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精析:面向未来的污泥处理主流技术

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学社博客 发表于 2019-11-10 11:12 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
污水处理厂每天都会产生大量的污泥,污泥中含有铜、锌、铬、汞等重金属、盐类等难降解的有毒有害物质,以及持久性有机污染物、环境持久性制药污染物、多环芳烃、挥发性有机化合物、环境外来物质等,此外污泥中还含有大量的寄生虫卵、病原微生物、病毒。% i  Z' W% S6 ?: E2tech.cn

- o2 |& z  t/ h/ z& [5 k目前全国污泥处理处置规模巨大,但安全处置率低。对我国的环境存在巨大的威胁。那么如何对污泥进行处理和处置呢?
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在说污泥处理处置技术之前,先来了解一下污泥处理和处置的含义:
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污泥处理(sludge handling or sludge treatment):污泥经单元工艺组合处理, 达到“减量化、稳定化、无害化”目的的全过程。) P& P  o: D" X2tech.cn
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污泥处置(sludge disposal):处理后的污泥,弃置于自然环境中(地面、地下、水中)或再利用, 能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式。
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一、污泥基础知识
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+ `$ c9 e1 e7 y( D  K1、类型8 c7 A* t6 c$ @' d" f1 g& K2tech.cn
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原污泥(rawsludge):未经污泥处理的初沉淀污泥。二沉剩余污泥或两者的混合污泥。
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初沉污泥(primarysludge):从初沉淀池排出的沉淀物。
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二沉污泥(secondeysludge):从二次沉淀池(或沉淀区)排出的沉淀物。$ f$ U4 i* o$ r  G  p2tech.cn

8 b- h; @& j% S4 g活性污泥(activatedsludge):曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群体的絮状体。
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4 R/ o% x' w2 q0 q4 ?6 J: E消化污泥(digestedsludge):经过好氧消化或厌氧消化的污泥,所含有机物质浓度有一定程度的降低,并趋于稳定。  |" |, P1 k# L7 V; O4 [  j, m+ A' C# z2tech.cn

. h1 E# W9 }* T& M& I回流污泥(returnedsludge):由二次沉淀(或沉淀区)分离出来,回流到曝气池的活性污泥。
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$ @* k8 x# b/ K- z" C7 J剩余污泥(excessactivatedsludge):活性污泥系统中从二次沉淀池(或沉淀区)排出系统外的活性污泥。
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污泥气(sludgegas):在污泥厌氧消化时,有机物分解所产生的气体,主要成分为甲烷和二氧化碳,并有少量的氢、氮和硫化氢。俗称沼气。% [; K  J2 m) a0 W2tech.cn
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2、污泥处理类型* s: {. ]) w* Q1 T2tech.cn

5 d* u( n. ?: f! c污泥消化 (sludge digestion): 在氧或无氧的条件下,利用微生物的作用,使污泥中的有机物转化为较稳定物质的过程。
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好氧消化 (aerobic sigestion): 污泥经过较长时间的曝气,其中一部分有机物由好氧微生物进行降解和稳定的过程。4 m3 B% r3 Z; i2tech.cn
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厌氧消化(anaerobic digestion): 在无氧条件下,污泥中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。$ Y" a) [* K5 n  W2tech.cn

6 v+ G  s9 y/ i1 R7 v6 v中温消化(mesophilic digestion):污泥在温度为33-53℃时进行的厌氧消化工艺。
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高温消化(thermophilic digestion):污泥在温度为53-330℃进行的厌氧消化工艺。
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) u# X3 W4 Y& V3 n- e污泥浓缩(sludge thickening): 采用重力或气浮法降低污泥含水量,使污泥稠化的过程。. a6 t  t% ^8 e3 T$ a2tech.cn
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污泥淘洗(elutriation of sludge): 改善污泥脱水性能的一种污泥预处理方法。用清水或废水淘洗污泥,降低消化污泥碱度,节省污泥处理投药量,提高污泥过滤脱水效率。0 }8 L4 @: [  I5 O" C2tech.cn

. N  k2 E0 @' k0 v  G污泥脱水(sludge dewatering): 对浓缩污泥进一步去除一部分含水量的过程,一般指机械脱水。
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; N  D8 h* p" r9 ?! @# }' m污泥真空过滤(sludge vacuum filtration): 利用真空使过滤介质一侧减压,造成介质两侧压差,将污泥水强制滤过介质的污泥脱水方法。
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污泥压滤(sludge pressure filtration): 采用正压过滤,使污泥水强制滤过介质的污泥脱水方法。
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; E& I& o9 y2 l* V污泥干化(sludge drying): 通过渗滤或蒸发等作用,从污泥中去除大部分含水量的过程,一般指采用污泥干化场(床)等自蒸发设施或采用蒸汽、烟气、热油等热源的干化设施。
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9 z2 N3 l; ~: A% [) X  g/ u污泥焚烧(sludge incineration):污泥处置的一种工艺。它利用焚烧炉将脱水污泥加温干燥,再用高温氧化污泥中的有机物,使污泥成为少量灰烬。$ q, L/ [2 ?& _6 F+ g2 P; B2tech.cn

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二、污泥分类
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污泥来源污泥特性
自来水厂沉淀池或浓缩池排出的物化污泥处理属中细粒度有机与无机混合污泥,可压缩性能和脱水性能一般。
生活污水厂二沉池排出的剩余活性污泥处理属亲水性、微细粒度有机污泥,可压缩性能差,脱水性能差。
工业废水处理产生的经浓缩池排出的物化和生化混合污泥处理属中细粒度混合污泥,含纤维体的脱水性能较好,其余可压缩性能和脱水性能一般。
工业废水处理产生的经浓缩池排出的物理法和化学法产生的物化细粒度污泥处理属细粒度无机污泥,可压缩性能和脱水性能一般。
工业废水处理产生的物化沉淀粗粒度污泥处理
属粗粒度疏水性无机污泥,可压缩性能和脱水性能很好。
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三、污泥处理新技术

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0 t* ?* }4 p) O. j1 K1、沉淀污泥生物处理系统% \7 f; E; e; B9 n$ R2tech.cn
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该技术创新采用污泥洗涤工艺,首先洗出污泥中有机物质,分离无机物质污泥土,再将有机污泥浓缩进行高温厌氧消化处理。
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# l& y. n2 r: l8 K优点:7 [; N2 Z$ @- L% Q7 y, U2tech.cn
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沉淀污泥经过洗涤洗出污泥中一半固体无机污泥土,减少了一半生物处理量,节省工程投资和处理费用;
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单独处理有机污泥,去除了无机污泥土在反应器中的沉淀,减少了设备磨损和反应器的维护;
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沉淀污泥经过洗涤洗出污泥中大部分容易沉淀的重金属和无机污泥土,提高了有机肥的品质;
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6 O( @" ~* Z+ S% o9 {洗涤出的污泥土还可生产路面彩砖、透水砖。/ M$ u4 k- l4 Q, D, @- [2tech.cn

! Q" j8 H% M$ T( B2 e0 ?3 p其他创新工艺:超高温厌氧消化、多级厌氧消化、沼渣漂浮等,污泥生物处理速度提高了几倍和沼气产量提高20%以上。
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+ H  c* }  H" _目前国内外现有污泥处理技术还没有能够达到免费处理、处置污泥的水平。
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; \( P/ d& ~! S% p& v2、石灰投加技术, M  Q3 ~3 a* v' W2tech.cn
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脱水后的污泥进入料斗,料斗中加入石灰和氨基璜酸,石灰投量为湿泥量的10%一15%,氨基璜酸的投量约为石灰投量的1%。由于氨基璜酸在反应过程中产生氨气,增强了整个工艺的杀菌效果,降低了反应温度。
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& s( b9 U' k6 t污泥、生石灰和氨基璜酸在料斗中搅拌后,由双螺旋进料机推入柱塞泵进料口,通过柱塞泵送入反应器,在70℃下停留30 min,输出的产品可达到美国EPA PART503 CLASS A标准。反应后的污泥泵送至料仓,密封容器中产生的气体经洗涤塔处理后排放。1 ]: `6 n  I8 d  B9 T4 w7 r* W2tech.cn
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该工艺的特点:
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pH>12,延续时间长,杀菌彻底;高pH使大部分金属离子沉淀,降低了其可溶性和活跃程度;
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  [- o8 `9 `, ]4 Q" ]9 p6 i) j/ w污泥的含固率可提高至30%;去除了污泥中的臭气,系统全密封,无环境污染;8 K1 o$ C1 @# F  }% ]2tech.cn
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系统全自动,操作维护简单:加入少量氨基璜酸,减少了石灰用量和反应时间,降低了运行成本。
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( b- F  r8 W( V' _' W! H( j3、污泥碳化技术
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所谓污泥碳化,就是通过一定的手段,使污泥中的水分释放出来,同时又最大限度地保留污泥中的碳值,使最终产物中的碳含量大幅提高的过程(Sludge Carbonization o在世界范围内,污泥碳化主要分为3种。. ]5 |5 M, ~! Y) b; x- K) i, H2 l2tech.cn

1 W: ^' F% d; j(1)高温碳化
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9 q: \* B1 e- u* V- l: A3 ~碳化时不加压,温度为649—982℃。先将污泥干化至含水率约30%,然后进入碳化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用,其热值约为8 360—12 540 kJ/kg(日本或美国)。; g) J# t* T' f" l4 B: g2 Z2tech.cn

, t  |: S- }) b" _2 \" F1 r技术上较为成熟的公司包括日本的荏原、三菱重工、巴工业以及美国的IES等。该技术可以实现污泥的减量化和资源化,但由于其技术复杂,运行成本高,产品中的热值含量低,目前尚未有大规模地应用,最大规模的为30删湿污泥。3 e5 k& W2 ?7 @* q2tech.cn

& r% e7 ^5 B7 q  q& H(2)中温碳化, r" y- k: Z+ h9 z6 ^+ E7 h2tech.cn
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碳化时不加压,温度为426—537℃。先将污泥干化至含水率约90%,然后进入碳化炉分解。工艺中产生油、反应水(蒸汽冷凝水)、沼气(未冷凝的空气)和固体碳化物。该技术的代表为澳大利亚ESI公司。该公司在澳洲建设了1座100t/d的处理厂。) w. p5 J9 M9 A& ^2 V2tech.cn

# P' L3 X" [1 y8 Y该技术可以实现污泥的减量化和资源化,但由于污泥最终的产物过于多样化,利用十分困难。另外,该技术是在干化后对污泥实行碳化,其经济效益不明显,除澳洲一家处理厂外,目前尚无其他潜在的用户。  K$ C; s$ `4 n& K) d/ e2tech.cn
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(3)低温碳化
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  z8 W6 w  Y: s) {" U碳化前无需干化,碳化时加压至6~8 MPa,碳化温度为315℃,碳化后的污泥成液态,脱水后的含水率50%以下,经干化造粒后可作为低级燃料使用,其热值约为15 048~20 482 kJ/kg(美国)。
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该技术通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解,仅通过机械方法即可将污泥中75%的水分脱除,极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了绝大部分污泥中热值,为裂解后的能源再利用创造了条件14t。
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污泥水解热干化技术污泥水热干化技术通过将污泥加热,在一定温度和压力下使污泥中的粘性有机物水解,破坏污泥的胶体结构,可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。5 [' b7 P+ s; ^* t, I4 f9 C2tech.cn

9 Y' a1 x0 s6 z随水热反应温度和压力的增加,颗粒碰撞增大,颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏,使束缚水和固体颗粒分离。
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经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下机械脱水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏观上表现为挥发性悬浮固体浓度减少和COD、BOD以及氨氮等浓度增加。
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水热干化技术采用浆化反应器,通过闪蒸乏汽返混预热浆化、蒸汽与机械协同搅拌,提高了系统的处理效率;在水热反应器中,采用蒸汽逆向流直接混合加热的方式,强化了传质传热过程,可以避免局部过热结焦碳化:在连续闪蒸反应器中,实现了系统能量的有效回收。
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4、微生物水解干化蛋白提取
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0 Q8 }" m+ ]; Q4 [) |. A# Y污泥微生物通过水解破壁处理后,其胞内蛋白质和水分得以释放,再经过固液分离后,可到含水率35-45%(减量70%以上)、有机物消减40-50%的污泥残渣和可资源化利用的含蛋白液体。目前天津裕川环境在该方面已取得一定成绩。
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2 H6 F" [: m/ G$ j, }0 I0 w微生物蛋白提取流程图
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$ F7 d$ u3 B7 i3 N9 F污泥经水解处理后,其含蛋白液体经浓缩后可作为蛋白发泡剂和有机肥等利用,污泥残渣可用做覆土、绿化土、土壤改良剂和建筑材料等。* T3 d& Y3 [; Z. a" |  R- [2tech.cn
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$ a3 E! L2 ^9 m: X# ^% l6 N; G微生物蛋白提取后端处置路线$ e% j, _8 O9 y$ g2tech.cn

( e* Z7 h, b( q4 a, r" |! T值得注意的是,蛋白质提取工艺中保证了重金属不会进入蛋白质,而蛋白可以用于工业制品,也可以进入农业,但这些也都要企业自身完成产业链整合的工作。目前裕川环境的污泥蛋白质提取工艺已成功运用,后期有望通过产业链上企业间的有机协调,打通蛋白进入农业的后端产业链。
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5、热水解+厌氧消化  l: ?+ v9 ^; D: `3 u$ n& i! |2tech.cn
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热水解预处理技术是以含固率15%~20%的脱水污泥为对象进行的厌氧消化技术。3 p$ w- _, u' i2tech.cn
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具体而言,该工艺是通过高温高压热水解预处理,以高含固的脱水污泥(含固率15%~20%)为对象的厌氧消化技术。$ [% V) P8 W& G% m+ e  W2tech.cn
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工艺采用高温(155℃~170℃)、高压(6bar)对污泥进行热水解与闪蒸处理,使污泥中的胞外聚合物和大分子有机物发生水解、并破解污泥中微生物的细胞壁,强化物料的可生化性能,改善物料的流动性,提高污泥厌氧消化池的容积利用率、厌氧消化的有机物降解率和产气量。5 E/ U( _5 P6 E7 B2tech.cn
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同时能通过高温高压预处理,改善污泥的卫生性能及沼渣的脱水性能、进一步降低沼渣的含水率,有利于厌氧消化后沼渣的资源化利用。
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% y$ W/ s+ b" ^/ J此工艺已在欧洲国家得到规模化工程应用。( q4 E6 r% n( F2 `: ?2tech.cn

9 c; n- E2 z* N9 _- K  _/ B( P5 ?与传统消化相比,该工艺具备以下特色:- z, R; h# [2 J" }8 i1 d7 o2tech.cn
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(1)有机物转化率高- y5 b" j$ d8 n1 l2 I2tech.cn

8 n3 Q5 r' m# V) Q- J' e(2)无害化水平提高,完全杀灭病原菌,泥饼达到A级;* f' G0 l$ m0 n1 u0 b2tech.cn
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(3)PH略高,可降低沼气中的H2S和CO2浓度,使CH4含量提高;
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" |$ I8 u" l; H; H(4)减少污泥体积,提高污泥稳定性。
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四、未来的主流技术
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借鉴国际经验,未来污泥处理处置的技术发展主要有四条路径:% r3 U3 f2 a8 B- J2tech.cn
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1、沼气能源回收和土地利用为主的厌氧消化技术路线" C% M5 U7 V; V5 W( C0 k" ~2tech.cn
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厌氧反应流程:
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' y7 t6 X7 {* A厌氧消化具有以下优点:
  k& y) b  M! M
) P6 ], T0 _) c( K7 }, f4 L1)提高后续处理的效率并减少后续处理能耗。通常认为厌氧反应可以实现污泥减量化、稳定化。通过厌氧反应,污泥中有机物去除40%-60%,有害病菌减少。此外,厌氧消化提高污泥脱水稳定性,让焚烧等后续处理减少35%以上的能耗。
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# t% s0 C# r9 H, M0 O2)厌氧消化成本较低。根据《中国环境报》统计,单纯厌氧消化投资成本约为20-40 万元/(吨/日),由于不用鼓风曝气等,节约了成本,单纯厌氧消化运行费用约为60-120 元/吨(含水率80%,不包括浓缩和脱水),而好氧发酵运行费用为120-160 元/吨。" W: b, Y4 j+ _2tech.cn

: x9 R! Z- v0 ?/ x6 `欧美50%以上的污泥采用厌氧消化处理,产生的沼气转化为电能可满足污水厂所需电力的33%~100%。1 m7 ?+ u* z" A. `1 C* Q0 k2tech.cn
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但污泥厌氧消化在我国应用的并不顺畅。我国建设的约50 座污泥厌氧消化设施中,可以稳定运营的只有20 余座。
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1 D8 a0 T3 |8 O5 R+ t( w  v主要原因是由我国污泥泥质差、处理厂运行管理水平低。我国污泥含砂量较高、有机物含量较低、污泥可生化性差,消化设备运行的稳定性和产沼气率等指标普遍未达到国外标准。此外,我国缺乏沼气利用的激励机制,设备的投资费用高,系统运行较为复杂不易掌握。4 i& O1 K6 `2 F+ L) v, G/ B2tech.cn
8 V) e& Q0 M! D0 F: x6 J  B9 x) C4 \2tech.cn
不过采用碱解处理、热处理、超声波处理、微波处理等方法对污泥进行预处理,可以提高污泥水解速率,改善污泥厌氧消化性能。并通过项目经验的积累,企业也逐步掌握了较为全面的操作技能。污泥厌氧消化技术会是未来的一个主流方向。3 K; w: \0 p# r% m* p2tech.cn
8 {. }2 w. T8 @3 C2tech.cn
2、土地利用为主的好氧发酵技术路线
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7 C# A: z7 I. s6 I2 e% j好氧堆肥是在有氧情况下,通过微生物的发酵作用,将污泥转变为肥料的过程。其中有机物料代谢为二氧化碳、水和热。: }! i% Z8 B' j& u2tech.cn

$ L/ R) l. T1 {4 ^4 A: U$ {1 J好氧堆肥的优点包括:1 a( k3 H3 w  O8 c1 s* Y2tech.cn
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1)发酵效率高,稳定化时间相对短;
1 |$ e/ ?5 c  p: w0 y5 j+ u  P! k8 ^9 @6 S2tech.cn
2)臭味少,实现灭菌;
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3)含水率可降到40%;
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4)污泥成品主要用于修复盐碱地、城市绿化、垃圾场覆盖以及建筑等方面用土;
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* y4 P2 \% X6 ^2 r, V% Z5)并衍生出蚯蚓生物堆肥等来强化堆肥效果,比如兴蓉环境和绿山的合作。6 M$ D1 g. @# `% P2tech.cn

5 z' Z+ `& |( K堆肥的难点主要包括:0 v0 k2 J' F( U* g# i  R7 j2tech.cn
4 D! Q! r9 C- @& X2tech.cn
1)能量净支出,通风能耗费用占比80%;# n7 I# M+ k: ]+ w2 }/ \8 l0 J2tech.cn

* z; G( V  t$ }: i: P) n3 s2)需对好氧堆肥运行的不同阶段的合理通风量加强研究;/ f: g" J+ }/ f+ ?2tech.cn
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3)缺少C/N 等控制因素的理论研究,致使存在调理添加剂使用过多的情况。7 W, O  ]* i/ x4 Q2tech.cn

5 h, w" @7 V3 `, l污泥经发酵后转化为腐殖质,可限制性农用、园林绿化或改良土壤,从而实现污泥中有机质及营养元素的高效利用,设备投资少、运行管理方便。( e. n( ^5 g: r: a2 V2tech.cn
4 B* }9 l: i' n4 R/ F" _2tech.cn
但占地面积大、发酵产品存在重金属污染等缺点使得好氧发酵技术在我国较难发展。" b; W! p" E% L; t& G# C, {2tech.cn

' O/ Z4 |0 V' l/ C1 M& Q目前污泥好氧发酵工程可采用高效、快速、稳定、集约化的设计、运营模式,可实现占地面积的大幅缩小;此外,研究表明我国城市生活污泥的重金属超标比例约5%,污染风险较小,不应该成为限制污泥发酵产品土地利用的主要障碍。
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, f; Z) v  s( X8 `7 e4 T因此,在《城镇污水处理厂污泥处理处理技术指南(试行)》中,“好氧发酵+土地利用”也被列为推荐技术路线。该技术在相对欠发达地区,应用前景较大。: o; F# B7 y9 ]- k# X2 U2tech.cn
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3、污泥干化-焚烧技术路线# @4 B, q; \* R3 e: \2tech.cn
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长期以来,国人对污泥干化焚烧工艺存在误读,普遍认为它是一种高能耗工艺和高碳排放工艺。实际上,国际上污泥焚烧能量可以达到自给,不同工艺能耗来看,焚烧工艺(~100kW/t)与堆肥工艺(>100kW/t)相当。& r+ g$ [& D6 x. N! W% l# f2tech.cn

. l% _" @) H; k6 g焚烧实现彻底处理和处置,而堆肥后续需要考虑储存、运输等能耗。而且,污泥中的有机质焚烧是碳中性的。此外,人们还误认为污泥焚烧特性与垃圾相同是二噁英排放源。' `6 t2 x0 A9 z0 f2tech.cn
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干化焚烧工艺的设备投资较大,焚烧产生的烟气污染严重,还需建立完善的烟气处理系统,这也加大了污泥的处理费用。因此干化焚烧工艺一般适用于用地紧张且经济发达的地区。% C, F9 }8 ]' S" C5 A4 E2tech.cn
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随着对碳减排和污泥生物质资源认识的不断加深,干化焚烧工艺在国外的应用范围开始减少。然而现阶段,在我国污泥厌氧消化和好氧发酵技术还未成熟的情况下,污泥干化焚烧在一定时期内可能会出现增长的态势,尤其是工业窑炉协同焚烧的方式。, @1 B" J; t7 }& ]) {9 i8 _2 j2tech.cn

6 l% H' l2 S+ W2 s4、建材利用为主的污泥高干脱水处理技术路线* o: t# j: M% g& ]: g" @0 }$ `* U2tech.cn

$ V3 v4 _( f  {: x1 t* u' G大家对污泥高干脱水技术的普遍认知还停留在投加大量化学药剂,导致减容不减量;且药剂对后续污泥焚烧、土地利用、建材利用等产物影响;是临时性、应急污泥处理处置技术路线等。9 V1 H) H  \6 E; H2tech.cn
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目前采用的高干脱水工艺,投加大量药剂未达到减量效果,且未与后续处置相结合,将阻碍污泥处理技术发展,导致劣币驱除良币的现象。2 _) D) X4 i# ^& n2tech.cn

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