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热水解处理污水的研究进展
摘要：热水解已被证明是一种成功的方法，使污泥更易于厌氧消化。目前有75个设施正在运作或计划中，跨越几个大洲，第一次安装于1995年。据报道，热水解的好处涉及:由于流变特性的改变而增加消化负荷速率，改善活性污泥的生物降解和提高脱水能力。尽管该技术相对成熟，但并没有试图对与该技术相关的文献进行批判性的回顾。仔细观察文献就会发现，由于实验设置和能力的差异，以及实验部位的特定条件，比较实验结果和全面结果时存在复杂性。此外，污泥的热力学和流变特性的理解似乎是优化过程的关键，然而这些参数在很大程度上被文献所忽视。本文旨在将这些复杂性联系起来，以阐明热水解在污水处理中的好处，并为进一步的开发和研究提出建议。
关键词：厌氧消化 脱水作用 流变学 污水处理 热水解
1. 介绍
污水污泥的热水解，涉及在厌氧消化之前，在高于高压锅温度的条件下加热一段确定的时间，自1995年HIAS的第一个大规模工厂以来，是一种成熟的商业可用技术。热量通常由在设计温度和伴随压力下的实时蒸汽注入提供，然后迅速释放(爆炸)，尽管有些配置使用标准的热交换。在撰写本文时，有75个设施，其中39个正在运营，其余的处于不同的设计阶段。每年总共有165万公吨的干污泥经过或将经过热水解处理。尽管工厂覆盖了大多数主要大陆，但绝大多数都在欧洲(57个)，其中英国拥有19个运营工厂。安装的驱动因素在地理上受市场驱动，但通常包括:提高装载率(以使新消化厂的规模最小化，或最大限度地利用现有设施);提高污泥饼的脱水能力，降低下游运输和加工成本;增加可再生能源的生产和污泥灭菌。表1和表2列出了报告的优点和缺点。
表1
报道了热水解的优点
优点
显著提高活性污泥的可生化性
提高初级污泥的可生化性
明显更高的负荷率导致较小的消化工厂增加了沼气生产速率
降低污泥粘度
提高污泥在所有脱水系统上的脱水能力
污泥灭菌，提供无病原体的生物固体
减少脱水后的气味和病原体再生
消除浮渣和起泡，并抑制起泡的条件
最大限度地减少硫化氢
显著减少下游干燥和其他热过程的要求
许多场址成功地全面运作
表2
报道了热水解的缺点
缺点
某些配置下的寄生能量需求(取决于过程)
氨浓度高于标准消解
难溶物质的生产潜力，特别是食品废料
潜在的聚合物脱水需求增加
比标准厌氧消化更复杂
要求锅炉
污泥在厌氧消化前需要冷却
需要离心机浓缩至16-18% DS
释放更多的营养物质，可能导致盐结晶和随后的维护问题以及脱水能力的恶化
虽然大部分重点是利用该技术来提高污泥的生物降解性，工艺效率与材料的初始生物降解性成反比，但热水解最初被视为提高污泥脱水性的一种手段。20世纪70年代初，当脱水性能的显著改善与各种污泥的热应用相关时，人们的兴趣开始增加。几年后，应用该技术改善污水污泥的生物降解性的概念被提出。
尽管这项技术已经商业化了20年，并且已经进行了大量实验室规模的实验，但是还没有对现有信息进行系统的审查。虽然文献中有大量有用的信息，但仔细观察发现，很难在实验室和全面的研究中进行交叉参照。在实验室规模，似乎没有一个标准化的设备进行热水解测试，也没有一个标准的协议运行的热水解单位在那个规模。这导致了不一致的发现，如蒸汽爆炸是重要的或无关紧要的;是否需要长反应时间。此外，关于被测试污泥的资料很少，特别是关于流变性、热力学和细菌性质的资料，考虑到它们在控制热水解和下游厌氧消化和脱水过程的有效性方面的重要性，这是令人遗憾的。许多研究基于Owen等人(1979)提出的关键方法，通过BMP测试来生产沼气，但是很少提供关于接种源的数据，例如之前接触过热水解加工饲料材料。如果为预测建模目的而收集动力学数据，这一点就变得尤为重要，因为它可能与成熟的全尺寸系统无关，后者已经根据构型进化出了细菌种群，因此会有不同的反应。在规模上，比较场地的困难是由于场地特定的变量，涉及:污泥类型(污水处理厂的配置；曝气污泥龄；工业负荷)；厌氧消化(配置、停留时间、操作温度、数量、混合类型);热电联产(配置，规模和效率)等。尽管存在这些问题，文献提供了关于基于热水解使用的预期趋势和潜在性能预期的有价值的信息，表3总结了这些信息。
报告的最佳操作条件包括温度在160℃至180℃, 20到40分钟的时间内,尽管研究人员研究的温度范围为60℃至275℃, 10到180分钟。从表3,这很好理解热水解最适合材料含有高浓度的碳水化合物或蛋白质,脂质几乎没有影响,这也解释了为什么它更适合激活,而不是主要的污泥。研究表明，碳水化合物、蛋白质和脂类对热水解的反应与污泥无关，不同污泥对水解的适宜性的差异完全取决于这些物质的组成。然而，由于初级污泥比活性污泥含有更多的脂质，热水解在初级污泥中产生了更高水平的VFAs，作为不饱和脂质的分解产物，这可以解释其作为碳发生器去除营养物质的适用性。
根据文献，对污水污泥进行升温处理会引起一系列反应，如图1所示。
将热水解反应温度提高到最佳温度范围:
提高下游污泥厌氧消化率
降低表观粘度
增加碳水化合物的溶解度
增加蛋白质的溶解度
脂类溶解度的影响
降低平均粒径
增加难溶化合物形成的潜力(COD，氮，)降低下游污泥厌氧消化率
使热水解反应温度超过最佳温度，达到亚临界水范围：
显著增加难溶物质的生产
进一步降低粘度
进一步提高脱水性
图1：污泥温度升高引起的反应顺序
随着温度的升高，难溶物质产量的增加在Stuckey和McCarty的研究中很明显，他们注意到热水解活性污泥产生的气体持续恶化，比起175℃，更接近250℃，然后降低控制温度。在高温条件下，温度升高对性能降低的影响进一步加剧。然而，除了增加难溶物质的数量外，提高反应温度也与改善脱水能力和提高沼气产量有关，这意味着根据所需的项目结果存在不同的最佳操作条件。图2显示了热水解如何影响下游污泥处理，而本文的目的是讨论关于使用热水解污水污泥处理的突出主题。
图2：报道的热水解效应及其影响
- 热水解的质量和能量平衡
关于热水解的一个关键因素是最小化达到反应温度所需的能量。因此，优化污泥处理的数量和温度是很重要的。由于污泥的部分比水的比热容低，增加污泥的干固体将本质上降低能量需求。通常，污泥干固体被浓缩到大约15-18%的密度(如图3所示)，但进一步的浓缩可能会引起传热限制和实际处理问题。考虑到初级污泥和活性污泥之间的明显差异，特别是固有的能量含量和影响传热的流变性能，令人惊讶的是注意到在热水解特定文献中有可以忽略的信息，着眼于它们对过程的能量需求的影响。
正如前面提到的，由于许多场地特定的条件，从全尺寸质量天平中提取数据是不可能的。因此，图3显示了基于理论考虑和设计标准，计算出的处理每年10,000吨初级污泥和活性污泥60:40混合物的工厂的水和污泥平衡。在初始废水被浓缩以减少水解所需的能量后，再将其稀释两次。首先，由于加入蒸汽达到反应温度，其次，从加入处理水来控制下游消化中的氨抑制(见后文)。
图3：标准热水解后厌氧消化的典型水和污泥平衡。
关键:蓝线(水)；工厂处理10，000吨60:40干固体的
棕色管线(污泥)初级:活性污泥混合物。
基于占装机容量99%以上的新蒸汽注入系统。
2.1能量平衡围绕厌氧消化
进水污泥温度对蒸汽需求有一定的影响;温差;污泥厚度;以及流体的热力学和物理性质。热力学表明，入口污泥温度与蒸汽需求呈线性响应，斜率为负，如下图所示：
Q=-10.476T 1729
其中，Q：蒸汽需水量/吨干污泥16.5% DS（污泥成分未知）
T：进水污泥热水解的温度(℃)
蒸汽所需的能量可以通过多种方式提供，包括:直接使用以生物或天然气为燃料的锅炉;利用往复式内燃机和使用生物或天然气的辅助锅炉进行热电联产;或者在大型设施上使用燃气轮机，尽管后者会损失发电，除非采用联合循环。所需的能量量通常被描述为产生的沼气的一部分，然而比较文献数据揭示所需的能量并不遵循一个可预测的模式。这主要取决于以下几个参数:热电联产装置的类型、效率、配置和可用性;储气库的存在和数量;天然气生产资料;厌氧消化装置的结构、操作温度和停留时间，以及迄今为止最重要的参数——污泥组成本身，尽管这一参数经常被忽视。
2.2厌氧消化后的能量平衡
虽然热水解提高了性能和沼气产量，但辅助能源需求(图5中描述的原始配置)使能源效益相对较小，仅集中在厌氧消化和热电联合发电。然而，利用热水解获得的能量效益是显而易见的，这是厌氧消化的下游。改进的挥发性固体破坏和增强的脱水特性相结合，可以显著减少污泥的消化，更重要的是，减少污泥中所含的水分。消化和热水解结合消化对干燥所需能量的影响如图8所示，这是根据理论确定的，基于预期的脱水能力和消化性能，并补充了之前的研究。从图中可以看出，热水解与消化相结合，可以在原消化污泥和热水解消化污泥分别损失前，降低2050 - 780 kWhr/t处理的约60%的等量原污泥的蒸发量。当损失被考虑在内时，这些数字似乎与文献数据一致。罗林森的团队展示了需要13.14兆瓦能源来干燥4万吨污泥的数据。这相当于大约2900千瓦时/吨的原始污泥，与假定70%的效率的理论值一致。
图5：工厂处理10，000吨干固体污泥的典型能量平衡
初级:活性污泥比为60:40。初级污泥和活性污泥都是热水解的。
基于使用内燃机的能量平衡基于:85%的可用性；38%的电气效率；27%高品位热量；17%低品位热量。
图8：将脱水污泥饼从环境温度25℃干燥至95%干固体的能量和物料平衡，基于一吨干生污泥当量。注意:能量平衡基于理论要求，不包括干燥损失。
图:A)Raw；b)消化，和C)热水解消化污泥。关键:淡蓝色(水)；褐色(污泥干物质)；红色(潜热需求)；浅红色(达到沸点所需的热量)。
通过热水解来降低下游能源需求的方法已经在几个足规模的设施中得到了开发。在都柏林的Ringsend，在安装热水解后，计划将300%的能量消耗降低到50%。在英国，已经观察到一种趋势，即该工艺已被用于降低规模或移除污泥干燥设施。
具有更好脱水性的减少的污泥产品也已被用于在现有焚烧设施中创造容量和降低运行成本，并且在生物固体的土地循环利用几乎没有选择的地方获得吸引力。尽管乍看起来，在燃烧之前强化能量回收似乎是矛盾的，但脱水的改进产生了与原污泥热值相似的污泥饼，如表4所示，该表是根据文献中的脱水预期并结合专门推导的污水污泥的杜隆方程计算的。
很明显，通过气体生产来改善挥发物的破坏会由于挥发性部分的减少而降低干基热值。这在表4中显而易见，其中没有和有热水解的消化分别降低热值约20%和30%。然而，当考虑到不同的脱水特性时，热水解饼的热值上升到比原污泥低5%以内。通过增加沼气产量(燃烧的干物质更少)和提高脱水性(更高的能量含量)在焚烧厂的消化设备上安装热水解装置，释放了14，000吨的焚烧炉剩余容量。此外，研究表明，与消化污泥相比，热水解导致的热值损失可以通过脱水改善两个百分点来抵消。
3.热水解对污泥流变性的影响
由于热水解引起的流变性变化可以说是污泥处理技术最重要的结果，因为它提高了下游运输的便利性并有助于脱水，从而允许更高的负荷率。然而，尽管如此，在热水解相关文献中很少关注其影响。在Eshtiaghi等人的信息综述中，污泥被描述为非牛顿剪切稀释触变性流体，在高剪切速率下表现为触变性胶体悬浮液，但在低剪切速率下表现出聚合行为。这种行为从根本上受温
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