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大型中温污泥厌氧消化系统的运行分析

2017-06-16 14:59:24来源:中国给水排水浏览:评论:0

  对某大型中温污泥厌氧消化系统的长期运行数据进行了分析,结果表明:依据系统的碱度和挥发性脂肪酸浓度,该系统处于稳定运行的水平。污泥停留时间、进泥泥质、挥发性固体(VS)负荷均对厌氧消化系统效能产生较大的影响,其中污泥停留时间主要影响系统的体积气体产率,进泥泥质主要影响对VS的去除率,而VS负荷影响厌氧消化效能的各个方面。因此VS负荷是调控厌氧消化系统效能最重要的参数。由于系统的VS负荷低,使得该厌氧消化系统的运行效能不佳。通过提高VS负荷,将有助于大幅改善该厌氧消化系统的综合效能。

  厌氧消化由于能同时减少污泥体积、消除恶臭、杀死病原菌与寄生虫卵和回收甲烷,目前已成为国际上广泛应用的一种污泥处理技术。在欧盟,高达69%的污水处理厂建有厌氧消化设施。我国环境保护部2010年2月发布的《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》也将厌氧消化作为污泥处理的最佳可行技术之一。然而我国厌氧消化系统的建设及运行情况不佳。吴静等于2008年对我国400余座城市污水厂污泥处理工艺的调查表明,采用厌氧消化工艺的仅有46座,其中仅25座正常运行,另有6座在调试,15座虽建成但未运行或停运。而刘京等于2012年对我国北方地区108座大型污水处理厂污泥处理工艺的调研结果显示,仅有27座采用厌氧消化工艺,其中具有代表性的9座污水厂中仅有3座正常运行。厌氧消化工艺运行经验的缺乏是系统未运行或停运的主要原因。总结污泥厌氧消化系统的成功运行经验可以为新建、在建及已建但未运行的污泥厌氧消化系统提供参考,而提高系统的消化气产量可以在一定程度上降低其运行成本。

  基于此,对某实际运行的中温污泥厌氧消化系统进行了全面分析,研究了实际可控的参数对消化气产量的影响,以期为污泥厌氧消化系统的运行管理和提高消化气产量提供借鉴和指导。

  1 方法

  1.1 研究对象

  以北京市某污水处理厂的污泥厌氧消化系统为研究对象,其采用35℃中温一级厌氧消化工艺,上部进泥、下部排泥,进泥量约为1500 m3/d,进泥含水率约为97%,日产消化气约18000 m3。

  1.2 数据来源及其分析方法

  选取该污泥厌氧消化系统2009年—2013年的运行监测数据进行分析,包括碱度(ALK)、挥发性脂肪酸(VFA)、总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、消化气产量及甲烷含量等。其中,ALK采用滴定法测定,VFA采用气相色谱法测定,TS和VS采用重量法测定,消化气产量采用热式流量计计量,甲烷含量采用气相色谱分析。

  1.3 数据分析方法

  为了确定污泥停留时间、进泥泥质、挥发性固体负荷对厌氧消化系统效能的影响程度,采用SPSS软件对各影响因素与系统的VS去除率、体积气体产率、降解单位VS气体产率、单位VS气体产率进行了相关性分析。用显着水平和相关系数来判断各变量之间的相关程度。

  2 结果和讨论

  2.1 厌氧消化系统稳定性分析

  VFA和ALK是反映厌氧消化系统稳定性的主要参数,其中VFA是十分可靠的系统稳定性监控参数和工艺不稳定的早期指示参数;ALK则作为长期监测参数,可用于评价系统的缓冲能力,而VFA/ALK值可用于判断厌氧消化系统是否稳定,一般应控制在0.2以下。图1为所调研厌氧消化系统5年来的VFA/ALK值。

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  图1 厌氧消化系统VFA/ALK的值变化

  在运行初期(2009年上半年),系统的VFA/ALK值常高于0.2,表明运行尚不稳定。自2009年下半年以后,系统的VFA/ALK值趋于平稳,偶尔有突然升高的情况,但是基本上均低于0.2,说明自2009年下半年起该厌氧消化系统的运行稳定。

  5年的运行监测数据表明,该厌氧消化系统消化气中甲烷含量为68.6%~69.2%(95%置信度)。由于运行良好的厌氧消化系统的消化气中甲烷含量一般为65%~70%,因此所调研的厌氧消化系统消化气中甲烷含量处于正常范围,这也在一定程度上说明了该厌氧消化系统运行稳定。

  2.2 厌氧消化系统效能分析

  厌氧消化系统效能通常采用VS去除率和消化气产率(体积气体产率、单位VS气体产率和降解单位VS气体产率)来表示,其中VS去除率可反映厌氧消化系统的污泥减量效果,体积气体产率可反映消化池的利用效率,单位VS产率可反映进入消化系统中的有机物利用效率,而降解单位VS气体产率可反映污泥中可降解有机物的消化气转化效率。

  该污泥厌氧消化系统对VS的去除率在48.94%~54.02%(95%置信度)之间,平均为51.50%。通常污泥厌氧消化工艺对VS的去除率在40%~70%之间,因此该污泥厌氧消化系统的VS去除率在正常范围。该污泥厌氧消化系统的体积气体产率为0.27~0.29m3/(m3˙d)(95%置信度),平均为0.28m3/(m3˙d),这个值低于市政污泥厌氧平均体积气体产率即0.64m3/(m3˙d)。这可能是因为污泥停留时间长或进泥中的有机物含量少造成的。该污泥厌氧消化系统降解单位VS的气体产率为1.18~1.55 m3/kgVS(95%置信度),平均为1.37m3/kgVS,这个值高于美国水污染控制联合会的统计值(0.75~1.12m3/kgVS)和Speece等的调查值(0.94 m3/kgVS)。另外,该厌氧消化系统的单位VS气体产率为0.62~0.85 m3/kgVS(平均为0.74 m3/kgVS),这个值也高于0.37~0.50 m3/kgVS的文献报道值。降解单位VS气体产率和单位VS气体产率较高说明有机物向消化气转化的效率高,即有机物的利用率高。综合而言,该厌氧消化系统的污泥减量效果好,有机物转化率高,但消化池的利用率低。

  2.3 厌氧消化系统效能的影响因素分析

  厌氧消化系统效能的影响因素有很多,包含温度、氧化还原电位、污泥停留时间、污泥负荷、营养物质、有毒物质等,笔者主要针对运行参数对效能的影响展开研究。所调研的厌氧消化系统部分运行参数如表1所示。

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  表1 污泥厌氧消化系统的部分运行参数

  为了更全面地了解污泥停留时间、进泥泥质及VS负荷对厌氧消化系统效能的影响及其程度,利用SPSS软件进行皮尔逊相关性分析,结果如表2所示。

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  表2 各参数相关性分析结果

  2.3.1 污泥停留时间

  厌氧消化系统中厌氧微生物的生长与污泥停留时间有关。该厌氧消化系统污泥停留时间为28~32d(95%置信度),平均为30 d,这明显长于文献资料的推荐值。

  由表2可知,污泥停留时间与体积气体产率呈显着的负相关性,而与单位VS气体产率呈显着的正相关性。数据分析发现,当污泥停留时间从28d升至32d时,体积气体产率从0.31m3/(m3˙d)降至0.26m3/(m3˙d),单位VS气体产率从0.66 m3/kgVS升至1.21 m3/kgVS。此外,污泥停留时间与VS去除率不存在明显的相关性。

  2.3.2 进泥泥质

  运行数据表明该污泥厌氧消化系统的VS/TS值为0.60,低于文献值。该系统进泥含固率为3.90%~4.28%(平均值为4.09%),属于传统污泥厌氧消化技术所采用的含固率(4%~8%)。从表2可知,进泥泥质与VS去除率呈现显着的正相关性,与降解单位VS气体产率、单位VS气体产率呈现显着的负相关性。对比该厌氧消化系统的效能也可以发现,当进泥VS/TS值增加时,VS去除率也增加。当总固体浓度为3.7%~4.2%,挥发性固体浓度从2.0%增长到2.7%时,VS去除率从27.18%增加到48.69%。

  2.3.3 挥发性固体负荷

  该厌氧消化系统的挥发性固体负荷低于高效厌氧消化系统的典型值即1.6~4.8kg/(m3˙d)。这可能是由于长污泥停留时间、低VS/TS值和低含固率所致。由表2可知,VS负荷与VS去除率、体积气体产率呈现显着的正相关性,与降解单位VS气体产率、单位VS气体产率呈现显着的负相关性。同样对比效能数据可以发现,该厌氧消化系统的VS去除率和体积气体产率随挥发性固体负荷的增加而增大,当挥发性固体负荷率从0.4kg/(m3˙d)升高到1.6kg/(m3˙d)时,挥发性固体去除率从13%提高到72%,而体积气体产率从0.24 m3/(m3˙d)升高到0.32 m3/(m3˙d)。这可能是由于挥发性固体负荷高时厌氧消化系统的容积能得到有效利用。

  通过比较相关性系数和显着水平,可以发现污泥停留时间与体积气体产率的相关程度以及进泥泥质与VS去除率的相关程度高于其与其他效能的相关程度,而VS负荷与各效能参数均存在显着的相关性。由此可知,污泥停留时间主要影响体积气体产率,进泥泥质主要影响VS去除率,而VS负荷影响厌氧消化效能的各个方面。因此控制系统的VS负荷,可以综合调控厌氧消化系统的效能。提高系统VS负荷的方法有增加进泥量、增强污泥的浓缩效果和混入高有机物含量的固体如餐厨垃圾。相对而言,对污泥进行浓缩更为简单易行。

  3 结论和建议

  ① 该厌氧消化系统对VS的去除率为48.94%~54.02%、体积气体产率为0.27~0.29 m3/(m3˙d)、挥发性固体负荷率为0.74~0.85 kg/(m3˙d),相对偏低;污泥停留时间为28~32 d,相对较长;降解单位VS气体产率为1.18~1.55 m3/kgVS,单位VS产气率为0.62~0.85 m3/kgVS,相对较高;消化气中甲烷的含量为68.6%~69.2%,消化气的可燃性好。

  ② 污泥停留时间主要影响厌氧消化系统的体积气体产率,进泥泥质主要影响厌氧消化系统的VS去除率,而VS负荷影响厌氧消化效能的各个方面。因此控制系统的VS负荷,可以综合调控厌氧消化系统的效能。

  ③ 对消化进泥进行浓缩,将有效提高厌氧消化系统的VS负荷,从而大大提高系统的综合效能。

 

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