深度脫水作為污泥好氧發酵前處理技術的能耗分析

毛曉飛，李地超，周荃，吳玉鳳

(中建能源管理（遼寧）有限公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著我國工業的不斷發展及城市人口數量的劇增，市政污水和工業廢水排放量日益增加，由此產生的大量污泥的處理處置已成為我國城市發展不可避免的問題[1-4]。市政污泥中含有豐富的有機質，易腐敗發臭，并且含有多種重金屬、寄生蟲卵、病原微生物和多環芳烴等有害污染物，若處理不當，將會對環境造成嚴重污染。

如何對市政污水處理廠產生的污泥進行妥善的處理處置，已成為污水處理廠建設需要解決的首要難題。目前，針對污泥處理處置的方法一般包括濃縮和脫水兩種。脫水主要包括機械脫水和干化，常規的機械脫水主要包括板框壓濾脫水、帶式脫水和離心脫水等，脫水后污泥含水率集中在65%～80%，干化脫水后污泥含水率可降至30%以下，減量化效果顯著，但處理能耗成本偏高。后續污泥的處理處置方法有焚燒、制磚、填埋、堆肥等多種選擇，現有污泥處置常采用濃縮、脫水、干化、焚燒、制磚、堆肥以及填埋等不同處理與處置方法中某幾個方法組合成的具體處理流程[5-7]。據不完全統計，我國現有的污泥無害化處置工程中，采用好氧發酵作為污泥處理工藝路線所占的市場比例為27.6%。近年來，我國新建的市政污泥好氧發酵工程已開始向機械化智能化控制方向邁進，并有效緩解了當地的污泥處理處置問題。目前針對污泥好氧發酵過程中影響因素的研究較多，然而對污泥好氧發酵工程的運行成本目前還鮮有權威的公布數據，能耗成本作為污泥好氧發酵工程運行成本的重要組成部分，行業內相關統計數據報道較少。

基于此，本文結合罐式污泥好氧發酵工藝的工程實踐，以泰安第一污水處理廠污泥好氧發酵工程作為研究對象，調查污泥深度脫水前后的能耗情況，并對主要能耗環節進行識別。通過前后對比，探究了深度脫水對污泥好氧發酵工程節能降耗的影響。

1 工程概況

1.1 污泥好氧發酵工程簡介

泰安第一污水處理廠1989年籌建，1990年開工，1993年初投入正常運行，主要接納處理市區生活污水，處理規模為5萬t/d，主體工藝為多級多段AO工藝。泰安第一污水處理廠污泥深度處理車間位于污水處理廠東南側，占地面積約3 000 m2，采用污泥超高溫好氧發酵工藝。污泥車間主要分為三個功能區，分別為進料區、發酵區和出料區。

項目總投資3 000萬元，于2020年開工，2021年4月正式運行，設計處理規模40 t。主體設備為兩臺智能高溫好氧發酵罐，單臺發酵罐總容積102 m3、直徑6.0 m、高3.9 m。發酵罐壁配有輔助加熱系統，罐內部有攪拌裝置，可設置定時攪拌；底部有兩臺送風風機，可設置定時及變頻送風；發酵罐頂部配有廢氣收集管道，廢氣管道后端配備生物除臭塔，前端連接一臺引風機，可設置定時及變頻引風；罐壁為雙層結構，內設保溫層，可防止熱量散失。

1.2 工藝流程

污泥好氧發酵工程工藝流程如圖1所示，污水處理廠污泥濃縮池含水率97%～99%的污泥調理后，送入帶式脫水機進行脫水，脫水后污泥含水率為68%～71%，送入污泥倉暫存。污泥、輔料、菌種按比例送入混料機，混合均勻后送入發酵罐進行發酵，發酵完成后，通過輸送系統輸送至滾筒篩進行篩分，篩下物送入成品。

圖1 改造前工藝流程圖

1.3 工藝改造

因帶式脫水后污泥含水率偏高，導致需要添加大量輔料調節含水率，故2022年5月開始進行設備改造，新增加一套污泥深度脫水系統，采用“污泥空化破壁+超超高壓污泥脫水”技術，其具體工藝流程如圖2所示。泰安第一污水處理廠濃縮池含水率97%～99%的污泥送入污泥空化破壁機進行細胞破壁，破壁后的污泥送入污水處理廠帶式脫水機進行一次脫水，一次脫水后污泥含水率降至68%～71%。將一次脫水污泥調理后送入超超高壓脫水機進行深度脫水，深度脫水后的污泥含水率控制在50%左右，添加菌種后直接送入發酵罐內進行純泥好氧發酵，發酵完成后，通過輸送系統輸送至滾筒篩進行篩分，篩下物送入成品庫陳化，發酵后的產品顆粒松散、無明顯異味，各項指標均符合國家GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》。工藝改造完成后，污泥好氧發酵周期從5 d縮短至4 d，單罐一批次處理污泥量也提高約1.5倍，發酵效率顯著提升。

圖2 改造后工藝流程圖

2 能耗調查方法

對污泥好氧發酵工程能耗的調查內容包括電耗和輔料消耗兩部分。能耗調查方法為：統計各單元主要設備的裝機功率、每日的污泥處理量及設備工作時間，通過各單元控制柜內電量表記錄每日各單元耗電量；統計一批次處理的濕污泥量、使用的輔料用量及調理劑用量，計算每噸濕污泥所用的物耗量。

3 用電設備裝機功率

將污泥好氧發酵工程按工藝環節分為進料單元、發酵單元和出料單元，改造后增加污泥深度脫水單元，各單元主要用電設備裝機功率如表1所示。

表1 各單元主要用電設備功率統計表

4 結果與分析

4.1 工程運行電耗

對泰安第一污水處理廠污泥好氧發酵工程增加脫水系統前后各單元的噸泥電耗情況進行統計后發現，污泥好氧發酵工程總電耗為101.24 kW·h/t濕污泥，其中發酵單元電耗最高，電耗量為74.07 kW·h/t濕污泥，占73.2%；進料單元次之，電耗量為22.30 kW·h/t濕污泥，占22.0%；出料單元電耗最低，電耗量為4.87 kW·h/t濕污泥，占4.8%。增加污泥深度脫水系統后，工程總電耗為97.26 kW·h/t濕污泥，其中發酵單元電耗最高，電耗量為43.21 kW·h/t濕污泥，占44.4%；深度脫水單元次之，電耗量為36.46 kW·h/t濕污泥，占37.5%；然后為進料單元，電耗量為13.94 kW·h/t濕污泥，占14.3%；出料單元最低，耗電量為3.65 kW·h/t濕污泥，占3.8%。

進一步分析可知，好氧發酵工程中耗能最大的環節為發酵單元，由發酵單元主要用電設備功率情況可知（表1），發酵單元耗電量最大的設備為風機，電耗量為55.86 kW·h/t濕污泥，占發酵單元電耗量的75.4%，占總電耗量的55.2%；攪拌系統次之，電耗量為18.21 kW·h/t濕污泥，占發酵單元電耗量的24.6%，占總電耗量的18.0%。增加深度脫水系統后，耗能最大的環節為發酵單元和深度脫水單元。深度脫水單元主要用電設備按電耗大小依次為空化破壁機、超超高壓脫水機、輸送設備、存儲設備，電耗量分別為17.80、10.33、5.09、3.24 kW·h/t濕污泥，分別占深度脫水單元電耗量的48.8%、28.3%、14.0%、8.9%，占總電耗量的18.3%、10.6%、5.2%、3.3%；發酵單元主要用電設備按電耗大小依次為風機、攪拌，電耗量分別為32.58、10.63 kW·h/t濕污泥，分別占發酵單元電耗量的75.4%、24.6%，占總電耗量的33.5%、10.9%，如表2所示。

表2 各單元主要設備處理每噸濕泥電耗統計表

綜上可知，增加深度脫水系統前后，風機均為最主要的耗能點。黃惠明等[8]在城市污泥好氧發酵工程能耗研究中調查了上海松江和青島小澗西兩個好氧發酵工程能耗，也提出曝氣鼓風機和除臭離心風機是城市發酵工程中的主要耗能設備，與本研究一致。增加深度脫水系統后，空化破壁機、超超高壓脫水機也成為新的主要耗能點，均為節能降耗途徑的重點。

4.2 工程運行物耗

污泥好氧發酵工程物耗主要為輔料，目前發酵工程常用污泥含水率為70%～80%，需要添加大量輔料調節含水率，發酵輔料主要采用蘑菇渣、花生殼等農作物副產品，輔料含水率約10%左右。調整進罐物料含水率至50%左右需要添加約占濕污泥量25%的輔料，輔料添加量巨大，且輔料受季節性影響，品質參差不齊，近年來農作物副產品價格不斷上漲，導致輔料物耗成本偏高，為發酵成本的主要占比之一。增加深度脫水系統后，污泥含水率從70%下降至50%，無需添加輔料，雖增加了新的物耗污泥調理劑，但污泥調理劑選用的是草木灰，來源廣泛、價格低廉、添加量小，因而從整體看增加深度脫水系統可以節約物耗。

4.3 能耗成本對比

如表3所示，泰安第一污水處理廠污泥好氧發酵工程能耗成本為135.7元，其中輔料成本為80元，占61.35%；增加深度脫水系統后，能耗成本為65.5元，能耗成本下降了51.7%，主要原因是增加深度脫水系統后，雖增加深度脫水單元的調理藥劑和電耗成本，分別為12元和20.1元，合計32.1元，但污泥含水率從70%下降至50%后，可直接進罐發酵，無需添加輔料，節約了輔料成本80元。同時由于無需添加輔料，促使進罐污泥量加大，每批次處理污泥量增加，發酵單元噸泥電耗成本下降22.3元；總計下降102.3元，兩相消減，能耗成本下降70.2元。因此，增加深度脫水系統以降低好氧發酵工程污泥含水率具有很好的經濟性。

表3 能耗成本統計表

4.4 發酵工藝改進

采用深度脫水后的含水率50%的污泥可添加菌種后直接進罐發酵，由于不添加輔料，純泥發酵污泥比重大、透氣性差，故深度脫水后的污泥發酵工藝需要改進。經過實際驗證，采用純泥發酵時，含水率必須控制在50%左右，含水率過高時，污泥透氣性差、性黏，易在罐內出現厭氧，脫水性能差，發酵周期過長；污泥含水率控制在50%時進罐，進罐前12 h無需開啟攪拌、可少量通風，溫度升高后可適當加大通風、攪拌定時，開始進入除水階段，經過1～2 d的除水可正常出料；整個發酵過程中應遵循少攪拌原則，過量攪拌易導致污泥發黏、成團、透氣性差。

4.5 深度脫水污泥好氧發酵前處理技術的工藝適用性

好氧發酵是一種重要的污泥處置方式，現代化的污泥處置設施對環境友好、占地、機械化程度提出了更高的要求。市場上已出現多種形式的發酵，如槽式、滾筒式、罐式等，但基本上仍然以70%～80%含水率的濕污泥為原料進行好氧發酵。本研究發現采用深度脫水后的含水率50%的污泥直接進罐好氧發酵可達到污泥穩定化、減量化及無害化的要求，從能耗分析具有極大優勢。該工藝的首要因素是要控制污泥含水率，實現污泥的深度脫水。

我國常用的脫水設備為帶式脫水機、離心脫水機和板框壓濾機等，脫水后含水率可降低至70%～82%，但無法達到深度脫水要求。為進一步降低污泥含水率，常采用添加石灰的方式，其含水率可降低至60%左右，但石灰的添加會影響植物發芽和生長，不適用于污泥好氧發酵的預處理。因此，可選用超超高壓脫水、低溫干化等不添加石灰的工藝進行污泥深度脫水，可滿足污泥不添加輔料進行好氧發酵的含水率要求，也便于污泥后續資源化利用。

5 結語

（1）泰安第一污水處理廠污泥好氧發酵工程增加深度脫水系統前后的單位耗電量分別為101.24、97.26 kW·h/t濕污泥；增加深度脫水系統前后，風機均為主要耗能點，是節能降耗途徑的重點。

（2）污泥好氧發酵工程物料主要為輔料，增加深度脫水系統后，雖新增了污泥調理劑，但無需添加輔料，總體物料成本下降，故增加深度脫水系統節約了物耗。

（3）從能耗成本來看，增加深度脫水系統后，能耗成本從135.7元下降至65.5元，下降51.7%，具有很好的經濟效益。