沼氣及回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)在污泥烘干中

沼氣及回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)在污泥烘干中的應(yīng)用前言世界上最早將熱干燥技術(shù)用于污泥處理的是英國的Bradford公司。1910年，該公司首次開發(fā)了轉(zhuǎn)窯式污泥干化機(jī)并將其應(yīng)用于污泥干化實(shí)踐[1]，進(jìn)入80年代末期，污泥干化技術(shù)逐漸為人們所重視，污泥熱干燥技術(shù)的應(yīng)用和推廣，促進(jìn)了污泥處理處置手段的改變，這種改變主要體現(xiàn)在：污泥填埋處置前，要將污泥進(jìn)行干燥處理；污泥焚燒處置比例得到了較大提高；干污泥產(chǎn)品作為土地回用的肥源出售，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大等[2]。如今，污泥干化處理也得到了越來越多包括發(fā)展中國家環(huán)境工程界的重視。

在我國，隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，國民環(huán)保意識(shí)的提高，城市污水處理行業(yè)得到迅速發(fā)展，城市污泥的產(chǎn)量與日俱增，污泥的處置和開發(fā)利用問題日益為人們所關(guān)注。污泥的干化處理，使污泥農(nóng)用、作為燃料使用、焚燒乃至為減少填埋場地等處理方法成為可能。污泥干燥技術(shù)的完善與革新，直接推動(dòng)了污泥處置手段的發(fā)展，拓展了污泥處置手段的選擇范圍，使之在安全性、可靠性、可持續(xù)性等方面得到越來越可靠的保證。但污泥的干化處理需要消耗大量的熱源，提高了污泥的處置成本。因此，尋求一套技術(shù)成熟的設(shè)備和價(jià)格低廉的熱源，是城市污泥進(jìn)行綜合處置和利用的關(guān)鍵。

青島市海泊河污水處理廠在污泥的綜合利用研究中，制定了一套污泥烘干工藝，并與有關(guān)專家一起以日本的烘干技術(shù)為基礎(chǔ)，成功試制了一臺(tái)國產(chǎn)污泥高效回轉(zhuǎn)烘干機(jī)。為國內(nèi)污泥干燥技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供了參考依據(jù)。1工藝流程該工藝充分考慮了海泊河污水廠沼氣資源豐富的特點(diǎn)，將沼氣用于污泥烘干，使沼氣得以充分利用。

2烘干機(jī)工作原理該烘干機(jī)采用直接干化技術(shù)，將沼氣燃燒室產(chǎn)生的熱氣與污泥直接進(jìn)行接觸混合，使污泥中的水分得以蒸發(fā)并最終得到干污泥產(chǎn)品。

該機(jī)的主體部分為：沼氣燃燒室和與水平線略呈傾斜的旋轉(zhuǎn)圓筒，烘干方式采用順流式烘干。物料經(jīng)供料裝置從回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)筒的上端送入，在轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板的翻動(dòng)下（5～8r／min）與同一端進(jìn)入的流速為1.2～1.3m／s、溫度為649℃的熱氣流接觸混合，滾筒中部設(shè)旋轉(zhuǎn)的破碎攪拌翼，能使進(jìn)入烘干機(jī)內(nèi)的物料迅速被打碎，特別是有一定粘性的大塊物料，可碎成小塊，以便和熱風(fēng)充分接觸，提高干燥效率，小塊物料進(jìn)一步碎成粒狀，經(jīng)20～60min的處理，干污泥經(jīng)出料口輸送出來。最終得到含水率低于14％的干污泥產(chǎn)品。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如下。3該套設(shè)備的主要特點(diǎn)（1）熱容量系數(shù)大，熱效率高。

通過破碎攪拌裝置和圓筒回轉(zhuǎn)的復(fù)合效果，使總傳熱系數(shù)提高至普通回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的2～3倍，可達(dá)300～500Kcal／m3.n.℃。破碎攪拌裝置破碎物料，物料和熱風(fēng)的接觸面積增大，同時(shí)亦防止了熱風(fēng)的短路，使熱風(fēng)的熱量得到充分利用。

（2）產(chǎn)品粒徑均一

由于城市污水廠的污泥在脫水的過程中投加了絮凝劑，使污泥粘性增大，在烘干過程中容易結(jié)塊，既影響了烘干的效果，又增加了利用的難度（需上一套泥塊破碎設(shè)備）。在本干燥設(shè)備中，通過攪拌破碎裝置和筒內(nèi)的窯式活動(dòng)板作用，使泥塊結(jié)硬之前就被破碎，最終的出料為粒徑均一的顆粒（約2mm左右），使污泥的后續(xù)處理或利用工序更加簡便。

（3）運(yùn)轉(zhuǎn)、操作容易

該設(shè)備配備了自動(dòng)控制系統(tǒng)，沼氣燃燒器具有大、小火頭燃燒方式。烘干轉(zhuǎn)筒末端設(shè)有溫度傳感器，通過溫度傳感器控制燃燒器火頭的大小轉(zhuǎn)換，從而控制烘干滾筒內(nèi)部的溫度，防止溫度過高造成污泥的焦化。轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速可通過控制柜進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（4）環(huán)保、節(jié)能

采用污泥消化處理中產(chǎn)生的沼氣為加熱能源，大大降低了污泥干燥的成本，為沼氣的綜合利用又開創(chuàng)了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)地。4生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)效果4.1原始參數(shù)的設(shè)定

海泊河污水處理廠消化污泥脫水后泥餅含水率約75%，將其自然晾曬后，含水濾可降至60%和50%。有機(jī)復(fù)混肥含水率的國家標(biāo)準(zhǔn)為14%，根據(jù)前期大量的肥料生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)可知，污泥肥料造粒生產(chǎn)時(shí)，污泥含水率為20%時(shí)產(chǎn)量及質(zhì)量最佳。因此，設(shè)定烘干進(jìn)料污泥含水率如下：

初始污泥含水量設(shè)定為：75%、60%、50%；

終含水量設(shè)定為：14%、20%。

4.2海泊河污水廠沼氣情況

海泊河污水廠沼氣成分監(jiān)測結(jié)果如表4－1：表4-1海泊河污水廠沼氣成分及含量成分CO2O2COCH4H2N2含量（%）22.00.864.810.70.1經(jīng)計(jì)算沼氣熱值為6543千卡／標(biāo)立方米，沼氣產(chǎn)量約7000立方米／天。

4.3烘干脫水及能耗分析

設(shè)備安裝完畢后，進(jìn)行了大量的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)將設(shè)備運(yùn)行的平均情況總結(jié)如下，見表4－2。表4-2污泥烘干脫水產(chǎn)量及耗能分析投入濕料量T／hr初始含水量（%）總含水量（%）產(chǎn)品量（Kg/hr）脫水量（Kg/hr）耗熱量（Kcal/hr）耗熱比（%）產(chǎn)量比（%）175142917096809281001006046553551360075.41605058141940185659.020075203136886600001001006050050048000072.71605062537536000054.5200表中所示的產(chǎn)量及耗熱量是以濕料處理量1噸／小時(shí)，按設(shè)定的參數(shù)計(jì)算的，其中：

QH2O＝960Kcal／KgH2O，此值是根據(jù)生產(chǎn)綜合經(jīng)驗(yàn)數(shù)值推算出來的；

WH2O＝GD×（75－14）%／（100－75）%

WH2O＋GD＝1000Kg

式中：QH2O――去除單位水份所消耗的熱量，Kcal／KgH2O；

WH2O――脫水量，Kg／hr；

GD―――產(chǎn)品量，Kg／hr。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，無論對(duì)終含水量14%，還是20%的處理，初始含水量由75%降低到50%時(shí)，產(chǎn)品產(chǎn)量均上升100%，而能耗僅為原來的59%和54.5%，所以，從生產(chǎn)工藝上盡可能的降低投入料的含水率，降低污泥烘干的成本。該設(shè)備的烘干料為均勻的顆粒狀，粒徑約2mm左右。

降低投入料含水率最有效最簡便的辦法就是對(duì)濕污泥進(jìn)行自然風(fēng)干、晾曬，在含水率較高的情況下（75%），可較快的初步降低污泥中的含水率。5結(jié)論（1）將污水處理廠的副產(chǎn)品-沼氣用于污泥烘干是可行的，一方面可有效的降低污泥干化的處理成本，另一方面避免了沼氣能源的浪費(fèi)，使該套設(shè)備兼具環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)。

（2）該套設(shè)備用于城市污水處理廠的污泥烘干，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有一定的優(yōu)勢。

（3）該套設(shè)備存在的問題是沒有對(duì)污泥烘干過程中產(chǎn)生的異味氣體進(jìn)行處理，有關(guān)這部分異味氣體的處理方法下一步將繼續(xù)探討、研究。折流式厭氧反應(yīng)器的工藝特性及其運(yùn)用

1新型厭氧反應(yīng)器及新工藝?yán)砟顚?shí)踐表明，一個(gè)成功的反應(yīng)器必須是：①具備良好的截留污泥的性能，以保證擁有足夠的生物量；②生物污泥能夠與進(jìn)水基質(zhì)充分混合接觸，以保證微生物能夠充分利用其活性降解水中的基質(zhì)。同時(shí)，研究人員基于對(duì)各類化合物厭氧降解機(jī)理研究的進(jìn)展，從厭氧底物降解途徑和動(dòng)力學(xué)兩方面入手，分析提高和保持反應(yīng)器內(nèi)微生物活性的可能措施，并與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)相結(jié)合，全面提高反應(yīng)器的性能。厭氧過程實(shí)質(zhì)是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，其中的底物、各類中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物以及各種群的微生物之間相互作用，形成一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，類似于宏觀生態(tài)中的食物鏈關(guān)系，各類微生物間通過營養(yǎng)底物和代謝產(chǎn)物形成共生關(guān)系(symbiotic)或共營養(yǎng)關(guān)系(symtrophic)。因此，反應(yīng)器作為提供微生物生長繁殖的微型生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物的平穩(wěn)生長、物質(zhì)和能量流動(dòng)的高效順暢是保持該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的必要條件。如何培養(yǎng)和保持相關(guān)類微生物的平衡生長已經(jīng)成為新型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思路。Lettinga教授[1]在展望未來厭氧反應(yīng)器發(fā)展動(dòng)向時(shí)指出，現(xiàn)有的各類高效厭氧反應(yīng)器中，上流式污泥床(USB)系統(tǒng)是最受歡迎的，也是最有發(fā)展前途的，上流式厭氧污泥床(UASB)系統(tǒng)在全球范圍的風(fēng)行可以作為例證。USB系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)水流方向與產(chǎn)氣上升方向相一致，一方面減少堵塞的機(jī)會(huì)，另一方面加強(qiáng)了對(duì)污泥床層的攪拌作用，有利于微生物與進(jìn)水基質(zhì)的充分接觸，也有助于形成顆粒污泥。關(guān)于新型高效反應(yīng)器，Lettinga在推薦膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器EGSB(ExpandedGranularSludgeBed)的同時(shí)，提出了另一個(gè)極有前途，同時(shí)也是極富挑戰(zhàn)性的新工藝，即分階段多相厭氧反應(yīng)器技術(shù)SMPA(StagedMulti-PhaseAnaerobicReactor)[1]。實(shí)際上SMPA并非特指某個(gè)反應(yīng)器，而是一種新工藝思想。據(jù)稱，該工藝將適用于各類溫度條件，從低溫(<10℃)直到高溫(>55℃均可運(yùn)行，對(duì)于各種含抑制性化合物的化工廢水也能適應(yīng)。SMPA的理論思路是：①在各級(jí)分隔的單體中培養(yǎng)出合適的厭氧細(xì)菌群落，以適應(yīng)相應(yīng)的底物組分及環(huán)境因子(pH,H2分壓值等)；②防止在各個(gè)單體中獨(dú)立發(fā)展形成的污泥互相混合；③各個(gè)單體內(nèi)的產(chǎn)氣互相隔開；④工藝流程更接近于推流式，系統(tǒng)因而擁有更高的去除率，出水水質(zhì)更好。從上述的思路可以看出，SMPA的理論依據(jù)來源于對(duì)厭氧降解機(jī)理的最新理解。Lettinga指出，組成SMPA的單體反應(yīng)器既可是EGSB，也可是UASB。2折流式厭氧反應(yīng)器折流式厭氧反應(yīng)器(AnaerobicBaffledReactor)是Bachman和McCarty等人[2]于1982年前后提出的一種新型高效厭氧反應(yīng)器，其構(gòu)造如圖1。反應(yīng)器特點(diǎn)是：內(nèi)置豎向?qū)Я靼?，將反?yīng)器分隔成串聯(lián)的幾個(gè)反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的上流式污泥床(USB)系統(tǒng)，其中的污泥可以是以顆粒化形式或以絮狀形式存在。水流由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流前進(jìn)，逐個(gè)通過反應(yīng)室內(nèi)的污泥床層，進(jìn)水中的底物與微生物充分接觸而得以降解去除。雖然在構(gòu)造上ABR可以看作是多個(gè)UASB反應(yīng)器的簡單串聯(lián)，但工藝上與單個(gè)UASB有顯著不同。UASB可近似地看作是一種完全混合式反應(yīng)器，而ABR則更接近于推流式工藝。與Lettinga提出的SMPA[3]工藝對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)ABR幾乎完美地實(shí)現(xiàn)了該工藝的思路要點(diǎn)。首先，擋板構(gòu)造在反應(yīng)器內(nèi)形成幾個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)室，在每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)馴化培養(yǎng)出與該處的環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質(zhì)的廢水時(shí)，第一格反應(yīng)室經(jīng)過一段時(shí)間的馴化，將形成以酸化菌為主的高效酸化反應(yīng)區(qū)，葡萄糖在此轉(zhuǎn)化為低級(jí)脂肪酸(VFA)，而其后續(xù)反應(yīng)室將先后完成各類VFA到甲烷的轉(zhuǎn)化。通過熱力學(xué)分析可知，細(xì)菌對(duì)丙酸和丁酸降解只有在環(huán)境H2分壓較低的情況下才能進(jìn)行[4]，而有機(jī)物酸化階段是H2的主要來源，產(chǎn)甲烷階段幾乎不產(chǎn)生H2。與單個(gè)UASB中酸化和產(chǎn)甲烷過程融合進(jìn)行不同，ABR反應(yīng)器有獨(dú)立分隔的酸化反應(yīng)室，酸化過程產(chǎn)生的H2以產(chǎn)氣形式先行排除，因此有利于后續(xù)產(chǎn)甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過程在較低的H2分壓環(huán)境下順利進(jìn)行，避免了丙酸、丁酸過度積累所產(chǎn)生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各個(gè)反應(yīng)室中的微生物相是隨流程逐級(jí)遞變的，遞變的規(guī)律與底物降解過程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應(yīng)的微生物相擁有最佳的工作活性。其次，同傳統(tǒng)好氧工藝相比，厭氧反應(yīng)器的一個(gè)不足之處是系統(tǒng)出水水質(zhì)較差，通常需要經(jīng)過后續(xù)處理才能達(dá)標(biāo)排放。而ABR的推流式特性可確保系統(tǒng)擁有更優(yōu)的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器的運(yùn)行也更加穩(wěn)定，對(duì)沖擊負(fù)荷以及進(jìn)水中的有毒物質(zhì)具有更好的緩沖適應(yīng)能力。值得指出的是，ABR推流式特點(diǎn)也有其不利的一面，在同等的總負(fù)荷條件下與單級(jí)的UASB相比，ABR反應(yīng)器的第一格不得不承受遠(yuǎn)大于平均負(fù)荷的局部負(fù)荷。以擁有5格反應(yīng)室的ABR為例，其第一格的局部負(fù)荷為其系統(tǒng)平均負(fù)荷的5倍。如何降低局部負(fù)荷過載的不利影響還有待于深入探討。3ABR的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景目前關(guān)于ABR反應(yīng)器的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。英國的一些研究機(jī)構(gòu)在反應(yīng)器的工藝特性方面做了較多的研究。ABR的工藝特性與其水力特性緊密相關(guān)。對(duì)于ABR的水力學(xué)特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey[3]和天津大學(xué)的郭靜[10]研究表明：ABR反應(yīng)器在沒有回流和攪拌的條件下，混合效果良好，死區(qū)百分率低。反應(yīng)死區(qū)可以分為生物死區(qū)和水力死區(qū)，生物死區(qū)來源于污泥所占的體積以及污泥對(duì)水力條件的改變；水力死區(qū)則可通過改善反應(yīng)器構(gòu)造設(shè)計(jì)而減小。在單個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，水力特性接近于完全混合式，而從整體效果上看，則近似于推流式。由于ABR的水力特性較復(fù)雜，二者均未能就其流態(tài)提出一個(gè)較好的數(shù)學(xué)模型。其水力死區(qū)的計(jì)算借用了化學(xué)反應(yīng)工程中反應(yīng)器的流態(tài)模型，其合理性尚待進(jìn)一步考證。關(guān)于ABR的工藝特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人[2]所做。據(jù)介紹，ABR反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)污泥床層(常為顆粒污泥)處于流化狀態(tài)，廢水中基質(zhì)的降解和微生物代謝產(chǎn)物的排除均須經(jīng)由顆粒污泥表面通過擴(kuò)散作用完成。試驗(yàn)中ABR的負(fù)荷可高達(dá)36gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey[5]研究了ABR的啟動(dòng)特性，結(jié)果表明，固定進(jìn)水基質(zhì)濃度而逐步縮短HRT的啟動(dòng)方式優(yōu)于固定HRT而逐漸增大進(jìn)水基質(zhì)濃度的啟動(dòng)方式。另外，ABR對(duì)水力負(fù)荷沖擊響應(yīng)迅速但恢復(fù)卻快于濃度負(fù)荷沖擊。在高水力負(fù)荷條件下，反應(yīng)器內(nèi)的短流現(xiàn)象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey[6]研究了以葡萄糖為基質(zhì)的ABR在穩(wěn)定狀態(tài)和沖擊負(fù)荷情況下的運(yùn)行特性，系統(tǒng)分析了酸化過程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產(chǎn)物在不同運(yùn)行狀態(tài)下沿流程的分布積累狀況。與其它反應(yīng)器在沖擊負(fù)荷條件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的電子受體。此外，無論是在水力或是在濃度負(fù)荷沖擊下，ABR均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能，因此有可能適用于工業(yè)廢水處理。S.Nachaiyasit[7]研究了低溫對(duì)ABR性能的影響，結(jié)果表明在中等負(fù)荷條件下，反應(yīng)器溫度由35℃降至25℃對(duì)COD去除率無明顯影響，當(dāng)溫度進(jìn)一步降至15℃時(shí)，反應(yīng)器的效率明顯下降，主要原因是低溫降低了細(xì)菌的代謝速率，使VFAs的半飽和降解常數(shù)Ks增大，同時(shí)可溶性細(xì)胞代謝產(chǎn)物增加。此外沼氣產(chǎn)量減少也降低了基質(zhì)與微生物的接觸效率，但通過合理調(diào)整工藝設(shè)計(jì)，可明顯減小低溫對(duì)厭氧過程的負(fù)作用。T.Setiadi等人研究了出水回流對(duì)反