熱水解(Thermal Hydrolysis Process，THP)是近年來污泥處理領(lǐng)域的熱詞之一，THP作為厭氧消化(Anaerobic Digestion，AD)的預(yù)處理工藝，具有幾個顯著特點(diǎn)，例如可以產(chǎn)生 Class A類污泥、提高后續(xù)厭氧消化工藝處理能力、提高沼氣產(chǎn)量等等。THP工藝的形式有很多種，目前應(yīng)用最廣泛的是CAMBI工藝(圖1)，據(jù)2016年底數(shù)據(jù)報道，CAMBI工藝在全球有60個應(yīng)用案例。
圖1 Simplified Process Flow Diagram for Cambi THP
但是，THP工藝本身仍然具有一些缺陷，例如THP需要高溫、高壓的環(huán)境，必然導(dǎo)致其耗能較高。目前學(xué)術(shù)界對THP工藝的研究主要集中在兩個領(lǐng)域：提高沼氣產(chǎn)量、降低THP能耗。
為改進(jìn)THP工藝，泰晤士水務(wù)有限公司(Thames Water Utilities Limited)、英國薩里大學(xué)(Surrey University)和CAMBI公司共同研發(fā)了“嵌入式熱水解工藝(Intermediate Thermal Hydrolysis Process，ITHP)”，并在英國貝辛斯托克污水處理廠(Basingstoke STP)開展了中試試驗(yàn)。ITHP的工藝路線是初級AD+THP+二級AD(所以稱為嵌入式熱水解工藝)。
本研究將從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的雙重角度對四種工藝進(jìn)行對比與剖析：ITHP工藝、只針對剩余活性污泥應(yīng)用THP工藝(SAS only THP)、傳統(tǒng)THP +AD、傳統(tǒng)AD工藝。
中試裝置的搭建
ITHP中試裝置搭建于貝辛斯托克污水處理廠污泥與能源研發(fā)中心(圖2)，工藝路線如圖3。T1和T2分別接受不同來源的初沉污泥和剩余污泥，在T3進(jìn)行混合，T4是初級中溫厭氧消化罐，T6是緩沖罐，T6接收初級厭氧消化處理之后的污泥，經(jīng)T6緩沖之后進(jìn)行帶式脫水，再進(jìn)入料斗加水稀釋，之后進(jìn)入T9(THP罐)，T10為釋壓罐，T11為儲泥罐，經(jīng)過熱水解之后的污泥在T11里加水稀釋，之后進(jìn)入二級厭氧消化罐T5。T4和T5產(chǎn)生的沼氣由同一個沼氣收集罐進(jìn)行收集，沼氣收集罐采用浮頂罐，以保持罐體內(nèi)部的恒定氣體壓力，如果內(nèi)部壓力過高，多余的沼氣會轉(zhuǎn)送到火炬進(jìn)行燃燒，由氣體流量計來監(jiān)測沼氣的總產(chǎn)量。厭氧消化之后的污泥分別通過Klampress®脫水機(jī)和Bucher®脫水機(jī)進(jìn)行脫水。
圖2 Basingstoke ITHP Sludge and Energy Innovation Centre.
圖3 Plant Layout
采樣與分析
研究人員每周在各個采樣點(diǎn)進(jìn)行三次采樣，具體采樣點(diǎn)與分析項目見表1。兩級厭氧消化產(chǎn)生的沼氣組分由氣相色譜儀進(jìn)行分析，污泥送至泰晤士水務(wù)公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。
四種工藝的技術(shù)與能量流分析
傳統(tǒng)AD工藝
傳統(tǒng)AD工藝的消化溫度為37℃，水力停留時間為20~30天，揮發(fā)性固體去除率大約為40%，沼氣產(chǎn)生量為350m3/TDS，脫水后污泥含固率為20%，之后可外運(yùn)至農(nóng)田利用。圖4為傳統(tǒng)AD工藝能量流桑基圖。
圖4 Energy Flows for Conventional AD with CHP and Land Recycling (1 kgDS/hour).
傳統(tǒng)THP+AD工藝
傳統(tǒng)THP+AD工藝的沼氣產(chǎn)量約為450 m3/TDS，揮發(fā)性固體去除率大約為60%，經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)，產(chǎn)生的熱量回用于熱水解。消化后的污泥經(jīng)過帶式壓濾機(jī)脫水，污泥含固率可進(jìn)一步提升至32%。圖5是傳統(tǒng)THP+AD工藝的路線圖。
圖5 Simplified Process Flow Diagram for Conventional THP
傳統(tǒng)THP工藝需要大約12bar的壓力，工藝能耗大約為0.51~0.53MWh/TDS，但缺點(diǎn)是熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的熱量不足以滿足THP工藝對熱源的需求。圖6是傳統(tǒng)THP+AD工藝的能量流桑基圖。
圖6 Energy Flows for Option A (THP AD with CHP and Land Recycling (1 kgDS/hour)) electricity input is not shown.
SAS-only-THP
SAS-only-THP工藝是只對剩余活性污泥進(jìn)行熱水解，初沉污泥濃縮后直接送入?yún)捬跸?。該工藝?yōu)點(diǎn)是熱水解罐體積較小，所需蒸汽較少，但同時，厭氧消化的效果必然打折。除此之外，為確保殺滅病原體所需的停留時間，厭氧消化罐的結(jié)構(gòu)會略微復(fù)雜，甚至需要在厭氧消化罐之后設(shè)置一系列小型消化罐，確保實(shí)現(xiàn)對污泥的滅菌效果。圖7為該工藝的路線圖。
圖7 Simplified Process Flow Diagram for SAS only THP.
該工藝的產(chǎn)氣量大約為421m3/TDS，可揮發(fā)性固體去除率約為54%。污泥經(jīng)帶式脫水之后的含固率可達(dá)28%。能量流?；鶊D見圖8。
圖8 Energy Flows for SAS-only THP AD and Land Recycling (1 kgDS/hour) electricity input is not shown.
初級AD+ITHP+二級AD工藝
因?yàn)槲勰嘟?jīng)過初級消化后體量減小，所以該工藝占地只有常規(guī)工藝的2/3，并且由于是兩級厭氧消化，因而沼氣產(chǎn)量更大，沼氣總產(chǎn)量可達(dá)500m3/TDS，可揮發(fā)性固體去除率可達(dá)65%，電能產(chǎn)率為1200kWh/TDS。產(chǎn)能增加意味著通過熱電聯(lián)產(chǎn)工藝產(chǎn)生的熱能將有可能滿足熱水解工藝本身的熱量需求。圖9為ITHP工藝路線圖，圖10為能量流?；鶊D。
圖9 Simplified Process Flow Diagram for ITHP.
圖10 Energy Flows for I-THP AD and Land Recycling (1 kgDS/hour) electricity input is not shown.
采用CapEX模型和OpEx模型，對ITHP工藝的資本性輸出和運(yùn)營成本進(jìn)行分析比對。ITHP+兩級AD、傳統(tǒng)THP+AD、SAS-only-THP都優(yōu)于傳統(tǒng)AD工藝。相較于傳統(tǒng)AD工藝，ITHP+兩級AD工藝的沼氣產(chǎn)量增加10%，凈收益可達(dá)17%。
ITHP工藝的投資回收期最短，只需不到6年。傳統(tǒng)THP工藝和SAS-only-THP工藝的內(nèi)部收益率相同，但由于SAS-only-THP的工藝成本略低，所以其凈現(xiàn)值相對優(yōu)于傳統(tǒng)THP工藝。如果厭氧消化的能力充裕，SAS-only-THP和ITHP工藝的資金回報還能進(jìn)一步提高。
總結(jié)
熱水解是目前應(yīng)用最廣泛的厭氧消化預(yù)處理工藝，但由于高耗能等限制因素，導(dǎo)致其并沒有被普遍接受。改進(jìn)型熱水解工藝是目前研究的熱點(diǎn)之一。本研究中提到的嵌入式熱水解工藝(ITHP)、只針對剩余活性污泥進(jìn)行熱水解的工藝(SAS-only-THP)等都屬于改進(jìn)型熱水解工藝。ITHP工藝和SAS-only-THP工藝是通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和工藝路線的重置對傳統(tǒng)THP工藝進(jìn)行的改良與優(yōu)化。
ITHP工藝可以顯著提高沼氣產(chǎn)量、降低能耗，但由于ITHP工藝需要嵌入在兩級厭氧消化工藝之間，所以其投資成本相對略大。貝辛斯托克污水處理廠的研究表明，ITHP+兩級厭氧消化工藝的沼氣總產(chǎn)量大約為505+ -81 m3/TDS，可揮發(fā)性有機(jī)物去除率為64+ -9%。經(jīng)過Bucher®脫水之后，污泥含固率可達(dá)44%，都顯著高于傳統(tǒng)THP工藝+厭氧消化工藝。泰晤士水務(wù)集團(tuán)目前擁有9座THP工藝的污泥處理中心，未來有可能逐漸被ITHP工藝接替。
SAS-only-THP工藝的投資成本低于傳統(tǒng)THP和ITHP工藝，但沼氣產(chǎn)量也有所降低。如果由于現(xiàn)有設(shè)施厭氧消化能力或者資金方面存在限制，SAS-only-THP工藝也是一個相對合適的工藝選擇。
來源:中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究 作者:張婧怡
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