【化工资讯】污泥水热碳化制取甲烷的方法-水热碳化处理污泥的概述

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污泥水热碳化制取甲烷的方法-水热碳化处理污泥的概述

水热碳化(HTC)是一种很有前途的污泥减少技术,它具有相关的产品增值技术。但是,HTC工艺将产生大量工艺用水。许多研究都集中在HTC工艺水(通常也称为HTC液体)的特性上,关于其利用率和价值的研究很少。根据作者的知识,到目前为止,尚未有关于使用AD方法从污泥中提取HTC工艺水的研究进展的系统综述。本文就HTC工艺水厌氧消化的研究现状进行了深入的讨论,强调了HTC和AD操作参数的重要性,以及它们各自优缺点的可能局限性。此外,HTC的未来研究方向也有展望。

HTC工艺水的特征

HTC工艺水包含高浓度的有机物,例如总有机碳(TOC),化学需氧量(COD)和生物需氧量(BOD5) )浓度高,土壤养分相对丰富(N,P,K)。下表总结了有关污泥和生物质HTC工艺水的文献的主要发现。

通常,HTC工艺用水的化学成分受原材料的性质,HTC反应器的原材料负荷以及HTC工艺条件的影响很大。就原料负荷而言,脱水/干燥系统可以显着增加原料中的总固体含量。 HTC工艺条件显着影响HTC工艺水的碳含量。

从污泥中提取的HTC工艺水的特征在于其养分含量高于其他生物质HTC工艺水。据报道,随着HTC温度的升高,可溶性磷和氮的总浓度增加,而活性磷的浓度降低,这可能是由于沉淀反应所致。在HTC过程中,磷趋于以固相形式沉淀,这种趋势取决于碳化温度。

由于存在VFA,HTC工艺水通常具有弱酸性pH。但是,pH值主要取决于HTC的加工原料和工作温度。通常,来自初级和废活性污泥的HTC工艺水的pH值低于6。处理污泥时,HTC处理温度和处理时间越高,处理后的水的pH值越低。

HTC工艺水厌氧消化的价值和挑战

HTC工艺水的高有机含量(10-64 g COD / L)可以通过以下方式实现该价值:厌氧消化过程。对于农业残留物,一些生物材料经过HTC处理,然后产生HTC工艺水,用于增加能源价值。研究结果表明,HTC工艺水具有良好的生物降解性。

AD是一种复杂的微生物系统,可以将有机化合物转化为无氧的沼气。沼气主要由甲烷和二氧化碳组成。在该方法中,也可以发生无机化合物的转化,例如*盐可以转化为硫。AD的表现取决于复杂微生物群落的协调活动。如图1所示,AD的基质转化主要包括四个连续的阶段:

根据麦特卡尔和埃迪的研究,AD的工艺受到进料pH值,碱度,温度和有机物的影响。酸含量大。 HTC工艺用水中的乳酸,*和甘油可能会对发酵过程产生负面影响。此外,在用AD处理HTC工艺水时,需要确定重金属,农药,VFA,氨,美拉德化合物和有毒碳氢化合物的含量。

(1)AD抑制剂

pH:pH是控制AD过程的基础,因为它直接影响酶的活性。一般而言,当pH值保持中性时,AD是稳定的。 pH值为5.5?8.0。由于来自污泥的HTC工艺水呈弱酸性,因此已成功应用了AD废水的稀释和循环利用,从而提供了*佳的缓冲和循环养分。

VFA和碱度:HTC工艺水的初始VFA浓度较高(2.0C6.0 g / L),并且随着HTC反应温度和时间的降低/降低而增加。 HTC生产用水中总VFA浓度越高,将液体注入AD后获得的甲烷产量就越高。通常,AD的稳定性指数由总VFA与总碱度之比(TVFA / TA比)表示,TVFA / TA比可解释为酸缓冲比。在稳定的沼气厂中,其值应保持在0.4以下,以防止过度酸化。

游离氯:低浓度的AD过程中的游离氨可作为细菌生长的底物,这有助于系统的缓冲能力,而高浓度(15-30 mg NH3-N / L)引起高pH值,并会抑制厌氧微生物活性。 FA处于离子形式(NH4 + -N)的化学平衡状态,其浓度可以根据pH,温度和总铵氮计算。碱性pH值和高温有利于FA的形成。蛋白质含量较高的消化液中过量的FA会抑制AD。

大量营养物:与其他生物过程相似,*佳的微生物活性和AD效应需要维持一定量的大量和微量营养物。在HTC过程水中,磷的溶解速率随温度升高而降低。因此,在高于220°C的温度下,由于磷的沉淀可能会导致大量营养缺乏。由于HTC工艺用水缺少大量养分,尤其是磷和硫而不是氮,因此运行数周后,AD效率下降。相反,在下一个研究中,Wirth等人。结果表明,AD过程中HTC沂水的N,S和P足够。

重金属:与其他化合物不同,重金属不可生物降解,并且会随着时间的积累而积累,直到达到毒性浓度为止。重金属的毒性与大量酶的失活有关。

有毒的有机化合物:HTC工艺用水可能含有有毒的有机化合物。*酚是一种废水污染物。低浓度具有水生生物的环境风险,并可能影响饮用水的味道和气味。重要的是,由于其毒性,*酚在AD过程中更加顽固。可以推测,在接种微生物后可以对HTC工艺水进行厌氧处理。 AD过程的其他直接抑制剂是抗生素和杀虫剂,它们存在于工业废水,制药废水和市政污泥中。

(2)AD接种物

稳定AD,需要足够的营养。 VFA浓度和发达的可生物降解的酚类以及其他有机微生物污染微生物群落的碱度含量函数。适应的微生物群落可以提高HTC工艺水对抑制性化合物的耐受性。

(3)AD反应堆

研究工作中使用的不同反应堆类型主要是用于HTC工艺水的AD反应堆。 AD反应器有两种主要结构:连续搅拌釜反应器(CSTR)和厌氧滤池(AF)。在整个测试期间,当使用玉米青贮料加工HTC工艺水时,AF更加稳定,因为研究表明,AF消化液中的VFA含量显着降低,pH值稳定。 AF的产气稳定性略低,这可能是由于固定化微生物和污泥的成分所致。 AF已成功应用于处理HTC工艺水和污泥中的HTC冷凝物。考虑到现有文献的不足,仍然无法解释哪种是*佳的AD反应堆结构和相关的运行条件。

(4)AD温度

温度影响生物过程的动力学。从生化的角度来看,通常认为温度会影响反应速率,温度的剧烈波动会抑制微生物的活动,还会影响微生物的产量和饱和度,以及由自由能引起的反应途径和病原体的活动。温度还直接影响组分的物理和化学性质,例如气体溶解度,热膨胀产生的气体量,气体转移速率,水蒸气比,酸碱常数和液体粘度。研究表明,消化温度的升高将对治疗效果产生负面影响。一般来说,*常使用中等温度条件。

(5)AD的有机负载率

OLR是AD过程的关键操作参数:过载会导致VFA的积累,从而抑制产甲烷过程。 OLR也是所选技术的功能参数:诸如AF的高速厌氧消化池,其OLR可以达到20 gCOD /(L·d),而其他反应器,例如CSTR,OLR可以达到10 gCOD /(L? d)。

能源评估

一些研究已将HTC应用于污泥,以评估集成式AD-HTC系统的生物能源生产。通过分析文献可以推断,较低的HTC温度和较短的处理时间将促进HTC工艺水中的沼气生成,而较高的HTC温度和较长的处理时间将促进污泥碳化并增加污泥热值和脱水。

为了将HTC工艺与污泥管理结合起来,必须在沼气和氢化碳的生产,氢化碳的脱水和能源消耗之间找到折衷方案。由于HTC工艺可用于处理初级污泥,活性污泥和厌氧消化液,因此可用于污水处理厂的各种工艺中。

经济评估

本文分析了HTC工艺和AD工艺不同组合的许多项目,例如HTC分离一次或二次污泥产生的氢化碳和HTC工艺中AD的使用对于水处理,提出了一种污水处理方案,以提高污泥处理的经济性。在图2中,比较了传统污泥生产线和新污泥生产线。

基于传统污泥线(图2A),意大利北部污泥的*终处置成本(欧洲污泥的干物质含量通常为20-25%)约为每吨污泥80欧元-100欧元。在图2B中,提出了一条新的污泥处理线:AD后,将消化液脱水至干物质含量约为20%,然后在190°C进行HTC处理1小时。然后将HTC浆料脱水,生成的氢化碳可以达到干物质含量的70%,体积减少3-4倍。整个HTC过程(结合以下脱水步骤)所需的热能和电能分别估计为每吨污泥100千瓦时和15千瓦时。

即使将污泥中的氢化碳视为要处理的废物,HTC处理也可以大大降低污水污泥的管理和处理成本。此外,如果当地立法允许燃烧氢化碳,则可以回收其热能以维持HTC工艺。

本文回顾了AD处理后的HTC工艺水的经济能量分析,这进一步改善了整个过程的经济性:厌氧消化池中工艺水的再利用可以增加甲烷的产量,从而可以进一步维持甲烷的生产。 HTC工艺的热能需求大大降低了其运营成本。

结论

污泥HTC具有巨大的潜力,可以成为污泥管理和各种有价值产品生产的可持续转化过程。但是,污泥HTC产生的液体代表该过程的净输出,在处置之前必须对其进行适当的管理,处理和评估。在这篇综述中,作者分析了将AD用于HTC工艺水的价值,这是一种通过沼气燃烧维持HTC热能需求,同时减少HTC工艺水处理对环境的影响的有前途的方法。 AD过程中的微生物可以在一定程度上适应*酚或其他有毒的有机化合物,但HTC葡萄酒中的微生物群落需要进一步研究。HTC工艺温度,停留时间,初始原料特性,养分浓度,接种和驯化及其缓冲能力是通过AD处理影响HTC工艺水价值的主要因素。营养物质的缺乏,高浓度的有毒化合物以及高OLR的存在都可能导致AD过程的抑制。

为了不仅生产氢化碳,而且还通过AD处理HTC液体,由于以下原因,HTC温度和处理时间不应高于180-200°C且超过15-30分钟较高的温度和较长的处理时间可能导致形成不可生物降解和/或有毒的化合物。此外,人们还必须在处理后的污泥的热效率和固体含量之间找到平衡,因为即使TS含量高于15-25%的污泥也可以使HTC-AD系统达到更好的能量平衡,但是污水中的泥浆浓度过高会导致HTC溶液中的氨浓度过高,从而抑制了AD过程。

为在废水处理厂中全面实施HTC工艺,需要进一步研究HTC工艺水对AD稳定运行的影响,以及新兴污染物的归宿和长期影响。还考虑使用“顽固”的有毒化合物,因为这些化合物可能会在整个系统中积累。

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