城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置工程設(shè)計

余維金 常芳瑜 黃文海 程瑞豐 寧亞軍 于可可

（中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司 湖北武漢 430058）

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施普及率、污水處理率的提高和處理程度的不斷深化，城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥產(chǎn)生量也急劇增加［1］。據(jù)《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》（2021 年版）公開數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年年末，全國城市污水處理廠日處理能力約2.1 億m3，按每1 萬t 污水產(chǎn)生5～10 t 污泥（含水率80%）測算［2］，全國城鎮(zhèn)污水處理廠濕污泥產(chǎn)生量約10.5～21.0 萬t/d。《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》中明確，到2025年城市污泥無害化處置率應(yīng)達到90%以上，到2035 年全面實現(xiàn)污泥無害化處置［3］。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計，全國只有10%左右城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥通過好氧堆肥等技術(shù)處理處置后進行土地利用，大約20%以上采用熱干化+焚燒、厭氧發(fā)酵等技術(shù)實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化和無害化處理，其余大部分經(jīng)機械脫水后外運至填埋場填埋處置［4］。因此，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥處理處置問題還十分嚴峻，研究污泥處理處置對策迫在眉睫［5］。

1 污泥的性質(zhì)分析

以某市城鎮(zhèn)污水處理廠和各類食品企業(yè)廢水處理站污泥為例，設(shè)計規(guī)模300 t/d，其中城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥（市政污泥）100 t/d，食品有機固廢200 t/d，即各類食品企業(yè)廢水處理站脫水污泥160 t/d，食品企業(yè)生產(chǎn)邊角料40 t/d。其成分及理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 某市各類企業(yè)污泥理化性質(zhì)

綜合分析以上各企業(yè)污泥含水率、營養(yǎng)指標以及重金屬含量等指標，可以看出污泥主要有以下3 個特征：

（1）脫水污泥的含水率在80%左右，含固率約12%～17%。

（2）污泥的有機物VSS/TS（揮發(fā)性懸浮固體濃度/總固體濃度）值基本在35%～50%，可生物降解有機物含量較高，適合采用厭氧發(fā)酵工藝將其轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能源沼氣，進行資源化利用。同時污泥中含泥砂較多，因此，在進行厭氧發(fā)酵反應(yīng)前，將采取有效的除砂預(yù)處理措施，提高處理效率。

（3）污泥中蘊含的養(yǎng)分及重金屬含量指標基本滿足土地利用的國家相關(guān)標準［6-7］。

2 污泥處理工藝的比選

2.1 預(yù)處理工藝的選擇

目前用于城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥預(yù)處理技術(shù)主要有熱水解［8-9］、超聲波［10-11］、電滲透［12-13］、冷凍［14-15］等。但目前有工業(yè)化方面應(yīng)用且比較成功的只有熱水解技術(shù)。熱水解即對生物質(zhì)進行加溫使其中的一部分細胞物質(zhì)水解、從大分子轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，從而便于后續(xù)進行厭氧發(fā)酵。熱水解前后微生物的變化見圖1。

圖1 熱水解前后微生物的變化

熱水解主要作用如下：

（1）可提高厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷的速率，縮短厭氧發(fā)酵周期，增強物料的流動性，提高厭氧發(fā)酵罐的容積利用率。

（2）對微生物的細胞壁進行破壁、改性，可大大提高污泥脫水性能，經(jīng)板框壓濾機擠壓脫水處理后，其含水率可降低至50%～60%。

（3）細菌、病毒等在高溫（150～180 ℃）、高壓（約1 MPa）環(huán)境下，基本均被滅活，因此經(jīng)厭氧發(fā)酵反應(yīng)后的污泥細菌指標可滿足美國EPA503 標準中關(guān)于A 級污泥的要求［16］。

熱水解技術(shù)是一項先進、成熟、高效、穩(wěn)定的污泥預(yù)處理技術(shù)，國內(nèi)典型應(yīng)用案例有北京市高安屯污泥處理中心工程（1 836 t/d）和北京市高碑店污水處理廠污泥高級消化工程（1 358 t/d）。各企業(yè)脫水污泥含固率約12%～17%，適合熱水解預(yù)處理，在處理過程中可加水進行稀釋，稀釋至含固率為12%左右后進行熱水解。因此，選擇熱水解技術(shù)作為污泥預(yù)處理手段。

2.2 主體工藝的選擇

2022 年9 月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)了《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》，提出鼓勵推廣應(yīng)用厭氧發(fā)酵、干化焚燒作為污泥無害化處理和資源化利用的重點方式［17］。由于城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥含水率高、熱值較低，導(dǎo)致干化焚燒耗能較高，加上處理規(guī)模（300 t/d）較小，占地面積有限，綜合考慮，選擇“熱水解預(yù)處理+厭氧發(fā)酵”作為主體工藝。

2.3 厭氧發(fā)酵工藝的選擇

按照不同的條件，厭氧發(fā)酵處理技術(shù)可分為以下3 類。

（1）按照進料含固率可分為：濕式、干式，如表2 所示。

（2）按照厭氧反應(yīng)控制溫度可分為：中溫、高溫，如表3 所示。

表3 中溫厭氧發(fā)酵與高溫厭氧發(fā)酵對比

（3）按照反應(yīng)級數(shù)可分為：單相、兩相，如表4 所示。

表4 單相厭氧發(fā)酵與兩相厭氧發(fā)酵對比

綜合考慮占地面積、技術(shù)成熟度、投資運營成本等因素，單項中溫濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)在國內(nèi)外均已使用多年，成功案例較多，技術(shù)上較成熟。因此，單項中溫濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)。

3 主要工藝單元設(shè)計與物料平衡

3.1 熱水解單元

含固率12%左右的污泥進入預(yù)熱罐（也稱漿化罐），與從高溫熱水解后閃蒸罐卸壓回收的蒸汽混和，將污泥預(yù)加熱至96 ℃，預(yù)熱后的物料經(jīng)泵輸送至高溫高壓熱水解反應(yīng)釜進行熱水解反應(yīng)，經(jīng)過高溫150～170 ℃高壓蒸汽對污泥蒸煮，熱水解反應(yīng)時間為30 min，使得物料顆粒溶解，胞外聚合物水解，降低黏度，完全殺滅所有病原菌。

熱水解后的物料被急速送到閃蒸罐，由于壓力的釋放，在壓力差的作用下，使污泥細胞得到破裂；經(jīng)熱水解和閃蒸罐釋放壓力后，污泥溫度為100～105 ℃，需經(jīng)熱交換器進行冷卻，換熱后污泥溫度降至40～50 ℃，以滿足后續(xù)厭氧發(fā)酵的要求，整個熱水解過程一般需要3～4 h，熱水解后污泥的含固率在10%～12%。

3.2 厭氧發(fā)酵單元

熱水解后物料，經(jīng)換熱冷卻至40～50 ℃后，再進入2 座單池容積為6 000 m3的柱形消化罐中，中溫厭氧發(fā)酵溫度維持在（35±2）℃，停留時間18～20 d。有機物容積負荷為2.0～4.0 kg/（m3·d），厭氧發(fā)酵后的物料含固率為7%～10%，有機質(zhì)降解率約為55%～65%，產(chǎn)氣率為0.75～1.10 Nm3/kgVSS（去除），產(chǎn)生的沼氣進入沼氣提純系統(tǒng)進行進一步處理，厭氧發(fā)酵后固液混合物進入機械脫水系統(tǒng)進行處理。

3.3 物料平衡計算

設(shè)計規(guī)模300 t/d，通過圖2 的物料平衡計算，得出如表5 相關(guān)參數(shù)。

表5 物料平衡一覽表 單位：t／d

4 產(chǎn)品資源化利用設(shè)計

經(jīng)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器處理后會產(chǎn)生大量沼氣，沼氣的處理及利用方式主要有以下3 種：

（1）直接燃燒用于炊事、照明、洗浴、供暖等；

（2）內(nèi)燃機發(fā)電自用或上網(wǎng)；

（3）經(jīng)凈化提純后用作車用燃料或管道煤氣等。

由于沼氣產(chǎn)量較大，適合處理的方式有2 種：①沼氣發(fā)電；②沼氣純化壓縮。

其中沼氣發(fā)電可以將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能，并入電網(wǎng)或供本項目內(nèi)部用電使用，由于并網(wǎng)困難［18］，一部分發(fā)電一般供應(yīng)自身使用。

而沼氣純化壓縮，制成壓縮天然氣，然后供給汽車加氣站或并入城市天然氣管網(wǎng)是相對較為經(jīng)濟，易于操作管理的一種方式。目前國內(nèi)比較成功的污泥厭氧發(fā)酵處理工程的案例中［19-20］，湖北襄陽和大連夏家河均采用此種模式。

因此，采用沼氣純化壓縮的沼氣利用方式，將多余的沼氣制成壓縮天然氣供給汽車加氣站。

5 結(jié)語

隨著綠色低碳技術(shù)的不斷發(fā)展，污泥的減量化、資源化、能源化利用或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)發(fā)展趨勢。污泥厭氧發(fā)酵技術(shù)作為一項污泥處理處置的領(lǐng)先綠色低碳技術(shù)，兼具減量化、資源化等特點而越來越得到大家的關(guān)注和廣泛認可，但該技術(shù)只適用于有機質(zhì)含量高、含水率高的城鎮(zhèn)污水廠污泥的處理處置。它是一項減量化程度低、資源化程度高的技術(shù)，更適合建設(shè)在城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)處理機械脫水前的污泥，這樣既可以節(jié)約污泥外運成本，也不用額外加水稀釋調(diào)漿，厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的沼液還能直接回流到原污水處理系統(tǒng)。未來新建或改建城鎮(zhèn)污水處理廠時，建議將污泥厭氧發(fā)酵處理處置設(shè)施一并納入。