高效复合微生物菌剂强化污泥生物转化的应用设计Word格式.docx
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污泥占用大量土地资源,含有某些重金属和难降解的有机物,如木质素等,若不经过适当的处置而直接排放,会对居民生活和土地环境造成严重的生态污染。
因此,我们要努力开发经济实用且高效合理的污泥处置技术,将剩余污泥转变为可重复利用的能源或其他资源。
污泥的处置方法有卫生填埋、焚烧、投入海洋和土地利用等。
污泥的卫生填埋方法占用大片土地,填埋过程产生的气体和渗滤液对环境有很大的影响,所以很难找到适合的填埋场地;
焚烧过程会产生大量的烟气,这些烟气含有氮氧化物、硫化物、重金属、二噁英等污染物,需要对这些污染物进行处理,所以设备费用和能耗较高、操作麻烦;
目前,世界各国都不允许将污泥投入到海洋,以免污泥中的重金属和病毒对海洋生态系统和食物链造成严重的危害;
污泥土地利用为植物提供营养元素,给土壤提供丰富的有机质,从而提高了土壤的肥效,是污泥处置的有效方法。
考虑到我国的实际国情和污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化等的要求,常用的有效方法是利用土地利用法(主要是堆肥化的肥料),将污水厂的脱水污泥运至堆肥厂进行好氧发酵,使污泥中的部分有机物在微生物的作用下转化成稳定的腐殖质从而达到稳定化的标准,之后将有机肥料施用于农田、果园、森林。
这样的污泥处置方法投资少、运行费低、节约能量,具有潜在的发展空间。
1.1堆肥原理
自然界中有许多细菌、真菌、放线菌和原生动物等微生物,这些微生物具有高效的氧化、分解有机物的能力。
堆肥过程就是利用这种高效的微生物,在一定的温度、湿度和pH的控制条件下,使有机物发生生化反应而转化为稳定的腐殖质。
根据供氧情况的不同,堆肥可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。
好氧堆肥是利用好氧微生物的代谢活动,在供氧的情况下,将污泥中可降解的成分分解为简单的无机物和其他营养物质,并使微生物不断增殖的过程。
好氧堆肥时,堆层温度可以升高至60~70℃,这时污泥中的寄生虫卵和致病菌多数会被杀灭,使垃圾达到无害化。
好氧堆肥过程大致可分为升温阶段、高温阶段和降温腐熟阶段。
厌氧堆肥是在无氧的条件下,借助厌氧菌的作用来分解污泥中的有机物。
厌氧发酵可分为酸性发酵和碱性发酵两个过程,酸性发酵过程主要是在产氢产酸菌的水解和酸化作用下分解有机物产生挥发性脂肪酸、醇类、二氧化碳、氢和能量。
碱性发酵过程即产甲烷阶段中,产甲烷菌分解第一过程的有机酸等产物,生成甲烷和二氧化碳,pH也随之上升。
厌氧堆肥过程操作简便、能耗低、投资少,但是要求严格的厌氧环境,所以运行管理较麻烦,而且厌氧分解过程产生许多臭气,影响环境。
1.2堆肥影响因素
1.2.1含水率
微生物要维持其生命代谢活动就必须吸收水分,适当的水分是提高堆肥发酵速率和腐熟程度的关键因素。
研究表明,当原料含水率为50%~60%时,微生物的分解效果最好。
水分过多,则不利于通风,堆温难以升高,分解速率慢;
水分过少,微生物的生长受到抑制,有机物的分解速率也因此下降。
1.2.2温度
堆肥过程中堆体的温度会上升,其主要原因是,微生物在分解有机物的过程中会释放能量。
一般认为,较高的温度更有利于有机物的分解,所以高温菌的分解速率高于中低温菌的分解速率。
但是过高的温度会抑制微生物细胞内酶的活性,抑制微生物的正常生命活动,所以应适当地控制堆料的温度。
实践证明,堆肥温度控制在55~65℃时,可获得较理想的堆肥成品。
1.2.3供氧量
通风可以调节堆体的温度,防止发酵后期温度过高,也可以带走大量的水分,起到干化的作用。
堆肥时必须供应充分的空气来保证微生物的分解速率、物料的含水率和肥料的粒度。
除了提供充分的氧气外,还要保证氧气能够均匀地分布在堆肥物料的各个部分,从而避免槽内部分堆料因缺氧而进行厌氧发酵。
1.2.4C/N
碳是微生物的能量来源。
在新陈代谢的过程中,碳被微生物分解生成CO2,另一些碳则被转化为细胞内原生质和堆肥贮存物。
氮是微生物的营养来源,主要影响微生物的合成和反应速率。
C/N影响微生物的生长繁殖,其比值过高,则氮元素不足,微生物繁殖收到抑制,堆肥时应该添加含氮垃圾等物质;
其比值过低时,氮素相对过程,多余的氮会转化成氨气而逸散影响环境,这时应添加草叶木、烂菜等碳含量丰富的物质。
研究表明,原料C/N在(25~35):
1之间时,能够保证微生物具有快速而高效的分解速率。
1.2.5pH
微生物一般在中性或是弱碱性的环境下生存,pH过高或过低都影响堆肥的进程和肥料的腐熟度。
堆肥初期,由于有机酸的形成,pH值会下降,但是后期随着酸性物质的分解过程,pH值会上升。
堆肥过程中,堆体对pH的变化有一定的缓冲作用,使微生物在稳定的酸碱度下进行代谢。
通常,堆肥发酵结束时,pH值在7.5~8.5之间。
1.3堆肥流程
调理剂
污泥堆肥产品
接种菌剂
图1污泥堆肥的一般流程
1.3.1前处理
一般污泥的脱水泥饼必须调整其含水率、pH值及粒度等,以便增大原料的表面积,增加堆肥过程中的透气性,提高发酵速度。
这个过程需要添加一定的调理剂和膨胀剂,常用的调理剂有木屑、稻壳、树叶等;
常用的膨胀剂有花生壳、小块岩石等物质。
1.3.2主发酵
主发酵过程一般是露天或是在发酵仓内进行,采用静态或是动态发酵。
在微生物的作用下,堆体中易分解的物质开始分解,产生大量的能量,堆体温度逐渐升高,最高可达65~75℃,并且持续一段时间。
在此高温下,某些病原菌、虫卵和草籽会被杀死。
主发酵过程中,微生物分解脂肪、蛋白质、碳水化合物等易降解的营养成分来合成新细胞,同时转化这些物质变成腐殖质和有机酸等相对稳定的物质。
之后,堆体温度将进入降温阶段,通常将温度升高到开始降低的阶段称为主发酵期,该过程一般为4~12d。
1.3.3后发酵
后发酵也叫二次发酵,其目的是进一步熟化堆肥。
经过主发酵的物料被送至后发酵反应器内,在主发酵过程中尚未被分解的难降解有机物如纤维素、木质素等被进一步的分解,变成稳定的腐殖质、氨基酸等物质,从而得到完全熟化的堆肥产品。
若这些难降解的有机物残留在堆料中,当堆肥施于农田时,由于这些物质分解产生氨气而危害植物生长状况。
后发酵可以敞开式发酵或是在封闭的反应器内进行。
通常采用条堆或静态堆肥的方式。
后发酵反应速率较慢,发酵时间长且发酵时间的长短因辅料的种类而异。
比如,稻草发酵周期是一个月,而含木质素较多的木屑,则需三个月左右才能完成。
考虑到经济效益等的问题,通常将经主发酵的堆料在地上堆成1~2m高度,靠自然通风或是翻堆供给氧气,且每周翻堆一次。
后发酵时间一般在20~30d左右,不进行后发酵的堆肥不适合于做肥料。
1.3.4后处理
堆肥用于出售时必须经过筛分操作,经过分选工序,去除前处理中未完全除掉的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物来调整粒度或是成分,并根据需要可以再进行破碎。
可以用回转式振动筛、磁选机、风选机等设备进行筛分操作,将堆料分成粒度不同的几种产品。
除杂后的堆肥除了销售外,还可以供农田和果园使用或是用作土壤改良剂。
后处理除了分选、破碎外还有打包装袋。
1.3.5脱臭
堆肥发酵过程中有臭气产生,如氨气、硫化氢、胺类物质,因此必须进行脱臭处理。
去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭、植物提取液除臭法、臭氧氧化法、生物滤池法常用脱臭方法比较见下表。
表1常用脱臭方法
除臭方法
生物滤池法
臭氧除臭法
植物提取液除臭法
控
制
内
容
可对整个系统进行全自动控制,通过调节风阀的开启度调节进风量,达到最优的处理效果。
经过调试后,风阀的开启度可永久保持,不需要在进行调节
可对整个系统进行全自动控制,通过调节臭氧发生量,来平衡处理效果和运行费用之间的关系。
但随着臭氧发生机芯的使用,要适时调整发生量
可对整个系统进行全自动控制,但对于特定的喷嘴,只有一个最佳状态(对应于一个特定的空压机压力),否则处理效果就不佳
占地面积
一般
较小
效果
达到二级排放标准
高浓度不能达标
敞开,尾气不能达标
运行费用
较少
中等
较大
1.3.6贮存
堆肥一般在春秋两季使用,在夏冬必须保存,所以堆肥厂应设置产品的贮藏空间。
堆料可以直接堆存在发酵池中或是袋装后堆存,但要求干燥通气,一旦密闭或是受潮都会影响堆肥的质量。
1.4堆肥工艺
堆肥工艺有许多种分类方式。
按供氧与否可分为好氧堆肥工艺和厌氧堆肥工艺;
根据物料的状态可分为静态和动态;
根据堆肥系统的不同可分为条垛式、筒仓式堆肥和发酵槽系统。
选择工艺时,既要考虑堆肥效果和操作方式,还要考虑对环境的影响、投资成本、自动化程度等多种因素。
A.条垛式堆肥
混合物以细长的垛状堆积,具有较大的表面积和体积比,堆料一般堆成高2m左右,宽2.5m左右。
条垛式堆肥工艺可分为静态堆肥和动态堆肥两类。
静态堆肥通过强制通风来保证堆肥过程所需的空气,通常称为强制通风静态垛堆肥工艺。
这种工艺堆体表面覆盖约20~30cm的腐熟堆肥,降低臭味的扩散量且维持堆体的温度,整个堆肥周期约为3~4周。
动态堆肥典型工艺是用装载机等机械设备将物料堆积成三棱锥体形状。
发酵之前,需先将调理剂、膨胀剂等混入污泥或垃圾中混合,保证堆料有适宜的碳氮比和含水率,来维持微生物的生命活动。
堆肥过程中堆体温度可高达70℃。
为避免堆料中的微生物因缺氧而进行无氧呼吸,需用翻堆机械对堆体进行间歇性翻抛,保证堆体内的氧气含量,翻堆频率约为每周两次。
翻堆的过程只是将堆肥物料向后甩,翻堆结束后,整个堆体向后移动几米。
整个堆肥过程大约需要2~3周。
条垛式堆肥一般是露天操作,所以占地面积较大,需要大量的人力和物力,而且堆肥周期比较长,需要保证提供充足的空气。
条垛式堆肥发酵受气候影响较大,翻堆过程中散发出的臭味影响居民生活,虽然可以通过大棚覆盖的措施解决这个缺点,但是设备投资也会跟着增多。
B.筒仓式堆肥
这种工艺发酵仓深度较大,一般是4~5m,通常由钢筋混凝土建成。
物料从仓顶加入,在螺旋机的推动作用下,向仓底输送出料,堆肥期间用风机强制通风供给氧气。
堆肥周期一般为2周左右。
筒仓式堆肥工艺具有处理量大、排气处理较易、占地面积小等优点,但是由于堆积高度较深,堆肥移动和翻转速度缓慢,所以容易发生压密现象。
C.发酵槽系统
发酵槽是目前采用较多的堆肥工艺。
这种系统主要用于一次发酵,即物料进入发酵槽后一次性完成主发酵和后发酵后出料,所以操作方便,也缩短了发酵周期。
该系统主要包括发酵槽、通风系统、搅拌装置等设备。
根据发酵槽的形式,可将其分为:
阳光棚发酵槽和隧道式发酵仓两类。
(1)阳光棚发酵槽
这种槽能够充分地利用了太阳光,加上棚的保温作用能够维持槽内的高度,即使低温的冬季也能进行发酵。
(2)隧道式发酵仓
这种发酵装置是封闭的,所以尽可能减少了堆肥产生的臭气对居民和环境的影响。
堆肥周期一般是2周左右,堆温可以升至60~70℃。
与前两种堆肥方法相比,这种系统有明显的优势。
首先,发酵槽在室内运行,避免了臭味散逸引起的环境危害,而且不会受气候条件的影响。
其次,设备占地面积小,操作方便,节约投资。
1.5工艺的选择
终上所述,相对条垛式和强制通风静态垛工艺而言,发酵槽系统工艺占地面积小,运行管理方便,对环境影响较小,堆肥效果也好。
所以选择鼓风机和翻抛机供氧与发酵槽式结合的好氧堆肥工艺。
2设计说明书
2.1堆肥厂设计规模
堆肥厂处理量按最高日最高时堆肥量设计,污泥量为300t/d,污泥是来自污水处理厂含水率为80%的脱水污泥。
2.2出厂肥料性质
将脱水污泥堆肥发酵后,满足减量化、无害化、稳定化、资源化的要求,成品含水率降至30%左右,C/N约为15:
1。
2.3物料的几种参数
污泥与稻壳、回流堆肥等调理剂混合后含水率约为55%、C/N为25:
1、pH值调至7.5~8.5。
物料的各种参数设计见表2。
剩余污泥
稻壳
回流堆肥
混合后的物料
C/N
6
80
15
25
含水率W(%)
8
30
55
密度ρ(kg/m3)
750
100
480
333
体积V(m3/d)
400
1000
291.7
1621.6216
质量m(t/d)
300
140
540
表2物料的各种参数
图2本工艺采用的流程
2.4流程说明
2.4.1污泥的收集、存放和输送
污泥是污水处理厂脱水后的剩余污泥,其含水率为约为80%。
污泥收集车定期地将污泥从污水厂运至堆肥厂的贮泥斗,贮泥斗的斗壁与水平面的倾角要大于60°
,其容积根据污泥在斗内最大停留时间和污泥浓度设计其尺寸。
1收集
收集车容积≥2m3,数量3台,3辆车一起工作,每个小时平均运载污泥37.5t(约50m3),每天工作8h,完成300t污泥的运送工作。
2存放
贮泥斗设置2个,要满足存放一定的污泥量,容器形状上方设置为长方体,长宽高分别为10m、6m、2m;
下方容器为梯形棱锥,其高度为2m,底部长宽为8m、4m,则贮泥斗容积约为421.09m3。
3输送
2辆输送车将污泥运至混料间。
车斗有效容积为16m3,每小时至少运输20m3。
2.4.2稻壳存放间
稻壳经过破碎剪切处理后存放在稻壳间供备用,一般原料储存量要满足
7~15d的使用量。
干物料应避雨存放,保正较低的含水率。
稻壳与污泥按重量比约1:
3混合,每天添加1000m3,稻壳存放间满足10天的存放量,固有效容积设计为11520m3。
厂房规格设为长60m、宽32m、高6m。
皮带机以100m3/h的速率将稻壳送至搅拌设备的料斗内。
皮带输送机的运行参数
输送量75~120m3/h皮带运动速率0.8~2.5m/s
带宽800mm动力1.5~4KW/h
2.4.3混料间
脱水污泥含水率高、空隙率小、C/N较小,不宜直接进行堆肥发酵。
混合搅拌的目的主要是将污泥与调理剂和膨胀剂按一定的比例搅拌均匀,调整混料的水分和粒径,以提高堆制效果,缩短堆制周期。
如果在堆制发酵前不经过混合搅拌工序,几种不同物料的搭配不均匀,则直接影响堆制效果,尤其是堆制初期的效果,最终会延长堆肥化的生产周期。
混合搅拌设备有立式混合搅拌机和卧式混合搅拌机两类。
立式混合搅拌机搅拌效果差、设备故障率高,所以在物料发酵前的搅拌处理中实际中应用得很少。
卧式混合搅拌机又可以分为单轴和双轴两种。
双轴卧式搅拌机搅拌效果好、产量高,所以应用极为非常广泛。
用皮带机将稻壳和污泥送至混料间,与回流堆肥混合调节堆料的空隙率、C/N、C/P等,将含水率调至55%左右,C/N约为25:
污泥、稻壳和回流成品按体积比约1:
2.5:
0.75混合。
污泥和调理剂充分混合时要确保物料的均一性和通气性,因此一般采用机械搅拌设备。
双轴卧式搅拌机的搅拌过程不仅发生在径向上,还发生在轴线方向上。
因此可以充分利用搅拌空间,使得物料和污泥在搅拌叶片的作用下,在最短的时间内达到最均匀的搅拌模式,取得最佳的拌和效果。
污物料混合时,接种微生物菌剂。
菌剂的添加形式有添加液体菌剂和添加固态状菌剂。
固态形菌剂添加操作方便,而且节省菌剂的添加量。
复合微生物菌种能够在发酵过程中发挥联合作用,加速降解一些难分解的有机物,提高种子发芽指数,促进发酵过程,有利于堆肥的进行,提高成品的肥效。
堆肥接种剂添加比例不得少于污泥质量的千分之一(干基,以重量计)。
2.4.4发酵间
三种物料混匀后用装载机送入发酵槽内,物料在发酵间内堆放均匀。
经过21天的发酵,物料含水率降至30%左右。
发酵槽设置成矩形,每个槽每天发酵100t污泥(约180t混合物料),一天占用3个发酵槽,发酵周期设为21d,1个发酵槽用于周转,所以每天处理300t污泥总共需要66个发酵槽。
发酵槽的侧壁为0.3m宽,翻堆机能够在槽上来回行走。
每排发酵槽的一端上方设置导轨,翻堆机翻抛完一个槽后沿着导轨移到另一个槽,这样会减少槽与槽之间移动所耗费的时间。
翻堆机具有翻拌、蓬松、移堆等作用,机械搅拌后物料变得均匀,其内部水分和热量也会挥发出去。
发酵开始至物料的温度升高到50~60℃时,控制通风量从而使物料维持在该温度范围内。
发酵后期产生大量的水分,固鼓风机通风量为需风量的5~6倍,既要保证提供充分地空气,还要带走产生的水气,降低物料的温度。
槽底部安装布气管供通风使用,布气管上钻有小孔,而且管道上方铺盖一些碎石,使鼓风机供给的空气均匀地分配到堆料的各部分。
每个槽下部安装两个管道连接高压风机,通风管道的直径为150mm。
管道上钻有410个小孔供应氧气,接近风机处的管道上方小孔较疏,远离风机的管道处小孔较密。
实验表明,通风量为0.2m3/(min﹒m3)时,微生物分解速度较快,堆体升温迅速,发酵周期短。
每个发酵槽每隔一天翻堆一次,2台翻堆机每天翻抛33个发酵槽,每台翻堆机一天的工作时间约为7h左右。
每个发酵槽运行参数
长度60m宽度5m
高度2m(0.2m超高)发酵周期21d
数量66个
风机运行参数
数量66套每台风压约540~646Pa
每套风量约530~630m3/h(每个槽)每套功率11KW
翻堆机运行参数
槽式翻堆机2辆行走速度3m/min
翻堆高度1.8m工作幅宽5m
翻堆周期2天1次
2.4.5生物滤池
本工艺采用生物滤池除臭方法,滤池内滋长的微生物吸附和分解堆肥过程中产生的氨气、硫化氢、醇类等气体。
滤池的填料采用成品堆肥和木屑、树皮等富含微生物的混合物,固成本和运行费用较低、操作管理简单、尾气处理效果好。
生物滤池的表面负荷为52m3/(m2﹒min),填料高度为1.8m。
生物滤池的优点:
A.不需要高成本的化学药剂。
B.活性介质的阻力损失小,减少能耗,降低运行费用。
C.采用自然地生物降解方法,将污染物分解成CO2和H2O。
D.VOC去除效率高,对H2S的去除率可超过99%。
E.独特的设计可使设备使用寿命长达20年。
滤池运行参数
表面负荷52m3/(m2﹒min)滤料高度1.8m
处理量42811.56m3/min滤池高度2.5m
体积1035m3/座
2.4.6筛分
筛选设备是利用筛子将固体废物中各种组成成分进行分类的机械装置。
常用的筛选设备有固定筛、滚筒筛、振动筛、弛张筛等。
筛分操作可以回收部分调理剂,减少了调理剂的添加量,节省了投资。
一般经过筛分操作后可以得到两种以上粒径的肥料。
本工艺采用滚筒筛分机。
将发酵结束的堆肥物料筛选分离,分成筛上物和筛下物。
筛上物回流至混料间作为调理剂,筛下物经过进一步加工处理后储存起来。
滚筒筛分机特点:
(1)筛分效率高。
不管进入分离筛的物料多粘、多湿、多杂,通过清筛机与筛体的相对运动,不会堵塞筛网,从而提高了设备的筛分效率。
(2)设备噪音低。
物料与旋转筛网所产生的噪音由密封防尘罩隔离,使噪音无法传递到设备外部,从而降低了设备噪音。
(3)使用寿命长。
设备筛网是由若干个圆环状扁钢组成,其截面积远远大于其它分离设备筛网的筛条截面积,故使用寿命得到提高。
(4)检修方便。
在密封罩端部和清筛机机构侧面设有检修快开门口,在设备定期检修时十分便利
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