作液位,接種期間每天監(jiān)測池內(nèi)溫度、pH及甲烷含量變化,接種后第8天甲烷含量超過30%開始對沼氣管線進行并網(wǎng)操作,接種第10天沼氣管線內(nèi)甲烷含量達到45%可燃燒狀態(tài)。歷經(jīng)14天完成3座消化池接種培養(yǎng)工作。圖2為3座消化池接種期間甲烷含量變化情況。
3.3熱水解系統(tǒng)啟動方式
污泥接種培養(yǎng)工作結(jié)束后,啟動熱水解系統(tǒng)向消化池內(nèi)進熱水解后污泥,第1天熱水解處理泥量按照消化池內(nèi)污泥絕干量的10%設(shè)置運行批次,第2天以后按照上一天進泥絕干的5%增加負荷,并合理分配至3座消化池。首先啟動2條熱水解生產(chǎn)線,當(dāng)2條生產(chǎn)線達到滿負荷運行后啟動第3條生產(chǎn)線。
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熱水解厭氧消化系統(tǒng)調(diào)試運行分析
4.1系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
酸堿比即VFA/TAC和沼氣中CH4含量是判斷消化系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定重要指標(biāo),正常運行時,VFA/TAC一般<0.3。當(dāng)VFA/TAC>0.3并繼續(xù)升高時,預(yù)示系統(tǒng)運行可能出現(xiàn)異常,VFA將會不斷增高,隨之pH出現(xiàn)下降。圖3為1#、2#、5# 3座消化池VFA/TAC變化情況。3座消化池VFA/TAC基本維持在0.1左右,未出現(xiàn)>0.3的情況,表明調(diào)試運行期間系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。
沼氣中CH4含量變化也可預(yù)測系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定,當(dāng)CH4含量突然下降時,說明進泥中存在有毒物質(zhì)造成甲烷菌中毒,當(dāng)CH4含量逐漸下降時,表明消化池進泥有機負荷超負荷。自消化系統(tǒng)投加熱水解污泥后池內(nèi)甲烷含量基本維持在50%~62%,表明池內(nèi)微生物環(huán)境健康,熱水解厭氧消化系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定。
4.2系統(tǒng)效能分析
4.2.1沼氣產(chǎn)量及速率
通過對消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量隨消化池進泥量變化分析表明,如圖4所示,經(jīng)過熱水解后的污泥可以有效縮短水解周期,從而提高厭氧消化性能,使得消化池內(nèi)產(chǎn)氣速率較快,隨著進泥負荷的提升,沼氣產(chǎn)量也隨之增加。目前,所產(chǎn)沼氣主要用于廠內(nèi)沼氣鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽供熱水解利用,多余沼氣通過廢氣燃燒器處理。
4.2.2調(diào)試階段數(shù)據(jù)對比分析
通過對調(diào)試階段運行數(shù)據(jù)的分析,各項數(shù)據(jù)基本符合設(shè)計要求,表明系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定,同時也存在后續(xù)在成本及系統(tǒng)穩(wěn)定性、沼氣利用等方面需改進優(yōu)化的問題(見表1)。
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調(diào)試過程需注意問題
由于熱水解厭氧消化系統(tǒng)在國內(nèi)運行穩(wěn)定水廠相對較少,采用污泥接種培養(yǎng)直接啟動的方式也是全國首例。因此,在啟動調(diào)試運行過程中難免會遇到一些問題,影響到系統(tǒng)的整體效率以及安全性和穩(wěn)定性。
5.1進泥泥質(zhì)控制
由于熱水解系統(tǒng)是一套封閉的全自動系統(tǒng),對進泥泥質(zhì)要求較高,一旦泥中含有石子、螺旋襯板等堅硬雜質(zhì),將會造成進、出泥泵出現(xiàn)堵塞或損壞情況,嚴(yán)重影響熱水解工作效率。
熱水解系統(tǒng)對進泥含水率要求也較高,通常進泥含水率控制在83.5%為最佳運行工況,當(dāng)含水率過低時會造成熱水解進泥管線壓力偏高甚至堵塞情況,當(dāng)含水率過高會使得整個系統(tǒng)運行效率較低,成本相應(yīng)增加。
5.2溫度控制
消化池能否穩(wěn)定運行,溫度控制至關(guān)重要。由于熱水解系統(tǒng)出泥溫度較高,需經(jīng)過換熱器降溫至合適溫度再排至消化池內(nèi),才能避免消化池溫度上升過快。由于污泥粘性較大會在換熱器內(nèi)壁形成粘結(jié),使得換熱器換熱效率下降,從而致使進入消化池內(nèi)污泥溫度偏高,池內(nèi)溫度逐漸上升,不易于控制。
需定期對換熱器進行清洗,同時在設(shè)計階段對換熱器選型及換熱方式需重點考量。
5.3熱水解工藝廢氣
熱水解在運行過程中會產(chǎn)生工藝廢氣從漿化罐排至消化池內(nèi),工藝氣內(nèi)含有強烈刺激性氣味的有毒有害氣體,在排放過程工藝氣會形成冷凝水回收至冷凝水收集罐。在運行過程中可能會出現(xiàn)因工藝氣管線設(shè)計坡度、管徑不夠問題導(dǎo)致冷凝水不能順利回收至收集罐而存在管線內(nèi),造成工藝氣很難順利排放至消化池,從而使得漿化罐內(nèi)壓力不斷升高,最終導(dǎo)致熱水解系統(tǒng)停機,影響系統(tǒng)工作效率。
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結(jié)論
(1)通過污泥接種的方式可以有效縮短熱水解厭氧消化系統(tǒng)啟動時間,產(chǎn)氣速率較快,可以迅速避開沼氣爆炸極限。
(2)熱水解技術(shù)可以有效縮短固體有機物水解周期,提高厭氧消化效率。
(3)分析了啟動調(diào)試過程需重點關(guān)注的問題并提出了改進措施。
微信對原文有刪減。原文標(biāo)題:熱水解厭氧消化系統(tǒng)的啟動與調(diào)試;作者:王顯雨、宗倪、朱春輝、張文超、鄒寶、李佟;作者單位:北京城市排水集團有限責(zé)任公司;刊登在《給水排水》2018年第6期