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(yáng) 110000)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展及城市人口數(shù)量的劇增，市政污水和工業(yè)廢水排放量日益增加，由此產(chǎn)生的大量污泥的處理處置已成為我國(guó)城市發(fā)展不可避免的問(wèn)題[1-4]。市政污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，易腐敗發(fā)臭，并且含有多種重金屬、寄生蟲(chóng)卵、病原微生物和多環(huán)芳烴等有害污染物，若處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

如何對(duì)市政污水處理廠產(chǎn)生的污泥進(jìn)行妥善的處理處置，已成為污水處理廠建設(shè)需要解決的首要難題。目前，針對(duì)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(jī)械脫水和干化，常規(guī)的機(jī)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(xù)污泥的處理處置方法有焚燒、制磚、填埋、堆肥等多種選擇，現(xiàn)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(gè)方法組合成的具體處理流程[5-7]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有的污泥無(wú)害化處置工程中，采用好氧發(fā)酵作為污泥處理工藝路線所占的市場(chǎng)比例為27.6%。近年來(lái)，我國(guó)新建的市政污泥好氧發(fā)酵工程已開(kāi)始向機(jī)械化智能化控制方向邁進(jìn)，并有效緩解了當(dāng)?shù)氐奈勰嗵幚硖幹脝?wèn)題。目前針對(duì)污泥好氧發(fā)酵過(guò)程中影響因素的研究較多，然而對(duì)污泥好氧發(fā)酵工程的運(yùn)行成本目前還鮮有權(quán)威的公布數(shù)據(jù)，能耗成本作為污泥好氧發(fā)酵工程運(yùn)行成本的重要組成部分，行業(yè)內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)道較少。

基于此，本文結(jié)合罐式污泥好氧發(fā)酵工藝的工程實(shí)踐，以泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)酵工程作為研究對(duì)象，調(diào)查污泥深度脫水前后的能耗情況，并對(duì)主要能耗環(huán)節(jié)進(jìn)行識(shí)別。通過(guò)前后對(duì)比，探究了深度脫水對(duì)污泥好氧發(fā)酵工程節(jié)能降耗的影響。

1 工程概況

1.1 污泥好氧發(fā)酵工程簡(jiǎn)介

泰安第一污水處理廠1989年籌建，1990年開(kāi)工，1993年初投入正常運(yùn)行，主要接納處理市區(qū)生活污水，處理規(guī)模為5萬(wàn)t/d，主體工藝為多級(jí)多段AO工藝。泰安第一污水處理廠污泥深度處理車(chē)間位于污水處理廠東南側(cè)，占地面積約3 000 m2，采用污泥超高溫好氧發(fā)酵工藝。污泥車(chē)間主要分為三個(gè)功能區(qū)，分別為進(jìn)料區(qū)、發(fā)酵區(qū)和出料區(qū)。

項(xiàng)目總投資3 000萬(wàn)元，于2020年開(kāi)工，2021年4月正式運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理規(guī)模40 t。主體設(shè)備為兩臺(tái)智能高溫好氧發(fā)酵罐，單臺(tái)發(fā)酵罐總?cè)莘e102 m3、直徑6.0 m、高3.9 m。發(fā)酵罐壁配有輔助加熱系統(tǒng)，罐內(nèi)部有攪拌裝置，可設(shè)置定時(shí)攪拌；底部有兩臺(tái)送風(fēng)風(fēng)機(jī)，可設(shè)置定時(shí)及變頻送風(fēng)；發(fā)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(tái)引風(fēng)機(jī)，可設(shè)置定時(shí)及變頻引風(fēng)；罐壁為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)保溫層，可防止熱量散失。

1.2 工藝流程

污泥好氧發(fā)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(diào)理后，送入帶式脫水機(jī)進(jìn)行脫水，脫水后污泥含水率為68%～71%，送入污泥倉(cāng)暫存。污泥、輔料、菌種按比例送入混料機(jī)，混合均勻后送入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵完成后，通過(guò)輸送系統(tǒng)輸送至滾筒篩進(jìn)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(dǎo)致需要添加大量輔料調(diào)節(jié)含水率，故2022年5月開(kāi)始進(jìn)行設(shè)備改造，新增加一套污泥深度脫水系統(tǒng)，采用“污泥空化破壁+超超高壓污泥脫水”技術(shù)，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(jī)進(jìn)行細(xì)胞破壁，破壁后的污泥送入污水處理廠帶式脫水機(jī)進(jìn)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(diào)理后送入超超高壓脫水機(jī)進(jìn)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(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行純泥好氧發(fā)酵，發(fā)酵完成后，通過(guò)輸送系統(tǒng)輸送至滾筒篩進(jìn)行篩分，篩下物送入成品庫(kù)陳化，發(fā)酵后的產(chǎn)品顆粒松散、無(wú)明顯異味，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》。工藝改造完成后，污泥好氧發(fā)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(fā)酵效率顯著提升。

圖2 改造后工藝流程圖

2 能耗調(diào)查方法

對(duì)污泥好氧發(fā)酵工程能耗的調(diào)查內(nèi)容包括電耗和輔料消耗兩部分。能耗調(diào)查方法為：統(tǒng)計(jì)各單元主要設(shè)備的裝機(jī)功率、每日的污泥處理量及設(shè)備工作時(shí)間，通過(guò)各單元控制柜內(nèi)電量表記錄每日各單元耗電量；統(tǒng)計(jì)一批次處理的濕污泥量、使用的輔料用量及調(diào)理劑用量，計(jì)算每噸濕污泥所用的物耗量。

3 用電設(shè)備裝機(jī)功率

將污泥好氧發(fā)酵工程按工藝環(huán)節(jié)分為進(jìn)料單元、發(fā)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(shè)備裝機(jī)功率如表1所示。

表1 各單元主要用電設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)果與分析

4.1 工程運(yùn)行電耗

對(duì)泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)酵工程增加脫水系統(tǒng)前后各單元的噸泥電耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，污泥好氧發(fā)酵工程總電耗為101.24 kW·h/t濕污泥，其中發(fā)酵單元電耗最高，電耗量為74.07 kW·h/t濕污泥，占73.2%；進(jìn)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(tǒng)后，工程總電耗為97.26 kW·h/t濕污泥，其中發(fā)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(jìn)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(jìn)一步分析可知，好氧發(fā)酵工程中耗能最大的環(huán)節(jié)為發(fā)酵單元，由發(fā)酵單元主要用電設(shè)備功率情況可知（表1），發(fā)酵單元耗電量最大的設(shè)備為風(fēng)機(jī)，電耗量為55.86 kW·h/t濕污泥，占發(fā)酵單元電耗量的75.4%，占總電耗量的55.2%；攪拌系統(tǒng)次之，電耗量為18.21 kW·h/t濕污泥，占發(fā)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(tǒng)后，耗能最大的環(huán)節(jié)為發(fā)酵單元和深度脫水單元。深度脫水單元主要用電設(shè)備按電耗大小依次為空化破壁機(jī)、超超高壓脫水機(jī)、輸送設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)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(fā)酵單元主要用電設(shè)備按電耗大小依次為風(fēng)機(jī)、攪拌，電耗量分別為32.58、10.63 kW·h/t濕污泥，分別占發(fā)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(shè)備處理每噸濕泥電耗統(tǒng)計(jì)表

綜上可知，增加深度脫水系統(tǒng)前后，風(fēng)機(jī)均為最主要的耗能點(diǎn)。黃惠明等[8]在城市污泥好氧發(fā)酵工程能耗研究中調(diào)查了上海松江和青島小澗西兩個(gè)好氧發(fā)酵工程能耗，也提出曝氣鼓風(fēng)機(jī)和除臭離心風(fēng)機(jī)是城市發(fā)酵工程中的主要耗能設(shè)備，與本研究一致。增加深度脫水系統(tǒng)后，空化破壁機(jī)、超超高壓脫水機(jī)也成為新的主要耗能點(diǎn)，均為節(jié)能降耗途徑的重點(diǎn)。

4.2 工程運(yùn)行物耗

污泥好氧發(fā)酵工程物耗主要為輔料，目前發(fā)酵工程常用污泥含水率為70%～80%，需要添加大量輔料調(diào)節(jié)含水率，發(fā)酵輔料主要采用蘑菇渣、花生殼等農(nóng)作物副產(chǎn)品，輔料含水率約10%左右。調(diào)整進(jìn)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(jié)性影響，品質(zhì)參差不齊，近年來(lái)農(nóng)作物副產(chǎn)品價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致輔料物耗成本偏高，為發(fā)酵成本的主要占比之一。增加深度脫水系統(tǒng)后，污泥含水率從70%下降至50%，無(wú)需添加輔料，雖增加了新的物耗污泥調(diào)理劑，但污泥調(diào)理劑選用的是草木灰，來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、添加量小，因而從整體看增加深度脫水系統(tǒng)可以節(jié)約物耗。

4.3 能耗成本對(duì)比

如表3所示，泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)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(tǒng)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(tǒng)后，雖增加深度脫水單元的調(diào)理藥劑和電耗成本，分別為12元和20.1元，合計(jì)32.1元，但污泥含水率從70%下降至50%后，可直接進(jìn)罐發(fā)酵，無(wú)需添加輔料，節(jié)約了輔料成本80元。同時(shí)由于無(wú)需添加輔料，促使進(jìn)罐污泥量加大，每批次處理污泥量增加，發(fā)酵單元噸泥電耗成本下降22.3元；總計(jì)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(tǒng)以降低好氧發(fā)酵工程污泥含水率具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

表3 能耗成本統(tǒng)計(jì)表

4.4 發(fā)酵工藝改進(jìn)

采用深度脫水后的含水率50%的污泥可添加菌種后直接進(jìn)罐發(fā)酵，由于不添加輔料，純泥發(fā)酵污泥比重大、透氣性差，故深度脫水后的污泥發(fā)酵工藝需要改進(jìn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，采用純泥發(fā)酵時(shí)，含水率必須控制在50%左右，含水率過(guò)高時(shí)，污泥透氣性差、性黏，易在罐內(nèi)出現(xiàn)厭氧，脫水性能差，發(fā)酵周期過(guò)長(zhǎng)；污泥含水率控制在50%時(shí)進(jìn)罐，進(jìn)罐前12 h無(wú)需開(kāi)啟攪拌、可少量通風(fēng)，溫度升高后可適當(dāng)加大通風(fēng)、攪拌定時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入除水階段，經(jīng)過(guò)1～2 d的除水可正常出料；整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中應(yīng)遵循少攪拌原則，過(guò)量攪拌易導(dǎo)致污泥發(fā)黏、成團(tuán)、透氣性差。

4.5 深度脫水污泥好氧發(fā)酵前處理技術(shù)的工藝適用性

好氧發(fā)酵是一種重要的污泥處置方式，現(xiàn)代化的污泥處置設(shè)施對(duì)環(huán)境友好、占地、機(jī)械化程度提出了更高的要求。市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種形式的發(fā)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(jìn)行好氧發(fā)酵。本研究發(fā)現(xiàn)采用深度脫水后的含水率50%的污泥直接進(jìn)罐好氧發(fā)酵可達(dá)到污泥穩(wěn)定化、減量化及無(wú)害化的要求，從能耗分析具有極大優(yōu)勢(shì)。該工藝的首要因素是要控制污泥含水率，實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水。

我國(guó)常用的脫水設(shè)備為帶式脫水機(jī)、離心脫水機(jī)和板框壓濾機(jī)等，脫水后含水率可降低至70%～82%，但無(wú)法達(dá)到深度脫水要求。為進(jìn)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(huì)影響植物發(fā)芽和生長(zhǎng)，不適用于污泥好氧發(fā)酵的預(yù)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(jìn)行污泥深度脫水，可滿足污泥不添加輔料進(jìn)行好氧發(fā)酵的含水率要求，也便于污泥后續(xù)資源化利用。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)酵工程增加深度脫水系統(tǒng)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(tǒng)前后，風(fēng)機(jī)均為主要耗能點(diǎn)，是節(jié)能降耗途徑的重點(diǎn)。

（2）污泥好氧發(fā)酵工程物料主要為輔料，增加深度脫水系統(tǒng)后，雖新增了污泥調(diào)理劑，但無(wú)需添加輔料，總體物料成本下降，故增加深度脫水系統(tǒng)節(jié)約了物耗。

（3）從能耗成本來(lái)看，增加深度脫水系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)效益。