昆明主城區污水污泥處理處置工程簡介

王宇堯

（上海市政工程設計研究總院，上海市 200092）

0 前言

中芬合作“昆明市水環境固體污染物綜合處置利用一期工程——昆明市主城區城市污水處理廠污泥處理處置工程”是《滇池流域水污染防治規劃（2006-2010年）》重點建設項目之一。該項目建設的主要目的是實現昆明市8座污水處理廠運行過程中產生的污泥減量化、無害化、穩定化，并最終實現污泥資源化利用的目標。工程采用芬蘭政府貸款，引進國際先進技術和設備來建設和管理該工程。

污泥處理采用“污泥高負荷厭氧消化（HLAD Process）+脫水+熱干化”的處理工藝，干化后污泥達到國家相關處置要求。出泥含固率達到70%～90%并可調。高負荷厭氧消化(HLAD)工藝是目前國內第一個引進的一種集約化程度高、能源產出效率高，設備設施簡便、操作維護簡單的先進工藝。污泥干化引進國外雙槳葉式干化機，設備集中度高、先進可靠、工藝流程和操作管理簡便，也是國內第一個采用的大規模雙槳葉式污泥干化工藝。污泥處置近期送垃圾焚燒發電廠，遠期兼顧綠化介質土及肥料等。污泥厭氧消化產生沼氣作為干化能源，干化余熱利用作為消化加熱，最大限度地實現能源的內部互相共享，使得投資和綜合能耗達到最低。工程預計2011年底可建成運行。

1 工程規模與方案比較

昆明市主城區現有8座污水處理廠，現狀總污水處理能力70萬m3/d。根據滇池流域水污染防治的要求，滇池污染綜合治理工程實施后，主城區污水的收集率達到90%以上，在現有70萬m3/d污水處理能力的基礎上增加污水處理能力40.5萬m3/d，使近期2015年總體污水處理規模110.5萬m3/d，遠期2030年總體污水處理規模117.5萬m3/d。設計本次污泥處理規模為100 tDS/d，約合80%含水率污泥量500 t/d，折算成80%含水率脫水污泥500 t/d。

該工程污泥處理按厭氧消化+熱干化總體流程可以考慮的技術路線有三條：方案一，全部污泥調配成含水率95%濃度，全部進入蛋形消化池進行傳統消化，消化污泥脫水后熱干化；方案二，僅七污廠含水率95%～97%濃縮污泥進入蛋形消化池進行傳統消化，消化污泥脫水后與其他污水廠脫水污泥一并熱干化；方案三，全部污泥調配成含水率85%濃度，全部進入消化池進行高負荷厭氧消化，消化污泥脫水后熱干化。三方案經濟比較如表1。

表1 方案技術路線經濟對比表

由上述經濟分析比較可知，前兩方案由于采用傳統的消化工藝，池容積偏大，一次投資相對較高，成本也偏高；方案三由于采用高負荷厭氧消化，一次投資低，能量回收利用的優勢明顯，因而最終推薦高負荷厭氧消化+干化方案作為工程實施方案比較經濟合理。

2 污泥處理工藝流程

該工程采用污泥高負荷厭氧消化+脫水+熱干化的技術路線和工藝流程，如圖1所示。

昆明主城區的8座污水廠的脫水污泥采用封閉的車輛運輸至該污泥處理廠。污泥由磅秤稱重后，卸入污泥泄料站，由污泥柱塞泵送入污泥預反應池；進入污泥預反應池的污泥，投加熱水混合稀釋至設計含水率85%。均質后的污泥在污泥預反應池加熱至37℃～38℃，泵提升入中溫厭氧高負荷污泥消化池；經消化后的污泥通過提升泵進入污泥脫水機房，消化后的污泥采用離心脫水機將污泥含水率降低至75%，再由提升泵送入污泥干化機。

污泥干化機可根據實際需要控制出泥含固率在70%～90%，出泥經冷卻螺旋輸送機將溫度降至50℃以下，打包后輸送入干污泥產品堆場或外運處置。

污泥干化機干化熱媒采用導熱油，能源采用污泥消化產生的沼氣，同時采用城市人工煤氣作為啟動及補充能源。污泥干化產生的廢熱回收用于污泥預反應池污泥加熱。最終尾氣通過多級除臭處理，達到國家有關規定后排放。污泥脫水和熱干化過程中產生的廢液，經管道收集后，由專設的污水管道送至附近第七污水處理廠處理。

3 總體設計

項目選址位于昆明市第七污水處理廠附近。環湖東路西面，金家河以東，和第七污水處理廠隔河相望，總占地面積約4.7 hm2。

綜合管理樓布置在南側廠前區，變配電間等輔助生產用房布置在廠區中部。廠區中部偏南是防爆區，布置污泥消化池、沼氣貯柜、操作樓、余氣燃燒塔等。廠區北面布置脫水污泥卸料站、停車場、污泥脫水機房、污泥干化車間、回用水池和再生水泵房、臨時污泥堆棚等。平面布置詳見圖2。

圖2 污泥處理廠平面布置圖

4 污泥處理目標及能量平衡

污泥處理處置須實現《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的基本要求，即污泥達到“穩定化、無害化和減量化，并為資源化準備條件”。

4.1 污泥干化產品特性

該工程進入干化系統的污泥已經過了厭氧消化，有機物含量已降低到20%左右。槳葉式干燥機內導熱油溫度為205℃～230℃，排放尾氣溫度為95℃左右，出泥溫度為105℃，且污泥在干燥機內的停留時間長達4.6 h，污泥中含有的細菌及蟲卵已大部分滅活，使污泥達到了巴氏消毒的衛生處理。

污泥干化設備利用雙槳葉的交互作用及干化過程中產品相對較高的壓力，使干化后的產品有較高的堆密度，平均堆密度約500～650 kg/m3，最終產品為1～3 mm的顆粒。

4.2 能量平衡

為節約運行能耗，該污泥處理工程污泥干化的能源以厭氧消化產生的沼氣為主要來源，盡可能少用外來能源，通過整個污泥處理工程“消化+干化系統”的熱量平衡分析，從系統能量自平衡的角度，確定污泥干化處理補充能源的數量。高負荷厭氧消化及干化物料平衡見圖3。

燃料消耗是污泥干化處置的主要能源消耗。該工程消化系統每天可產生沼氣量為18 750 m3，合4 997 kW。該部分沼氣將優先用于污泥干化，而污泥干化的余熱部分用于污泥消化加熱用（約500 kW）。在項目調試和啟動階段必須考慮全部外加燃料供應熱源的措施。在冬季條件，污泥干化產品干度達到90%的條件下，全部沼氣用于污泥干化外，尚需補充15 672 m3/d的人工煤氣用于污泥干化。

圖3 物料平衡圖

5 污泥消化與干化工程

污泥消化和干化是該工程的重點，本文著重介紹污泥厭氧消化和干化部分的工程內容。

5.1 污泥高負荷厭氧消化

按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）規定的要求，污水處理廠污泥應進行穩定化處理。污泥厭氧消化須滿足有機物降解率大于40%的基本要求。污泥厭氧消化按操作條件分有中溫消化和高溫消化，按進泥含水率區分有一般濃縮污泥進泥的傳統厭氧消化和脫水污泥進料的高負荷厭氧消化；按攪拌方式區分有機械攪拌和沼氣攪拌。由于能耗的限制，國內外使用較多的操作方式為中溫厭氧消化。對于傳統的濃縮污泥厭氧消化而言，機械攪拌能接受的最低含水率約92%，沼氣攪拌能承受的最低含水率約95%，而高負荷厭氧消化能接受的最小進泥含水率為85%。由于進泥含水率的大幅度降低，厭氧消化池內單位微生物量能接觸消化的有機物量大為提高，因而其產氣效率亦隨之提高；據國外案例介紹，產氣效率比傳統厭氧消化高出30%。

就污泥換熱方式而言，傳統厭氧消化一般采用循環污泥泵換熱，而高負荷厭氧消化采用污泥預反應池補充熱水的方式攪拌換熱后進入消化池，消化池內僅設攪拌器保證泥質均勻。

傳統厭氧消化池一般采用柱形或蛋形消化池，大規模尤以蛋形消化池居多。高負荷厭氧消化由于污泥粘滯性高、流動性差，攪拌難度高，池形布置僅采用柱形，而且，為保證產氣效率，單池容積不宜超過5 000 m3。該工程采用的高負荷厭氧消化池共3座，單座直徑16 m，凈高32 m，其設計參數如下。

污泥量：100 000 kgDS/d；

污泥含水率：85%

污泥體積：667 m3/d

揮發性固體含量：50%

揮發性固體量：50 000 kgVSS/d

污泥消化溫度：33℃～35℃

污泥消化時間：22.5 d

污泥投配率：4.4%

消化池總容積：15 000 m3

消化池數量：3只

揮發性固性負荷：3.33 kgVSS/m3·d（旱季）

揮發性有機物VSS降解率：50%

總降解率：25%

消化后污泥量：75 000 kgDS/d（75%含水率300 t/d）

沼氣產率：0.75 m3氣/kgVSS

沼氣產量：18 750 m3/d

5.2 污泥干化工程

污泥干化工藝的選型須考慮到系統的出泥含固率、安全性、綜合能耗，廢水廢氣的產生及處理，對進泥含砂量、含水率波動等多方面情況進行甄別，選擇合適的機型。經過方案論證，選擇進口雙槳式干燥機作為首選機型。該機型由兩個互相嚙合的反向旋轉的配有加熱槳的攪拌器為核心，攪拌器安置在外殼為Ω形的儲料槽中，攪拌器的攪拌槳由電機驅動，并直接與攪拌槳傳動裝置減速機相連接，調速傳動裝置保持與攪拌槳同步。整個干燥機外表面都有隔熱層減少熱量損失。濕污泥通過污泥螺桿泵精確計量后進入槳葉式干化機內，與在空軸和夾套內流動的導熱油充分換熱，使污泥溫度升高，水分蒸發，其中的槳葉緩慢轉動，防止污泥結塊。系統主要包括：干化系統、熱油系統、尾氣處理系統、儲存運輸系統、電氣系統、自控儀表系統、除臭系統及其輔助系統等。干化系統核心設備即槳葉式干化機、出料螺旋輸送機、出料冷卻輸送螺旋等。尾氣處理系統主要包括尾氣洗滌塔、冷凝器等。75 tDS/d（75%含水率300 t/d）設計2條雙槳式干燥機，單機規模在同類設備中領先。

雙槳式干燥機通過旋轉鍥型槳葉、鍥型槳葉和雙攪拌器的間隔，以及加熱的介質通過空心槳葉和儲料槽，產生較大的熱交換面積，具備較高的熱效率。設備設計克服了干化塑性階段，達到含固率90%干度而不需要返混。90%干度設計凈熱耗650 kcal/kgH2O，而流化床干燥須保證670 kcal/kgH2O以上。雙槳式干燥機干燥過程如圖4。

圖4 污泥干化含固率變化過程示意圖

雙槳式干燥機采用低于7 rpm的旋轉運行速度，減少了污泥對槳葉的磨損，并在與污泥接觸部分采用特殊的耐磨涂層，因而設備的耐磨性更好。設備安全設計方面，通過控制對安全性具有重要影響的要素限制指標來達到性能的安全運行要求，簡要如下：

（1）粉塵濃度：＜50 g/m3；

（2）含氧量：＜1%；

（3）蒸發溫度：＜105℃；

為污泥干化車配套有導熱油鍋爐房，內設三臺導熱油鍋爐臺位，近期常用，和干化機也為一一對應關系，有利于干化機內熱油的計量提供熱能的計算，有利于保持干化機出泥含固率的穩定性。每臺導熱油鍋爐配備有沼氣和人工煤氣兩用燃燒器1臺，優先使用沼氣，在沼氣量不足的情況下才使用人工煤氣燃燒供熱，其可通過控制系統自動切換燃燒何種氣體，燃燒后的煙氣經除塵后通過15 m高的煙囪穿過屋頂排放。熱油鍋爐內進油溫度為205℃，出油溫度為230℃，熱油通過熱油循環泵送至每臺干化機。

6 結語

（1）項目批復概算總投資為29 183萬元人民幣。其中，利用芬蘭政府優惠貸款1 200萬歐元（約折合人民幣11 160萬元）；其余中央政府補助資金、環保部專項補助資金、省市財政配套資金等計13 970萬元，國內商業銀行貸款4 053萬元。

（2）與同類型工程比較，采用高負荷厭氧消化+熱干化技術路線的工程造價和運行費用均低于同類工程，按500 t/d脫水污泥計，單位脫水污泥量總成本389元/t，可變成本187元/t，折算成噸水固定成本0.177元/m3d，可變成本0.085元/m3d，是云南省和昆明市開展循環經濟和清潔生產的重點工程。

（3）昆明市政府通過中芬友好合作的模式，引進國外先進技術和設備，妥善經濟地解決了主城區污水污泥的處理處置難題，其產生的環境效益和社會影響難以用經濟技術指標估計，在國內外及業界產生了廣泛的影響。