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德国市政污水厂各种提效改造措施 哪些能为我所用?

点击次数:1220 发布时间:2016-04-18

目前国内已建成4000多座大型市政污水处理厂,对这些污水处理厂如何提效改造进行讨论是十分必要的。借鉴德国先进的污水处理经验,关注各种产能节能技术和资源回收技术,并进行整合,力争早日实现污水处理厂能源自给的目标。

尽管市政污水处理厂的电耗只占整个联邦德国的 1%,但对于当地政府来说,却约占整个能耗的 20%, 所以市政污水处理厂是各城市和小镇内zui大耗能用户,远高于中小学和医院。同时,由于能耗费用不断上涨,为了降低 CO2排放量,当地政府对市政污水处理厂也都提出了提高能耗效率的要求。

就市政污水处理厂的能耗效率提高而言,即使在德国目前还没有明确定义标准的技术手段和衡量标准。但有一点是肯定的,所采用的节能措施必须是在当地经济实用和可操作实施的。

作为污水处理厂,应在确保出水水质的情况下,尽可能降低整体能耗和运转费用。既可以引入一些新型节能处理工艺,还可以系统研究和评估各个处理工段的节能措施,开发相应的评估软件和提供相应的技术工具,使得整个污水处理厂获得*节能效果。

从目前的发展情况来看,以下单一技术的发展趋势十分明显:

市政污泥的处置逐步趋向于干化焚烧

回收利用污水污泥中的营养物质 (N, P, 有时甚至是重金属物质)

为了提高出水水质和截留微生物,不断强化使用MBR技术

为了提高沼气产量和降低污泥产量,整合使用污泥

热水解技术

降低运转费用或能耗

利用现存的消化塔处理能力,对生物垃圾进行协同发酵处理

但这些技术尚未在一个市政污水处理厂内整合利用,并显示明显的经济效应。本文试图将上述发展融合成一个整体处理方案, 为已建市政污水处理厂的提效改造提供具体的实施措施和途径。

1 提高能耗效率的途径

图 1 为某市政污水处理厂内主要费用的分摊比例。其中 31% 是市政污泥处理处置费用。图 2 举例说明在一个示范污水处理厂内(100000 人口当量)电费的分布情况。我们基本可以假定,在一般德国市政污水处理厂内,这种费用和电耗分布比例差异不会很大。

图 1 德国模型市政污水厂内的费用分布和能耗分布情况 (100000 人口当量)

从这张图可以看出,为了降低市政污水处理厂的能耗和运转费用,可在以下三个方面进行优化处理:

1. 降低污泥产量2. 提高沼气产量

3. 降低能耗

为了达到降低运转费用和能耗这一总体目标,首先有必要先回顾一下在污水处理过程中的微生物工作原理:污水生物处理主要是由生物曝气装置(好氧污水处理) 和污泥厌氧消化塔(厌氧污泥处理)而大部分组成。

好氧处理需要大量电耗进行充氧曝气,而污泥厌氧消化过程则相反是一个产能过程,在厌氧发酵过程中会产生大量生物沼气。因此,从能耗角度来看,厌氧生物处理总是优于好氧生物处理。但这里必须指出,在进行有机化合物的生物分解时,厌氧生物处理没有好氧生物处理来得彻底完全。

综上可知,从经济生态角度分析,市政污水处理厂只能通过以下措施才能提高能耗效率:

1. 提高热电联产能力

2. 节省电耗

2 提高能源效率的各种措施

在采用厌氧稳定化工艺的市政污水处理厂内,生物处理阶段消耗大约50%~60%的电能, 而在采用好氧稳定化工艺的市政污水处理厂内,则生物处理阶段所消耗的电能zui高达到总电耗的 80%。出于这个原因,必须特别注意生化曝气池的运转情况。

处于第二位的电耗设施就是污水厂内的各种水泵和搅拌装置。通过以下措施可以对这些设备进行优化处理:

通过降低曝气流量, 降低回流污泥流量, 搅拌器间隙运转等,在短时间内完成优化处理。

部分或整体调整机械设备和电控技术。采用较率的电机, 更新沼气发电机, 优化电控技术, 更新曝气头和管道来降低压头损失, 提高泵井内液位,从而降低因为液位差而导致的水头损失等。

改进工艺处理技术: 更改曝气池的工作方式, 强化和/或定向利用省能的处理工艺 (例如滴滤床工艺)等。

提高沼气产量。缩短泥龄, 当污水中含有高碳浓度时提高初沉池的停留时间, 提高污泥浓缩性能, 优化消化塔的操作方式等。

采用新的处理工艺技术。ORC-装置, 对污泥脱水液单独进行处理(全程自养脱氮)等。

为了提高热电联产能力,必须设法增加厌氧消化塔的产沼效率和能力,同时采用沼气发电机(BHKW) 进行热电联产。通过额外增加产电,理论上可以覆盖市政污水处理厂内所需要的大部分电耗,从而降低运转费用。

扩大沼气产量的前提条件是污水厂内拥有足够的污泥消化塔容积。在德国,多数市政污水处理厂都能满足这一条件,这是因为大多数消化装置的实际运转负荷低于设计运转负荷。

提高沼气产量的另一个措施是缩短污泥消化停留时间。因为自2015年开始,德国逐步限制市政污泥农用,至2025年底基本要求所有市政污泥进行干化焚烧和磷回收处理。在这一背景情况下,就提出这一个问题:如果消化后污泥不再农用,是否还有必要对市政污泥进行厌氧稳定化处理 (一般来说消化时间是 25 ~30 d)。

一般来说,可以通过采取以下措施来提高消化塔的沼气产量:

将协同发酵基质输入污泥消化塔。只要后续污泥是焚烧处置, 则发酵装置就可以接受各种类型的餐厨垃圾和其他可生物发酵物质。

将非集中型高浓度污水直接输入污泥消化塔(例如,来自食品工业的高浓度污水和非食用油脂)。

有时还将一些工业废浓缩液直接输入污泥消化塔内。例如,有一个德国制药厂原来将其蒸馏塔的冷凝液作为废水输入附近市政污水处理厂。因为主要成分是异丙醇(Isopropanol), 虽然 COD 浓度高达约 200000 mg/L 但生物降解十分容易。所以现在将此浓缩液直接输入污泥消化塔之内,极大地提高了沼气产量。

在直接向消化塔输入浓缩液之后,不仅获得能源,同时也降低了曝气能耗。通过这一实例显示,非集中型预处理措施和市政污水处理厂zui终处理之间的协调十分重要,通过有效的厌氧消化处理,市政污水处理厂和制药厂双方都获益。

采用市政污泥粉碎工艺 (细胞粉碎工艺, 例如热水解或超声波粉碎工艺)。在很多科研项目中已经证实,市政污泥粉碎工艺可以提高沼气产量。为了提高沼气产量,在大型市政污水处理厂中,已经采用各种形式的热水解工艺对市政污泥进行粉碎处理。各种研究结果显示,市政污泥经过热水解处理之后沼气产量提高zui大可达 25% 。

3 降低污泥处理费用的各种措施

污泥处理处置费用一方面和污泥产量有关,另一方面和运输费用有关。因为即使脱水处理之后, 脱水污泥中仍然含有 70% 以上的水分。为了降低污泥产量,还必须继续采取以下措施:

对脱水过滤液进行厌氧处理通过对离心液/脱水过滤液进行厌氧处理,可以降低污水好氧曝气处理过程中会产生剩余污泥产量。

采用污泥热水解工艺研究显示,通过采用污泥热水解技术,被处置的污泥产量可以下降大约 9.4%。

采用膜分离技术进行生物质回收通过膜技术分离活性污泥,可将曝气池内的DS浓度维持在10~12 g/L 范围,而采用传统二沉池技术时污泥浓度只有 2.5~3.5 g/L。当进水浓度不变时,污泥处理负荷很低,因此剩余污泥产量会相应降低。

对市政污泥进行太阳能干化处理目前市场上已有许多污泥干化系统, 一般都需要采用很高能源,可在占地很小情况下和短时间内将市政污泥干化至很高固含量。与此相反,太阳能污泥干化系统所需要的能耗极低, 基本上采用免费太阳能进行污泥干化处理。这些污泥被铺设在干化场内。

污泥干化场的外壳是封闭型透明暖房,用于防雨保温。在通风曝气受到控制的情况下,污泥在干化场内被连续不断地抛翻处理。不管外部气候如何,此时总可以利用环境空气的干化潜能对市政污泥进行干化处理。为了进一步提高污泥干化能力,还可以额外在冬季输入沼气发电机(BHKW)所产生的废热。为了防止产生臭气和提高干化效率,一般必须定期对污泥进行全自动翻滚处理。一旦污泥达到所需要的干化程度, 这些污泥就可排出进行相应后处置。

太阳能污泥干化技术已经在欧洲得到广泛应用,但一般用于小型市政污水厂内,规模是在 1000 和 300000 人口当量之间。举例来说,在德国 Füssen 市政污水处理厂(70000 人口当量) 内,已经采用含废热利用(BHKW) 的太阳能污泥干化装置。

脱水污泥的固含量大约为 28%DS,被铺设在污泥干化场 2000 m² (分成 4 块干化场,每块面积 10 x 50 m) 进行干化处理,干化后污泥固含量可达到 75%~95%DS。

对于大型市政污水处理厂来说,则可以采用带式污泥干化装置和沼气发电机(BHKW) 所产生的废热来进行污泥干化处理。

4 污泥厌氧消化处理所产生的问题

在考虑进行强化厌氧消化的同时,还必须考虑到市政污水处理厂整体运转时会带来的优点和缺点:通过投加协同发酵基质和浓缩液可以提高沼气产量,但同时会大幅低提高发酵液内的氨氮浓度,必须返回生物处理阶段进行处理。

一般情况下,采用污泥热水解工艺之后消化液内的NH4+浓度也会提高。根据不同的框架条件,消化液内返送回生物处理阶段的总体氨氮负荷会提高 10%~25%。因此,有必要在此返送支流上进行脱氨处理。在实际工程上已经采用的技术是:

氨吹脱 (蒸汽或空气)

MAP-沉淀

催化氧化

如果脱水液采用蒸汽进行吹脱处理, 在后续的冷凝液内可以获得氨水, 可以作为肥料或者在焚烧装置内用于降低 NOx 浓度。当采用空气进行氨氮吹脱时,则产生的氨气被吸附在酸液内 ((H2SO4或者 HNO3)。在图 3内显示了德国Straubing 市政污水处理厂的氨吹脱装置。

图 3 德国 Straubing 市政污水处理厂的氨吹脱 / 酸洗装置

所产生的硫酸铵溶液可用于各种工业领域(皮革工业、木材加工业、农业)。在进行 MAP-沉淀反应时,氨氮和磷与镁离子进行沉淀反应。上述各种工艺的应用情况在很大程度上与产品的销售渠道和市场有很大关系。

与其他产生氨氮化合物的处理工艺不同,催化氧化只是消灭氨氮,不会产生剩余物质。在进行催化氧化反应时,过滤液内的氨氮首先通过吹脱被转化成氨气。然后这些含有氨氮的吹脱气体被预加热,在大约400°C时在催化剂作用下按以下方程进行反应,被氧化成氮气和水:

2 NH3 + 1.5 O2→ N2 + 3 H2O+ 能量

通过输入空气提供氧化时所需要的氧气。在冷却之后,水蒸气和氮气作为废气被排出装置, 此时完全可以达到德国 TA Luft 的废气排放标准。被排出的废气流量相当于输入的新鲜空气质流量。而留在系统内的支流是进入吹脱塔作为吹脱气体循环运转。图 4 显示了这一处理装置的工艺流程。

图 4 催化氧化装置的工艺流程

当氨氮浓度很高情况下,氧化反应时会释放能量,因此装置会自热运转, 只是在装置启动时需要外热,将装置提高至所需要的操作温度。当氨氮浓度较低的情况下,则所释放能量不能维持操作温度, 此时必须进行辅助加热。这个过程也就意味着将提高运转费用。

在进行支流氨氮回收的同时,还应该在此同时讨论磷回收问题。因为在德国污泥农用受到愈来愈严格的限制, 市政污泥内磷肥循环利用也将变得困难。作为平衡,只能在农田内采用磷化肥物质。与氮肥不同,1913年德国科学家Haber 和 Bosch 发现氨氮合成技术之后,可以毫无限制地大量生产氮肥。但磷肥来自磷矿石,目前的磷矿储存量十分有限,价格不断上涨。因此,目前许多欧洲国家要求采用技术措施,从市政污水或市政污泥中抽提磷肥物质。

在德国,目前已有不少大型和中试磷回收装置投入运转并获得初步结果。所采用的处理工艺主要是和污水厂内的除磷方式, 即磷在市政污泥内的结合形式有关。

就市政污水处理厂内的污水和污泥处理过程来看,有很多地点可以整合安装磷回收装置,至少理论上可在以下6种物质流内进行磷回收(图 5):

1. 市政污水厂出水

2. 回流污泥

3. 污泥脱水液

4. 消化污泥

5. 脱水污泥

6. 污泥灰烬

图 5 P-回收装置的安装地点

但如果考虑到磷回收工艺的经济效益和技术可实施性能,目前都是在鸟粪石(MAP)沉淀工艺在消化污泥或污泥脱水液水中进行磷回收。其中在欧美国家应用的磷回收工艺是在德国柏林开发的AirPrex® 处理工艺,可在消化后污泥液中直接抽提鸟粪石(MAP)。

通过采用AirPrex® 处理工艺,可对消化污泥进行定向磷沉淀处理并可为整套污泥处理系统带来以下益处:

明显提高污泥机械性脱水性能: 降低絮凝剂消耗量和明显提高脱水污泥的固含量

在污泥处理工段内不再产生鸟粪石沉淀结晶现象

进入生化系统的磷返回负荷降低大约 80%~90%

回收利用 MAP-肥料

6 总结

在一个污水厂内可能应用的各种产能节能技术和资源回收技术都列在图 6 ,并作为整体方案显示列出。此处理方案的核心部件是通过协同发酵高浓度污水和生物垃圾来提高厌氧消化塔的产沼能力。此外为了进一步提高产沼能力,还可以采用污泥热水解技术。

因为今后所产生的市政污泥都将被焚烧处置,没有必要进行污泥稳定化和消毒处理,因此所需要的污泥消化时间必须重新讨论定义。例如,对于油脂物质来说,只需要几个小时就能完成产沼过程,对于经过热水解处理的污泥来说,zui长污泥消化时间可设置在 10d。如果污泥事先通过热水解处理之后,则污泥消化时间可以进一步缩短。

图 6 市政污水处理厂的可能模式结构

随着厌氧消化能力的提高,消化污泥中的氮磷浓度也不断上升。因此,有可能对这些营养物质进行经济有效地抽提回收。其中AIRPREX磷回收技术已经被证实具有实用经济价值,并已在欧美国家获得广泛的商业应用。

本文所提及的各种技术在许多专业文献都已被介绍,并在市政污水处理厂获得工程应用。在此只是设法将各种技术进行整合, 并形成整体处理方案。通过这一整体处理方案, 还希望可以就今后制定规范或法律时进行问题讨论, 例如:

1.根据市政污泥的后处置情况,如何确定所需要的污泥消化停留时间?

2.市政污水处理厂规模达到一定规模之后(例如 30000 人口当量), 是否必须标准安装配置污泥消化塔和热电联产装置(BHKW)?

3.只要后续污泥处置是焚烧,则应该允许生物餐厨垃圾和其他可发酵垃圾都进入污泥消化塔进行协同发酵。

4.要求污泥减量化作为污泥处理的基本处理要求(例如,可以通过污泥热水解,超声波粉碎处理,太阳能污泥干化等技术进行污泥减量)

5. 引入能耗特征参数, 例如 KWh/m3 或者 KWh/COD可分解.

德国环保联邦局(UBA) 2008年发表的报告 “提高市政污水处理厂的能耗效率(Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen)”内指出,根据目前的技术水平,德国市政污水处理厂通过以下基本思路来挖掘优化潜能是合理的:

通过操作运转的优化可以节省30% 电耗

通过协同发酵和污泥热水解等措施可以提高90% 沼气产电能力

时间短

因此相对于电能和热能来说,能源自给污水处理厂理论上是可以实现的。在输入外来基质进行协同发酵情况下,甚至还可以出现产电剩余的情况。

总之,只要强化市政污水处理厂内的消化塔的功能,通过热电联产来覆盖污水处理所需要的电耗和污泥干化所需要的热能需要,则污水处理厂的能源自给就不是幻想,而是我们这一代工程师可以实现的理想。

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