劉溪

摘 要：為解決保定市污水廠的污泥出路問題，通過對污泥處理幾種方法的對比分析，結合保定市的現(xiàn)狀，確定了處理工藝的方案。工程可將含固率10%污泥進行消化，節(jié)約了土地，并產(chǎn)生能源沼氣。同時利用污水源熱泵技術，將提溫熱水作為沼氣鍋爐補給水，實現(xiàn)資源回用。

關鍵詞：厭氧消化、沼氣、板框脫水機、水源熱泵、磷酸氨鎂

一、項目概況

保定地處環(huán)海灣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)中的京、津、保三角地區(qū)，主城區(qū)312平方公里，人口119.4萬人。設有銀定莊、溪源、魯崗三座城市污水處理廠?？偺幚砦鬯芰?2萬噸/天，日產(chǎn)污泥約300噸（如表1所示）。

目前保定市污水廠的污泥直接脫水到含水率80%后送政府有關部門認可的空地進行簡易防護后堆放。由于污泥含水率過高等原因，達不到相關標準的要求[1]，垃圾填埋場已拒收污水廠的污泥。保定排水總公司根據(jù)實際情況，積極組織建設污泥處理中心，以此解決困擾著污水廠正常運行的污泥出路問題。

保定市污泥處理項目采用厭氧消化（產(chǎn)沼氣）+高干脫水工藝，處理規(guī)模300噸/日（80%含水率污泥），日產(chǎn)沼渣150噸（60%含水率）。消化階段可日產(chǎn)沼氣約10000方，部分轉化為熱能為消化系統(tǒng)保溫，剩余沼氣經(jīng)提純?yōu)樘烊粴夂?，外供給廠外汽車加氣站。以實現(xiàn)污泥的資源化利用。

二、污泥處理工藝的比較選擇

污泥處理是指城市污水處理廠在污水處理單元操作過程中產(chǎn)生的污泥通過減容、減量、穩(wěn)定以及無害化的過程。污泥處理工藝主要有好氧發(fā)酵制肥、焚燒、石灰干化穩(wěn)定、厭氧消化（產(chǎn)沼氣）等，為確定最終的處理工藝，我們分別對其進行了考察實驗分析：

（一）好氧發(fā)酵制肥

采用好氧發(fā)酵制肥方式，每天需向300噸污泥中添加秸稈約30噸（相當于60畝地的產(chǎn)秸稈數(shù)量）用來構建骨架結構和調節(jié)工藝所需碳氮比。經(jīng)在保定周邊縣區(qū)調研了解，隨著農(nóng)民對秸稈回收利用資源價值的認識逐步提高，目前農(nóng)田秸稈機械化收割時就地還田比例越來越高，且保定奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，其已消化了大部分秸稈，而且秸稈收購季節(jié)性很強，足量穩(wěn)定的秸稈供應難以保證。除秸稈外，其它種類輔料如花生殼、鋸末等在保定市周邊也不具備足量供應條件。同時，隨著工業(yè)廢水在進水中比例的提高（由建廠之初的40%提高到了后來的60%），污水廠的泥質發(fā)生了變化，按目前我國肥料市場的管理實際，污泥制肥及營養(yǎng)土制品的用量不易控制，保定市人多地少，土地資源緊張，為防范污染轉移風險，所以必須限制污泥農(nóng)用。因此，保定市污泥處理未采用好氧發(fā)酵制肥方案。

（二）焚燒

焚燒方式，減量化效果最好，但是單獨建設干化焚燒設施運行成本過高（直接運營成本在300元/噸以上），不符合保定市實際情況。曾考慮利用保定大唐西郊熱電廠流化床鍋爐對污泥進行摻燒，但大唐電廠距市區(qū)較近，隨著國家環(huán)保部門對火電項目的要求日益嚴格，電廠機組存在關停、搬遷的可能。另外，為應對電廠鍋爐檢修期間的污泥處理，需配套建設占地50畝的污泥中轉儲存場地。因此在客觀條件制約下，焚燒方案不可行。

（三）石灰干化穩(wěn)定

石灰干化穩(wěn)定需向污泥中投加20%-30%的生石灰，用石灰穩(wěn)定后的污泥可實現(xiàn)消毒穩(wěn)定、并提高污泥的含固率，處理后的污泥進行填埋可阻止污染物質進入環(huán)境，但處理過程需要大量的石灰物料消耗和土地資源的消耗，且不能實現(xiàn)資源的回收利用，長遠來看，也制約了污泥將來土地利用的可能性。

（四）厭氧消化（產(chǎn)沼氣）

厭氧消化是指利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機物質，是實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化非常有效的一種污泥處理工藝[2]。

污泥厭氧消化的作用主要體現(xiàn)在：

1、污泥穩(wěn)定化。對有機物進行降解，使污泥穩(wěn)定化，不會腐臭，避免在運輸及最終處置過程中對環(huán)境造成不利影響；

2、污泥減量化。通過厭氧過程對有機物進行降解，減少污泥量，同時可以改善污泥的脫水性能，減少污泥脫水的藥劑消耗，降低污泥含水率；

3、消化過程中產(chǎn)生沼氣。它可以回收生物質能源，降低污水處理廠能耗及減少溫室氣體排放。厭氧消化處理后的污泥可滿足國家對污泥穩(wěn)定化相關指標的要求[3]。

（五）工藝選定

通過對上述工藝的對比，并結合保定的實際情況，本項目工藝定為厭氧消化（產(chǎn)沼氣）+高干脫水。將市區(qū)三座污水廠產(chǎn)生污泥運至污泥處理中心，調配成含固率10%的污泥，經(jīng)中溫厭氧消化反應，產(chǎn)生沼氣，部分沼氣優(yōu)先用于滿足污泥消化本身的加熱和保溫，其余沼氣凈化提純?yōu)樘烊粴夂笸馐?，剩余污泥?jīng)板框脫水機處理，脫水至含水率60%后衛(wèi)生填埋。（工藝流程圖見圖1）

該工藝運行經(jīng)驗成熟，有機物分解率高，污泥減量化程度高，運行費用低，不需另外補充能源，還可產(chǎn)生清潔能源沼氣，對節(jié)能減排貢獻突出。

（六）實驗論證

為驗證保定污泥泥質厭氧消化產(chǎn)沼氣的效果，確定合理的工藝參數(shù)。項目組于2013年12月組織相關專家進行了污泥消化中試實驗（見圖2）。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表2），實驗中混合污泥的VSS/SS為58.2%，考慮到現(xiàn)有污水廠提標改造工程的繼續(xù)進行，污水在生化池中停留時間延長，污泥齡增加，污水中有機污染物降解率提高，并參考國內城市污水處理廠污泥有機物比例的多在45～55%的情況，所以本項目最終確定污泥中有機成分含量按照50%進行設計。

實驗中混合污泥經(jīng)消化處理后，有機物含量降解率平均值為49%，考慮到中試試驗因罐體較小，所以在污泥攪拌、污泥加熱保溫等方面的條件均強于實際工程中的大型罐體，因此在項目中有機物降解率設計為45%。

根據(jù)實驗中數(shù)據(jù)計算出平均產(chǎn)氣率為0.8m3gas/kgorge，考慮到小型罐體由于試驗條件優(yōu)于實際運行工況，所以在產(chǎn)氣率上適當留有余地，最終產(chǎn)氣率取值0.701 m3gas/kgorge。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，厭氧消化工藝可降解污泥中的有機物，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化。消化過程產(chǎn)生沼氣，實現(xiàn)了污泥的資源化利用。厭氧消化作為一種負碳排放的污泥處理方式，考慮到保定市是世界自然基金會認定的低碳試點城市，結合保定的實際情況，項目選擇了厭氧消化為主的處理方式。

三、污泥調配

項目確定選擇厭氧消化處理工藝后，經(jīng)設計院4計算得出，進泥含水率為90%時，處理效果最優(yōu)，處理成本最經(jīng)濟。由于魯崗污水處理廠距離項目地點15公里，污泥需脫水到含水率80%后，通過汽車運輸?shù)轿勰嗵幚碇行?。而溪源、銀定莊污水廠距離項目地點僅有200米，為滿足進泥含水率90%的要求，溪源和銀定莊兩廠污泥全部或部分凝縮后與魯崗污泥混合，在不繼續(xù)加水的前提下混合污泥直接達到90%的含水率（調配方式見表3）。

四、沼氣利用

污泥經(jīng)厭氧消化處理，將產(chǎn)生一定量的沼氣，沼氣是一種優(yōu)質

清潔能源，應合理利用。依據(jù)污泥消化中試實驗數(shù)據(jù)，對沼氣利用系統(tǒng)進行了方案設計和熱平衡計算，

1、沼氣產(chǎn)量（根據(jù)中試實驗參數(shù)）：

混合污泥中有機物含量=50%；

有機物降解率=45%；

產(chǎn)氣率=0.701 m3gas/kgorge；

干污泥量=60噸/天

Q=60×1000×50%×45%×0.701=9463 m3/d

為增加有機物分解率和沼氣產(chǎn)量，工程增加了超聲波污泥處理器，可將產(chǎn)氣量增加7%以上，最終產(chǎn)氣量如下：

Q=9463*1.07=10125 m3/d

沼氣的使用首先滿足污泥消化本身的加熱和保溫要求，剩余沼氣經(jīng)過脫除沼氣中CO2、H2S和少量N2、O2、H2O后，凈化提純?yōu)榉稀盾囉脡嚎s天然氣》標準的天然氣（見表4），外售給廠區(qū)外的汽車加氣站。

結合本項目的沼氣中硫含量6000ppm的特點及項目實際需求及后續(xù)工藝要求，我們對脫硫方式進行了比較（見表5），最終采用濕法脫硫工藝加干法脫硫工藝。同時對脫碳技術進行對比（見表6）后發(fā)現(xiàn)，化學吸附具有甲烷回收率高、抗沖擊能力強、運行穩(wěn)定、排放廢氣中甲烷含量最低等優(yōu)勢，所以本工程選擇化學吸收法為沼氣脫碳最終方案。

五、污泥脫水工藝選擇

消化后的污泥為滿足脫水至含水率60%的衛(wèi)生填埋要求，我們對幾種機械脫水方式進行比較發(fā)現(xiàn)，只有板框壓濾機能達到要求。

板框壓濾機系由一定數(shù)量的板框串連組成，在每兩塊板框中間有兩層濾布，每塊板框的中間連通；濃縮后的污泥由板框壓濾機的一端進入壓濾機，在兩濾布中間受到板框的壓榨，使污泥中所含的水份分離出來；當污泥含水率降到一定程度時板框逐塊分開，脫水后的污泥剝落下來由輸送機運出；所有污泥排出后再進行下一次脫水工作過程。

板框壓濾機的優(yōu)點是脫水后泥餅含水率較低、衛(wèi)生條件較好，能夠滿足國家對污泥的衛(wèi)生填埋要求所以確定本工程采用板框脫水機對污泥進行脫水。

六、廠區(qū)內供暖及制冷方法的選擇

污水源熱泵空調機組是利用低溫水作為熱源，進行能量轉換的熱泵系統(tǒng)。因本工程可利用廠區(qū)原生污水為熱源，通過污水換熱器獲取低溫水。為節(jié)省能源消耗，實現(xiàn)污水的資源化利用，本工程選擇了水源熱泵空調機組實現(xiàn)廠區(qū)冬季供暖和夏季制冷。

經(jīng)測算冬季采暖熱負荷約：370kW，夏季供冷冷負荷約：250kW ，除上述采暖負荷，熱負荷部分還包括將廠區(qū)鍋爐房給水加熱的部分，被加熱軟化水設計水量為2t/h，進出水溫度為10℃/40℃。

利用水源熱泵空調機組，一次性投資，并且機組熱源溫度穩(wěn)定，維護費用較低，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。同時，機組供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排污、溫室氣體等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗等。

七、項目效益

污泥處理項目采用厭氧消化+高干脫水工藝，年處理污泥約11萬噸（按含水率80%計），相當于年減排二氧化碳5913噸。厭氧消化工藝年均產(chǎn)沼氣365萬立方，所產(chǎn)沼氣除本廠加熱污泥自用外，剩余的沼氣凈化為車用天然氣。高干脫水較徹底解決了污泥對環(huán)境的污染問題，節(jié)省了原高含水率污泥填埋所需的土地。實現(xiàn)了以廢治廢，節(jié)能減排及循環(huán)經(jīng)濟的目標。

項目的建設符合保定市“低碳、高端、協(xié)調、善美”的城市發(fā)展方向，建成運行后，將實現(xiàn)污泥處理的穩(wěn)定化、減量化、資源化。解決困擾保定市污水廠運行的一大難題，消除污泥棄置的污染隱患，改善居民生存環(huán)境，同時也是對國內污水廠污泥處理方式的有益補充。

八、未來探索

污泥脫水時產(chǎn)生的污泥水內的磷濃度高，溶解性較差的鹽類導致產(chǎn)生過度飽和的溶液，壓力或溫度的變化會使pH 值上升， 從而各種鹽類根據(jù)相應的溶解度產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。產(chǎn)生的沉積物質即為磷酸氨鎂（鳥糞石） 結晶體，其可造成污泥固含量低和絮凝劑消耗量大，導致污水處理廠內部返回負荷很高。

經(jīng)市場調查，目前鳥糞石的市場價格在34000元/噸左右，我們期待有一種提磷工藝，可防止產(chǎn)生結晶沉淀現(xiàn)象，提高污泥脫水效果，阻止PO4 返送負荷，實現(xiàn)污泥的資源化利用。

參考文獻：

[1]參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質GB/T 23485-2009》.

[2]參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南》.

[3]參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918.

[4]中國市政工程華北設計研究總院.

[5]《保定市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理中心項目初步設計》.