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小红门热水解厌氧消化项目运行两周年的总结

来源:中国给水排水 作者: 人气: 发布时间:2018-12-04 18:53:31

编者按:作为国内首个采用康碧热水解+厌氧消化工艺的大型污泥升级改造项目,北京排水集团小红门热水解厌氧消化系统已运行两年多。对这两年热水解、厌氧消化、板框脱水的生产和技术指标进行了系统介绍,并与主要设计值进行对比。热水解处理后的污泥含水率稳定,镜检显示活性污泥破壁效果明显,消化产气量、有机物分解率、板框脱水后泥饼含水率等指标均优于设计指标。沼气品质较好,但厂内利用有限,需进一步考虑沼气的综合利用问题。同时,针对除渣、除砂装置运行效率低,热水解系统稀释水用量较多等问题,提出优化建议。

作者简介:宋晓雅(1971—),女,河北石家庄人,大学学历,教授级高级工程师,先后参与高碑店、小红门、槐房、高安屯等污水厂消化系统的启动调试,参与高碑店、延庆康庄、小红门再生水等污水和再生水系统的调试运行工作。

热水解厌氧消化,是当今国际上市政污泥处理的主流技术。国内从2015年开始,引进国外先进技术,建设和运转了一批采用热水解厌氧消化工艺的污泥处理设施。其中,小红门热水解厌氧消化项目(以下简称小红门项目)是国内第一个采用康碧热水解+厌氧消化的泥区升级改造项目。2016年7月18日启动,截至2018年7月18日该项目已稳定运转两周年。

1.改造与设计

1.1改造前设计

小红门项目位于北京市朝阳区南四环东路小红门污水处理厂内,是泥区升级改造项目。改造前的泥区污泥处理能力为150tDS/d,原设计中初沉污泥和剩余污泥分别单独浓缩后混合,经厌氧消化进入脱水机,脱水后泥饼含水率80%。消化池设计进泥量3000m3/d,沼气产量30000m3/d。运行温度35℃,采用沼气搅拌。消化池产生的沼气,用于驱动沼气拖动鼓风机,冬季可用于厂内供暖。多余的沼气利用废气燃烧器烧掉。但在实际运行中,只浓缩剩余污泥,初沉污泥不浓缩。进消化池的只有初沉污泥。即,经消化处理的初沉污泥和浓缩处理的剩余污泥均到脱水前混合,进行带式压滤脱水。消化池进泥量1200~3000m3/d,消化池产气量为12000~30000m3/d。

改造前主要设施有1座浓缩脱水机房、5座卵型消化池(单池有效容积12000m3)、3座沼气柜(单座容积4500m3)等。

1.2改造后设计

2016年小红门项目泥区实施升级改造。改造后的污泥消化系统设计处理能力900t/d(以含水率80%的泥饼计),沼气产量45000m3/d,有机物分解率≥40%(当污泥中有机物含量在60%以上,且COD/VS比例在1.4以上,有机物分解率≥45%;当污泥中有机物含量在45%以上,有机物分解率≥40%)。消化池运行温度39~41℃。全部热水解污泥消化后,板框脱水含水率≤60%。

改造后的小红门泥区主要以处理本厂污泥为主,还少量处理车载外接污泥。本厂污泥全部经过预脱水。本厂预脱水后污泥和外接污泥在料仓混合。进入热水解+厌氧消化+板框脱水工艺。板框脱水滤液经厌氧氨氧化系统处理后,尾水排到污水处理厂(小红门污水处理厂设计处理能力60×104m3/d)进水泵前池。

改造后保留利用原有消化池(使用4座消化池)、沼气柜,更新沼气搅拌用压缩机,新增3条热水解生产线(单线处理量为60tDS/d,单线最大处理量为90tDS/d)、1座板框脱水机房、1座蒸汽锅炉房等。

2.整体回顾

为减少对水区运行影响,在热水解、厌氧消化和板框脱水三个工艺板块中,板框最先运行,其次是厌氧消化,最后是热水解。以热水解启动为项目启动标志;以厌氧消化运行效果为项目主要衡量标准。

以2017年3月9日为时间节点,忽略运行准备期的工作,将两年运行回顾分为启动稳定期(2016年7月18日—2017年3月8日)和全面运行期(2017年3月9日—2018年7月18日)两部分。需说明的是,由于化验及取样原因,导致部分时间段数据存在不连续的情况。

3.启动稳定期

3.1热水解启动

3.1.1进泥

启动时,热水解进泥为浓缩后预脱水的剩余污泥,进泥平均含水率为87.1%。采用剩余污泥,一方面是急于验证热水解对活性污泥破壁的实际效果,另一方面,也是考虑到剩余污泥直接脱水比较困难。污泥经热水解后,平均含水率为91.8%。热水解处理后出泥温度为101~107℃,还需降温,方可进入消化池。

图1 热水解进、出泥含水率变化

3.1.2热解效果

污泥热水解过程可细分为以下4个过程:污泥絮体结构的解体、污泥细胞破碎和有机物的释放、有机物的水解和有机物发生美拉德反应。相应的,对于热水解前后污泥性状的变化,实际生产中采用微生物镜检、理化两类指标进行监测。

微生物镜检,就是采用常规的水处理使用的电子显微镜,观察热水解前后的细胞形态变化,如细胞絮体结构是否解体和观察污泥细胞是否破碎。

图2 热水解前后微生物镜检(目镜×物镜,10×20)

理化指标,就是检测热水解前后SCOD、氨氮等变化,主要是检测有机物的释放和水解。这两类指标,在现场均易于操作且检测方便。

表1 热水解前后SCOD和氨氮变化

日期

名称

SCOD

(mg/L)

氨氮

(mg/L)

2016/8/12

热水解进泥

1.75E+03

118

热水解出泥

1.44E+04

732

2016/8/18

热水解进泥

1.64E+03

176

热水解出泥

1.08E+04

553


3.2消化池

3.2.1进泥

启动初期,由于热水解分阶段提升处理负荷,热水解处理泥量较少,此时消化池进泥为初沉污泥和热水解后污泥。初沉污泥含水率平均为96.8%;热水解后污泥平均含水率91.8%。随着热水解处理量的提升,消化池中初沉污泥比例越来越少,逐步被热水解污泥所取代,直至消化池进泥全部为热水解污泥。

图3 启动时消化池进泥情况

3.2.2产气量的变化

启动阶段,消化池进泥中有未经热水解处理的污泥和经过热水解处理的污泥两种物料。且这两部分物料的比例不固定。生产中采用吨干泥产量(m3/tDS)来比较不同物料的产气情况。从图4看出,在热水解启动之前,吨干泥产气量平均为200m3/tDS,随着热水解泥量增加,吨干泥产气量的数值也增加;待消化池进泥全部调整为热水解污泥时,吨干泥产气量提升并稳定在350m3/tDS左右。


图4 消化池启动阶段进泥物料及产气量变化

4.全面运行期

在全面运行阶段,主要分析数据为2016年3月9日—2018年7月18日的运行情况。

4.1外接污泥

小红门项目外接污泥主要以吴家村和卢沟桥为主。吴家村占46%,卢沟桥占27%。外接污泥平均量为213t/d,污泥含水率约81%。前期由于外接设备磨合,接收泥量较少,约30天后外接污泥量开始稳定。在2017年9月高安屯污泥处理启动后,小红门项目原来承接的酒仙桥、肖家河、清河、高安屯等污水处理厂的污泥分流到高安屯污泥处理中心。


图5 外接泥量情况


4.2 热水解

4.2.1处理量

热水解共3条生产线,日常运转2条生产线,平均日处理量为117tDS/d,为设计负荷(180tDS/d)的65%。

与设计量相比,处理量较少的主要原因一是流域内水量分流到槐房厂,本厂自产泥量少;二是外接污泥少。清河等外接污泥,逐渐分流到新近投产运行的槐房和高安屯等污泥处理中心。

图6 热水解处理干泥量

4.2.2沼气耗量

热水解生产需要蒸汽。蒸汽来自消化池产的沼气驱动的蒸汽锅炉。生产中引入热水解吨干泥沼气耗量(m3/tDS)指标。运行时段内,热水解进泥含水率平均为86.99%,吨干泥沼气耗量平均为158.4m3/tDS。

图7 热水解沼气消耗量

4.2.3稀释水用量

热水解运行中需要添加稀释水。水源为污水处理厂深度处理出水。稀释水分为一次稀释水和二次稀释水。一次稀释水有两个添加点,分别是浆化罐前和闪蒸罐之后。添加前在浆化罐前,主要是稀释污泥,提高污泥的流动性,一般用管道压力控制添加量;添加在闪蒸罐后的一次稀释水,主要是降低闪蒸后的污泥温度,一般闪蒸后的污泥为103~110℃,经过添加稀释水后,能降到87℃以下,一般采用按出泥比例添加;二次稀释水添加在一级换热器之后,也是主要降低污泥温度,稀释氨氮浓度,吸收工艺气冷凝水,一般也是按比例添加。

从稀释水用途看,多用于污泥降温。稀释水用量多,热水解出泥含水率增加;稀释水用量少,污泥流动性差,在冬季易出现管线堵塞。

运行时段内,热水解平均处理量为117tDS/d,一次稀释水平均添加量为647t/d,二次稀释水平均添加量为294t/d。从稀释水用量分布看,热水解一次稀释水用量较多。

4.3消化池

4.3.1进泥

从2017年3月9日开始全面运行阶段,消化池的进泥中逐渐增加外接污泥。刚开始接收外接污泥时,由于外接污泥来源和含水率变化较大,导致消化池进泥含水率不稳定。随着稀释水、换热系统调整,消化池进泥逐步稳定下来。消化池进泥含水率平均为93.5%,进泥有机分平均值为58.4%。

4.3.2消化效率

运行时段内,消化池内污泥脂肪酸(VFA)平均为552mg/L,碱度(ALK)平均值为6052mg/L,氨氮平均值为1532mg/L。酸碱比<0.1。有机物分解率平均45.06%,超过设计目标值40%。分解单位公斤有机物沼气产量为1.17m3/VSS,消化池有机负荷为1.35kgVSS/(m3·d)。

与改造前相比,改造后的有机物分解率45.06%要略低改造前51%,但与小试装置40℃时混合污泥热水解厌氧消化的有机物分解率46%非常接近。改造后的消化池分解单位公斤有机物沼气产量1.17要优于改造前的0.93kgVSS/(m3·d)。与国内其他消化项目相比,消化池的有机负荷基本一致,但是与国外项目6.1~8.8kgVSS/(m3·d)和常规厌氧消化2~6kgVSS/(m3·d)相比,还有进一步提升的空间。

图8 消化池理化指标变化

图9 消化效率主要衡量指标

4.3.3沼气产量

运行时段内,沼气产量约40319m3/d。平均值为352m3/tDS。超过设计目标值222m3/tDS。与热水解启动稳定观察期的产气量350m3/tDS基本一致。

图10 沼气产量

4.3.4沼气成份

沼气中甲烷含量(体积分数)平均为60%。沼气中硫化氢含量(体积分数)为0.135%。

图11 沼气成份

4.3.5沼气利用

从运行时段看,沼气产量约40319m3/d,其中用于生产蒸汽消耗量约18150m3/d,沼气富余量约22000m3/d。富余的沼气,现况用于沼气拖动鼓风机约7219m3/d。供暖季节,供热的热水锅炉已经采用沼气作为气源。由于现况沼气拖动鼓风机(3台)使用年限超过10年,设备故障较多,利用的沼气量有限,出现即使在供暖季,沼气的富余量也较多。现况剩余沼气通过废气燃烧器烧掉。

图12 沼气利用

4.4板框脱水

板框脱水药剂使用的是复合药剂,平均药剂投配率(t/tDS)为11.4%。

板框脱水后泥饼pH值约在7左右。平均泥饼含水率<60%,达到设计值。

按照工艺设计,板框滤液进入北排自主研发的红菌技术--厌氧氨氧化设施处理后,尾水排放到污水处理厂泵前池。目前,由于厌氧氨氧化设施正在调试,处理的板框滤液量较少,现况板框滤液大部分排放到污水处理厂泵前池。

图13 板框脱水的主要指标

5.问题及对策

5.1 砂渣预处理

在实际生产中,虽在初沉污泥管线上设置了旋流除砂器和滚筒格栅装置,进行砂、渣和杂物去除,但由于砂、渣去除系统普遍运行不够稳定,出现砂渣杂物等进入污泥料仓,堵塞浆化罐和闪蒸罐的排泥泵,堵塞污泥管道上的流量计、压力计等。2018年3月,小红门项目首次实施热水解生产线大修,对罐体泄空检查时,发现反应罐的蒸汽喷嘴出现不同程度的磨损,怀疑与进泥砂渣杂物有关。

对于砂渣杂物堵塞等,建议加强现况污泥区域内的除渣、除砂等设施设备的精细运行。如进行除渣量和除砂量的计量统计;加强设备的维护维修等。

5.2热水解优化

热水解污泥在进入消化前,需要稀释和降温。目地在于降低污泥温度以保护消化池进泥泵运行,降低污泥粘度以及避免氨浓度过高对厌氧消化产生抑制等。这就需要添加稀释水。但是,稀释水的大量添加,降低了消化池进泥的含固量,导致消化池进泥的含水率较高,导致消化池有机负荷较低。

建议今后开展生产性试验,统筹考虑热水解前的预脱水机系统,结合外接污泥处理量、稀释水量等,优化热水解系统的稀释、降温等功能。

可考虑采用本厂未预脱水的剩余污泥替代少量一次稀释水,在浆化罐内进行污泥稀释,能减少部分预脱水药剂电耗等费用;可考虑评估换热器换热能力与稀释水的用量。通过减少稀释水用量,提高消化池进泥的有机负荷,增加总产气量。可考虑热水解系统各类换热系统产生的低温余热的综合利用。

6.结论

小红门项目,自2016年7月18日至2018年7月18日运行两年期间,从启动到全面运行,热水解厌氧消化系统整体运行平稳。

①沼气产气量大于350m3/tDS,超过设计值222m3/tDS。

②有机物分解率>45%,超过设计值40%。

③板框脱水后泥饼含水率<60%,达到设计标准。

④建议采用生物镜检等作为热水解生产运行监控指标。

⑤建议用未预脱水的剩余污泥替代部分一次稀释水,综合评估换热器换热能力与稀释水用量,通过减少稀释水用量,提升消化池进泥有机负荷,增加总产气量。进一步加大热水解换热系统低温余热的利用。

本文发表于《中国给水排水》2018年11月第22期“运行与管理”栏目。

本文参考文献标准著录格式如下:

宋晓雅.小红门污泥热水解厌氧消化项目运行两周年之回顾[J].中国给水排水,2018,34(22):116-122.

SongXiaoya. Review of biennial operation of Xiaohongmen thermal hydrolysis  anaerobic digestion system[J].China Water & Wastewater, 2018,34(22):116-122(in Chinese).

(编辑:Nicola)

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