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德国污泥厌氧稳定工艺的基础 德国污泥厌氧稳定工艺的基础 Dr.M.Schrder 博士 Tuttahs&Meyer 水、废水和废物工程设计有限公司,亚琛,德国 姚 刚 博士 联邦德国亚琛工业大学 环境工程系 摘要：摘要：本文主要论述了分建式污泥厌氧稳定工艺（消化）的最佳可利用技术。在阐述污水厂处理工艺流程之后，讨论了传统的和改进的工艺步骤，例如污泥分解工艺和过程水的处理。此外，重点比较了污泥的厌氧消化工艺与活性污泥法中同步污泥好氧稳定工艺对整个污水处理过程产生的影响。本文还重点论述了从污泥气（消化气/沼气）的利用到氢气利用的技术革新的各种可能性。最后，论文提出一些经济性的建议。关键词：关键词：好氧的，厌氧的，污泥稳定，厌氧消化池，经济，能量 Basis of the separate anaerobic sludge stabilisation process (“Digestion”)in Germany Dr.-Ing.M.Schrder T U T T A H S&M E Y E R GmbH,Aachen,Germany Dr.-Ing.Yao Gang(RWTH Aachen University,Germany)Abstract:The article focuses on the best available technology for the separate anaerobic sludge stabilisation process(“digestion”).Following the operation procedure of a treatment plant,the classical as well as the innovative process stages,such as disintegration and process water treatment,are discussed.Furthermore,the impact of the digestion stage on the entire waterway of a wastewater treatment plant in comparison to the simultaneous aero-bic sludge stabilisation in the activated sludge process is highlighted.Another important as-pect is the outline of possibilities from digester gas utilisation to innovative hydrogen tech-nologies.Concluding,the article considers some economic aspects.Keywords:Aerobic,Anaerobic,Sludge stabilisation,Digester,Economy,Energy 11 前言前言 在污水处理过程中不仅产生来自机械处理级段（格栅、沉砂/除油池）的剩余物，更主要产生污泥。为了保障污泥的处置，必须根据计划的处置途径对污泥进行深度处理。污泥稳定是其中最实质性的一个处理环节。污泥稳定是指将溶解性的和颗粒有机物转化成无机物或很难进一步降解的有机物的工艺。污泥稳定分为好氧稳定和厌氧稳定（厌氧消化）。污泥稳定工艺的选择并不取决于法规的要求，而主要是取决于其经济性，污泥稳定工艺的经济性与可供采用的污泥处置途径的要求相关。本文将给出一些来源于分建式污泥的厌氧稳定工艺实践的重要启示。在本书给定的框架内几乎不可能就此课题展开全面的讨论。2 污泥的好氧稳定污泥的好氧稳定-污泥的厌氧稳定污泥的厌氧稳定 为了能进行经济性比较，必须考察各种污泥处理工艺流程对整个污水处理厂产生的影响。如果要建造污泥的好氧处理，那么在德国仅乎只采用在活性污泥曝气池内进行同步污泥稳定。这类活性污泥曝气池的池容积不是取决于根据碳、氮和磷的去除率计算的结果，而是取决于泥龄。如果只进行硝化，活性污泥的BOD5污龄20 天，如果还要进行反硝化，BOD5污龄 25 天。因此这类活性污泥曝气池容积明显大于只进行污水处理的曝气池容积。此外如果选用同步污泥好氧稳定工艺，一般不能设初沉池（通过初沉池可以进一步减少曝气池的容积），因为无法对初沉污泥进行合理的处置。图 1给出了同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺和分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺的流程图。1 图1:同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺和分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺流程图 同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺同步污泥好氧稳定的活性污泥法工艺 分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺分建式污泥厌氧稳定的活性污泥法工艺 活性污泥曝气池 二沉池 格栅 沉砂池 初次浓缩池 稀污泥处置 活性污泥曝气池 二沉池 格栅 沉砂池 初次浓缩 剩余污泥机械浓缩 污泥厌氧消化池二次浓缩 污泥机械脱水 填埋 焚烧 工业 初沉池 23 分建式污泥厌氧稳定工艺的目的分建式污泥厌氧稳定工艺的目的 污泥稳定的一个主要目的是尽可能地减少能形成臭味的物质和有机污泥的量。当采用分建式污泥厌氧稳定工艺时，通过将有机物转化成气体（污泥气/消化气/沼气）来实现这一主要目的。初沉污泥与剩余污泥的混合物中有机物和无机物的比例大约为 1.8:1，即大约 65%的有机干固体和 35%的无机干固体。由于有机固体物转化成污泥气，厌氧消化后的污泥中的这一比例减小到 1:1 或更小（见图 2）。污泥上清液 污泥气消化气/沼气 消化污泥消化污泥 生污泥生污泥 TS/(Ed)干固体/(人天)GV灼烧减量（有机物质），GR灼烧残量（矿物质）图 2:经过厌氧消化后污泥中固体物质的变化 4 分建式污泥厌氧稳定的工艺流程分建式污泥厌氧稳定的工艺流程 4.1 概述概述 分建式污泥厌氧稳定工艺的主要组成如下：生污泥的排泥设施 生污泥的浓缩池 厌氧消化池厌氧消化池 二次浓缩池 污泥机械脱水 在污水厂进干化和焚烧（可选）3除了这些传统的处理步骤之外，其它的一些处理方法可能是有意义的。这里特别提一下污泥的分裂方法，通过污泥的分裂处理可以提高产气率，从而进一步减少污泥量。当然，污泥分裂工艺部分尚处在发展中，常常还不能经济地应用。此外，要注意来自污泥浓缩和脱水处理步骤中所谓的过程水对污水处理厂产生的回流负荷。根据污水厂设计处理能力的利用率和过程水的负荷量，可以设置过程水贮存池来投加回流的非连续产生的过程水或者甚至设置单独的过程水处理设施。4.2 生污泥的产量生污泥的产量 采用分建式污泥厌氧稳定工艺的污水厂一般建有初沉工艺和曝气工艺系统。相应地产生两种污泥：初沉污泥和剩余污泥。两种污泥的区别主要在于其含水率。初沉污泥的含水率一般在 9698%（视其在初沉池停留时间而定），从回流污泥系统中排出的剩余污泥的含水率大于 99%。污泥的含水率主要取决于排泥方式。在排出剩余污泥时尤其应注意，从二沉池排出的底泥/回流污泥是经过足够浓缩的。4.3 生污泥的浓缩生污泥的浓缩 生污泥的固体含量直接关系到厌氧消化池的池容大小。因此生污泥浓缩的目的是要提高其中固体物质的含量。比较合适的固体含量（TR）大于 4%，最佳值在 5%和 7%之间。固体含量大于 7%时会有问题，因为相应的机械设备（泵、搅拌机）的功能会受到不利的影响。初沉污泥和剩余污泥应总是分别排放并分开进行浓缩。初沉污泥可以采用简单的重力浓缩池进行浓缩，剩余污泥应采用机械浓缩。必须根据具体情况，经过经济可行性研究后，确定采用何种现有的机械设备（离心机、带式浓缩机、转筒筛等）。4.4 分裂工艺分裂工艺 当采用分裂工艺时，借助机械、热、化学或生物机械方法将污泥的结构打碎，直到生物细胞被分解，这时细胞内的物质释放出来（高能方法）。原则上有一系列方法可供使用（见图3）。分裂方法可以用在污泥处理过程中的不同的环节，这里要注意，不是每一种方法都能合理地用在各个处理环节中。分裂工艺的预期结果可以小结如下：a)低能方法 破碎线状的污泥絮凝体/有机结构（浮泥、膨胀污泥）防止厌氧消化池出现泡沫 改善污泥脱水性能 4b)高能方法和其它方法 优化厌氧消化池的产气率 减少污泥量，从而降低污泥处置费用 提高有机物的可利用程度（有助于反硝化/生物除磷）分裂工艺分裂工艺机械方法高能方式低能方式机械方法高能方式低能方式-搅拌球磨机-剪裂均匀器-超声波-切碎机-高压均质工艺-穿孔板破碎机-Lysat-离心机-分裂器-碰撞工艺-旋转流化分裂器热处理热处理-100 C化学法化学法-湿法氧化-臭氧氧化-碱性水解-酸性水解生物法生物法-酶/添加剂水解-自溶分裂工艺分裂工艺机械方法高能方式低能方式机械方法高能方式低能方式-搅拌球磨机-剪裂均匀器-超声波-切碎机-高压均质工艺-穿孔板破碎机-Lysat-离心机-分裂器-碰撞工艺-旋转流化分裂器热处理热处理-100 C化学法化学法-湿法氧化-臭氧氧化-碱性水解-酸性水解生物法生物法-酶/添加剂水解-自溶图3:分裂工艺一览表 根据在德国使用的情况对分裂工艺的评估可以综述如下：只有当厌氧消化时间很短且单位产气量很低时（目前的污泥处置费用（水平）时，其年费用才会持平或具有优势。4.5 污泥厌氧消化池污泥厌氧消化池 在德国一般采用单级、加热中温污泥厌氧消化工艺。厌氧消化池内的温度在 3040C 之间，但不宜明显高于 37C，否则中温细菌就不在有相应的生存条件，并由高温细菌而取代。（参见图 4）所需要的厌氧消化池内的温度必须在整个池内相对均等，局部偏应小于 1C2C。因此厌氧消化池的形状和搅拌设备之间必需要进行优化，以满足这些条件。5同时通过充分的完全混合避免出现污泥沉积。厌氧消化池内的搅拌不足会对整个工艺过程的经济性产生不利影响，因为这样会降低产气量，并且不能足以达到污泥减量化。厌氧消化池的形状和搅拌设备必须相互协调。高温细菌 中温细菌 厌氧消化时间 温度 图4:厌氧消化时间与温度之间的关系Faire 和 Moor 在确定构筑物的几何形状时，要力求进一步达到下述目的：活性物质与投配污泥之间的充分的物质交换。易于气体的释放。没有分层，尤其是没有浮泥层。没有死区。池形的弱点必须由机械技术来弥补，这样就会产生过高的运行费用。图 5 给出了几种厌氧消化池的基本池形。安格尔萨克森形 传统的欧洲形 蛋形 圆柱形 图 5:厌氧消化池基本池形 6在德国优先采用蛋形厌氧消化池（图 5 中第 3 种）。这种池形配备专门的混合器。随着机械技术领域中新的、成本低的搅拌机的发展，也能使圆柱形池子实现很好的混合，因此圆柱形厌氧消化池的应用也日益增加。一般规定在厌氧消化池内搅拌机自由悬挂不安装底部支承，因此过去在德国应用的厌氧消化池的容积小于 4000 立方米。在这种情况，配备搅拌机的圆柱形池子常常比配备混合器的蛋形池子要经济。对于较大的池子，表 1 给出了定性评估，在运行方面圆柱形池子与蛋形池子相比处于明显劣势。表 1:厌氧消化池的池形和搅拌方式的定性评估 混合器 搅拌机 气体 蛋形 圆柱形 圆柱形 1 搅拌费用-+-2 池子费用-+3 搅拌效果+-+-4 运行问题+-+5 TS/温度.-梯度+(+-)+-6 产体气量+(+-)+7 能量消耗+-除了上述搅拌方式，还可以采用外部泵和压缩污泥气消化气/沼气进行搅拌（由于增强形成泡沫要慎用）。在同样好的混合效果的前提下在同样好的混合效果的前提下，搅拌方式和相关的厌氧消化池形状的选择最终取决于能耗以及投资和运行费用。良好的热量管理对厌氧消化池的经济运行具有重要意义。关于这一点尤其要注意正确设计和布置热交换器。连续向厌氧消化池投配污泥也具有同样的重要意义。这可以通过对一次浓缩池进行相应地管理来实现。5 污泥气消化气污泥气消化气/沼气的利用沼气的利用 5.1 污泥气消化气污泥气消化气/沼气的性质沼气的性质 污泥厌氧消化产生的污泥气消化气/沼气一般组成如下：甲烷(CH4):60 至 70 体积%二氧化碳(CO2):30 至 40 体积%硫化氢(H2S)1 体积%7甲烷成份越高，污泥气消化气/沼气的价值也越高。如果硫的总浓度超过 2.2g/mN，会引起腐蚀。通过向污泥中投加少量的氯化铁可以最经济地实现这一标准值，如果在污水处理中没有为了除磷已经投加硫酸氯化铁(FeClSO4)和氯化铁的话。硫与氯化铁反应生成硫化铁，与污泥一起进行处置。此外污泥气消化气/沼气中可能含有下列微量物质，这些物质会对污泥气消化气/沼气的利用产生负面影响，必须去除：硅氧烷 50 mg/m 卤化烃 HCl/HF 20 ppm 氯总Cl2 1-12 ppm 氟总F2 0.5-5.0 ppm 氨 NH3 10 mg/mN 甲烷甲烷 时，会在马达燃烧室内生成玻璃状的硅膜。当污泥气消化气/沼气中的硅氧烷浓度较高时，可以采用油洗涤或活性碳吸附方法去除。5.2 污泥气消化气污泥气消化气/沼气利用方法沼气利用方法 5.2.1 污泥气消化气污泥气消化气/沼气利用方法概述沼气利用方法概述 图 6 给出了各种可能的污泥气消化气/沼气利用的途径，归纳如下：a)污泥气消化气污泥气消化气/沼气的直接利用沼气的直接利用 a1)污泥气消化气/沼气用于制热，用作污泥焚烧的助燃料 a2)污泥气消化气/沼气用于热电联产发电机(BHKW)a3)用污泥气消化气/沼气直接驱动污泥离心机 a4)用污泥气消化气/沼气直接驱动曝气鼓风机 a5)作为特制燃气销售，用于游泳池及类似建筑物取暖等。b)去除二氧化碳去除二氧化碳(CO2)后的污泥气消化气后的污泥气消化气/沼气的利用沼气的利用 精制成“天然气”精制成“天然气”b1)输入天然气管网 b2)天然气机动车的加气站 b3)天然气热-电联产发电机(BHKW)c)重整和去除二氧化碳重整和去除二氧化碳(CO2)后的利用精制成“氢”后的利用精制成“氢”c1)销售用作燃料电池的燃料 c2)机动车的加氢站 c3)氢马达热-电联产发电机(BHKW)c4)污水厂自用的燃料电池BHKW 发电制热 8 沼气沼气-热电联产发电机产生热和电热电联产发电机产生热和电(BHKW)在锅炉中利用沼气产生热能在锅炉中利用沼气产生热能 氢气氢气-热电联产发电机产生热和电热电联产发电机产生热和电图 6:污泥气消化气/沼气的各种利用途径 5.2.2 污泥气消化气污泥气消化气/沼气的直接利用沼气的直接利用 当污泥气消化气/沼气直接利用时，污泥气的相对湿度必须小于 60%，否则会由于在燃烧器和管道中出现冷凝水带来运行问题。如果用于取暖燃烧器和锅炉，污泥气消化气/沼气中的硫含量要求很低；如果用于a2a4 燃气马达，按 5.2.1 章节中的要求小于 2.2g/mN，否则会产生下列问题：腐蚀，会大大地缩短相关设备的使用寿命（尤其是铜部件、联杆轴承、管道）会大大地减少马达的寿命 二氧化硫的污染相对较高 一般通过对厌氧消化系统采用下列标准配置来解决上述问题：污泥气产生地点安装泡沫分离器（厌氧消化池顶部）砾石滤料滤池和陶土滤料滤池 在所有污泥气管道低点分离冷凝水 污泥气的活性碳过滤和污泥气的精制设备 加氢站加氢站 输送氢气到外部用户输送氢气到外部用户(家庭燃烧器)沼气作为特制燃气出售沼气作为特制燃气出售 输入天然气管网输入天然气管网 天然气天然气 氢氢 沼气沼气利用沼气直接驱动，例如鼓风机利用沼气直接驱动，例如鼓风机 9产生的污泥气的量、温度和CO2含量是控制厌氧消化过程和污泥气质量的重要参数。产甲烷菌的活性降低的早期指示参数是厌氧消化池内的 pH-值。为了降低污泥气的相对温度，需将产生的污泥气在使用前输送到污泥气贮罐。这样可以起到调节气体和冷却气体的作用，有利于湿气在气罐中冷凝。目前用燃气发动机污泥气BHKW 综合利用电能和热能是各种污泥气利用方法中能效最高、最经济的，因为全年产生的电能和热能可以在污水处理和厌氧消化工艺中得到利用。在选择安装 BHKW 的功率时，每年平均运行小时数对 BHKW 设备的经济性有实质性影响（见图7)。在德国污泥气BHKW 的年运行小时数低于 6200 小时一般被认为是不经济的，运行小时数力求明显大于 7500 小时/年。如果用污泥气发动机直接驱动污泥离心机或曝气鼓风机，而且余热也可以被利用，其总效率高于热-电联产发电机(BHKW)，因为这时没有发电机和输送电缆的能量损失。0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,01.002.003.004.005.006.007.008.009.000,2,5,7,10,12,15,17,20,22,发电机使用时间(度/(千瓦装机容量 年)沼气利用费用 分尼/度电 资本费用 沼气利用费用欧分/度电 6.200 h/a=污水厂没有 EEG补贴时 最短经济运行时间 3.500 h/a=高电价时最短运行时间 沼气-汽油-马达运行费用图7:沼气-汽油-马达的经济性与发电机使用时间的关系 5.2.35.2.3 去除二氧化碳(CO2)后的污泥气消化气/沼气的利用 精制成“天然气”（5.2.1 章节中 b1b3）去除二氧化碳(CO2)后的污泥气消化气/沼气的利用 精制成“天然气”（5.2.1 章节中 b1b3）由于污泥气中的主要成份是甲烷（CH4），因此也可以用来生产类似天然气的燃气产品。这一技术已经得到验证，并在斯堪的纳维亚半岛应用多年。有两种主要方法：1.在压力气体洗涤器内用水吸附CO2 2.在变压吸附装置内用活性碳吸附CO2 10第一种方法产生受CO2污染的废水，而且其吸附选择性主要针对去除CO2。第二种方法还具有吸附其它竞争性气体的副效应（硅氧烷、硫等），生产的气体纯度更高。如果燃气产品纯度要求高，则必须优先采用第二种方法。5.2.45.2.4 重整和去除二氧化碳(CO2)后的利用精制成“氢”（5.2.1 章节中 c1c4）重整和去除二氧化碳(CO2)后的利用精制成“氢”（5.2.1 章节中 c1c4）制氢并在燃料电池中利用是一种更有效的污泥气利用途径，因为这种利用途径所期待的总电效率很高。迄今为止已经在德国几座城市污水厂使用燃料电池进行了多个示范项目的生产性试验。与“传统”的利用途径相比，只有当燃料电池的投资费用明显降低时（比如通过批量生产），那么这一系统所提高的效率才能显示其更好的经济性。继此之后才能如图 8 所示，将污泥气用于燃料电池的途径结合到污水厂的氢总体方案中去。污水处理污水处理(主流或支流)空气鼓风机房沼气生产鼓风机房沼气生产(厌氧消化池)污泥电网电网内部热能消耗内部热能消耗氢气贮存氢气贮存沼气加工处理沼气加工处理净化重整电解电解氧气贮存氧气贮存太阳能水能单个风力发电机天然气沼气沼气图例图例热能热能电能电能氧气氧气其它物质其它物质氢气氢气加氢站加氢站分裂分裂(可选择的)天然气氢气天然气氢气生物垃圾沼气马达沼气马达-BHKW氢燃烧氢燃烧燃烧器,燃气发电机,燃气凸平机外部用户外部用户(家庭燃烧器)污水处理污水处理(主流或支流)污水处理污水处理(主流或支流)空气鼓风机房鼓风机房空气鼓风机房鼓风机房空气鼓风机房沼气生产鼓风机房沼气生产(厌氧消化池)空气污泥污泥污泥电网电网电网电网电网电网电网电网内部热能消耗内部热能消耗内部热能消耗内部热能消耗氢气贮存氢气贮存氢气贮存氢气贮存氢气贮存氢气贮存氢气贮存氢气贮存沼气加工处理沼气加工处理净化重整电解电解电解电解氧气贮存氧气贮存氧气贮存氧气贮存氧气贮存氧气贮存太阳能水能水能水能单个风力发电机天然气图例图例沼气沼气沼气沼气电能电能氧气氧气生物垃圾天然气热能热能热能热能其它物质其它物质氢气氢气分裂分裂(可选择的)分裂分裂(可选择的)沼气马达沼气马达-BHKW沼气马达沼气马达-BHKW氢燃烧氢燃烧燃烧器,燃气发电机,燃气凸平机加氢站天然气天然气氢气外部用户加氢站天然气天然气氢气外部用户(家庭燃烧器)图8:污水处理厂利用氢的总体方案 6 6 分建式污泥厌氧稳定工艺的经济可行性 分建式污泥厌氧稳定工艺的经济可行性 在污水厂应用分建式污泥厌氧稳定工艺几乎在世界范围内都是有意义的，因为通过污泥的减量和深度脱水以及来自污泥气产生的能量，年费用关系几乎总是呈现黑字。当然在作出建设污泥厌氧消化处理系统之前，对每一个具体情况都必须一定针对当地的实情进行可行性研究。11通讯地址：通讯地址：Dr.Ing.M.Schrder T U T T A H S&M E Y E R GmbH Bismarckstrasse 2-8,52066 Aachen,Gernany Tel.:(49)0241/50 00 05 Fax.:(49)0241/53 54 88 web:www.tuttahs-meyer.de email:m.schroedertum-aachen.de 姚 刚 博士 联邦德国亚琛工业大学 环境工程系 Dr.-Ing.Gang Yao Department of Environmental Engineering(ISA)RWTH Aachen University 电话：0049-2418-028275 传真：0049-2418-022522 web:www.isa.rwth-aachen.de Email:gyaoisa.rwth-aachen.de 12
