污泥高固體厭氧消化與熱干化聯(lián)合系統(tǒng)能效評(píng)估

張玉瑤，李 歡，李忱忱，郭 昉，吳毅暉

(1.深圳市環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055;2.清華大學(xué)深圳研究生院—格林美城市資源循環(huán)利用工程技術(shù)研究中心，深圳 518055;3.昆明滇池水務(wù)股份有限公司，昆明 650100)

隨著城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的完善和處理標(biāo)準(zhǔn)的提高，污泥產(chǎn)生量不斷增加，成為典型城市廢棄物。根據(jù)城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況以及污泥性質(zhì)特點(diǎn)，污泥處理可以采用不同的處理流程。污泥厭氧消化與熱干化聯(lián)合處理工藝可以利用沼氣干化污泥，能以較低能耗實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化［1］。例如，我國(guó)上海白龍港污泥處理工程［2～4］基于系統(tǒng)熱量自平衡的考慮，采用全部消化與部分干化相關(guān)聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)干化熱量零補(bǔ)給的目標(biāo);德國(guó)漢堡等污水處理廠采用了污泥消化、干化與焚燒系統(tǒng)的聯(lián)合［5］，實(shí)現(xiàn)了外加燃料需求量為零的預(yù)期效果。在這一系統(tǒng)中，存在污泥流 (物質(zhì)流)與能量流的關(guān)聯(lián)，如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)耦合以提高系統(tǒng)能效水平是設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的主要目標(biāo)，其中，污泥的厭氧消化表現(xiàn)是影響系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。

昆明市主城區(qū)污泥處理處置工程計(jì)劃采用污泥高固體厭氧消化與熱干化的聯(lián)合系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)在于采用了高固體厭氧消化工藝，進(jìn)泥含固率設(shè)計(jì)為15%。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用高含固污泥進(jìn)行厭氧消化可顯著提高有效容積產(chǎn)氣率，但受到揮發(fā)性脂肪酸與氨氮等中間產(chǎn)物積累等因素的影響［6］，有機(jī)質(zhì)降解效率與甲烷產(chǎn)率有可能下降［7～10］。此外，高含固污泥粘度增加，還會(huì)增加攪拌和輸送能耗。因此，需要綜合評(píng)估采用高含固污泥對(duì)消化干化聯(lián)合系統(tǒng)的能效影響。本文在中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)不同處理單元物質(zhì)流與能量流進(jìn)行了計(jì)算，分析了進(jìn)泥濃度與有機(jī)質(zhì)含量對(duì)系統(tǒng)物料平衡和能量產(chǎn)出的影響，評(píng)估了高含固污泥厭氧消化與傳統(tǒng)低濃度污泥厭氧消化在能效上的差異。

1 項(xiàng)目基本工藝流程

項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理污泥量為100 t DS/d，脫水污泥首先在預(yù)反應(yīng)池稀釋至含固率15%，然后泵入柱形消化池進(jìn)行中溫消化。設(shè)計(jì)污泥停留時(shí)間(SRT)為22.5 d。脫水污泥有機(jī)質(zhì)含量約40%～50%，除進(jìn)行高固體厭氧消化 (HLAD)外，也可以調(diào)節(jié)至含固率5%進(jìn)行普通厭氧消化 (CAD)。這兩種模式下污泥厭氧消化池總?cè)莘e分別需要15000 m3和45000 m3。消化污泥離心脫水后進(jìn)入雙槳葉干化機(jī)，排泥含固率70%。熱媒采用導(dǎo)熱油，采用沼氣加熱，同時(shí)用天然氣作為啟動(dòng)和補(bǔ)充能源。熱油鍋爐內(nèi)進(jìn)油溫度200℃，出油溫度225℃。干化尾氣通過(guò)風(fēng)扇抽吸入洗滌塔，釋放的冷凝熱被循環(huán)水吸收，用于加熱消化污泥。工藝流程具體如下圖所示。

圖 污泥處理處置工藝流程Fig.The process flow of sludge disposal

2 污泥厭氧消化系統(tǒng)的性能

2.1 污泥厭氧消化的沼氣產(chǎn)能

該項(xiàng)目面臨的關(guān)鍵可變參數(shù)是進(jìn)泥含固率和有機(jī)質(zhì)含量的變化。根據(jù)中試研究，高含固污泥在強(qiáng)化攪拌條件下，其有機(jī)質(zhì)降解率與低濃度污泥接近，但隨進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量降低而成比例降低。在SRT為 22.5天時(shí)，進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)為 40%，45%，50%時(shí)，有機(jī)質(zhì)降解率分別為20%，28%和35%。不同濃度污泥去除單位有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣量 (Yre)基本保持不變，平均約為1.0 m3/kgVSre。根據(jù)這些情況，可以對(duì)沼氣產(chǎn)量和消化污泥產(chǎn)量進(jìn)行估算，結(jié)果如表1所示。

表1 污泥厭氧消化系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)能Tab.1 The biogas production of sludge anaerobic digestion

從表1中可以看出，進(jìn)泥濃度對(duì)厭氧消化的沼氣產(chǎn)能沒(méi)有影響 (良好攪拌條件下)，但進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量對(duì)沼氣產(chǎn)能具有巨大影響。因此，在昆明市主城區(qū)十余座污水處理廠中，應(yīng)盡量選擇高有機(jī)質(zhì)含量的污泥作為消化罐的進(jìn)泥，或者將污泥與其它高有機(jī)質(zhì)含量的廢物，如餐廚垃圾等進(jìn)行共消化。

2.2 污泥厭氧消化的能耗

在進(jìn)泥含固率分別為5%和15%時(shí)，用于污泥混合與加熱的預(yù)反應(yīng)池?cái)?shù)量分別需要6座和2座。單個(gè)預(yù)反應(yīng)池高度7.5 m，直徑5.5 m。池頂、池壁、池 底 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 分 別 為 2.9、2.5、1.9 kJ/(m2·h·℃)。按昆明市氣象水文條件，冬季進(jìn)泥溫度約15℃，夏季約25℃，加熱后污泥溫度為38℃。冬季室外溫度4.9℃，土壤溫度10℃，夏季室外溫度23.1℃，土壤溫度25℃?？紤]換熱效率，需熱量放大20%計(jì)算。在進(jìn)泥含固率分別為5%和15%時(shí)，污泥消化池?cái)?shù)量分別需要9座和3座。單池圓柱部分高度30 m，其中地上部分25 m，地下部分5 m，直徑16 m。池蓋為半橢球體，高度1 m，池底為椎體，斜面高度8.06 m，池體總高度為32 m。其余條件與預(yù)反應(yīng)池相同。據(jù)此，可以計(jì)算厭氧消化所需要的保溫加熱能耗，如表2所示。

表2 污泥厭氧消化的能耗Tab.2 The energy consumption of sludge anaerobic digestion

比較表1和表2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，昆明污泥在高固體厭氧消化條件下，產(chǎn)生的熱量可以完全滿足自身對(duì)熱能的需求。隨季節(jié)和進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量的變化，其能效比 (產(chǎn)生能量/消耗能量)在2.4～9.8范圍內(nèi)波動(dòng)。進(jìn)泥升溫是最主要的能耗來(lái)源，約占全部能耗的83%～88%。當(dāng)采用傳統(tǒng)低濃度厭氧消化時(shí)，由于進(jìn)泥含有大量水分，其進(jìn)泥升溫能耗成倍增加，因此在冬季且進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量偏低時(shí)，其能耗甚至要高于產(chǎn)沼生成的能量。要維持系統(tǒng)的能量平衡，要盡量采用高有機(jī)質(zhì)含量污泥。

值得注意的是，含固率的增加會(huì)顯著增加污泥的攪拌能耗。本研究表明，攪拌功率與污泥粘度正相關(guān)，而與污泥濃度成指數(shù)關(guān)系。對(duì)高固體厭氧消化而言，如參考大連夏家河項(xiàng)目［11］，采用20 W/m3的功率，則攪拌能耗為26 GJ/d，平均占加熱保溫能耗的44%。傳統(tǒng)低濃度厭氧消化所需消化池體積更大，但所需功率較低 (約1～3 W/m3)，因此其攪拌能耗仍明顯低于高固體厭氧消化，以較低值計(jì)算，僅4 GJ/d，平均占加熱保溫能耗的2%。

綜合上述因素，對(duì)低有機(jī)質(zhì)含量污泥而言，采用高固體厭氧消化的能效比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)低濃度厭氧消化，說(shuō)明提高進(jìn)泥含固率可以顯著增加污泥厭氧消化單一系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 污泥熱干化系統(tǒng)的性能

根據(jù)污泥厭氧消化過(guò)程的有機(jī)質(zhì)降解率，可以計(jì)算消化污泥產(chǎn)量，進(jìn)而計(jì)算污泥干化所需熱量。干化機(jī)噸水蒸發(fā)能耗按2700 MJ計(jì)，考慮導(dǎo)熱油鍋爐換熱效率90%，可以計(jì)算蒸發(fā)水分需熱量;從蒸發(fā)水分中回收熱量 (2260 kJ/kg)加熱循環(huán)水，其熱效率設(shè)為90%，循環(huán)水用于加熱污泥，其熱效率設(shè)為90%，則可計(jì)算可回收加熱污泥的熱量，如表3所示。

表3 消化污泥熱干化的能耗和可回收熱量Tab.3 The energy consumption and recycling heat of digested sludge in thermal drying unit

由表3可知，對(duì)于昆明低有機(jī)質(zhì)污泥而言，采用高固體厭氧消化和低濃度厭氧消化時(shí)，污泥減量效果類似，因此進(jìn)泥濃度對(duì)熱干化的能耗基本無(wú)影響，而有機(jī)質(zhì)含量有一定影響。從干化尾氣中回收的熱能超過(guò)實(shí)際污泥消化加熱保溫所需熱量，因此，厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可以全部用于污泥熱干化。在厭氧消化與熱干化聯(lián)合系統(tǒng)中，污泥干化所用熱量是系統(tǒng)的最主要能耗環(huán)節(jié)，沼氣供熱不能滿足其需求，必須采用其它熱源進(jìn)行補(bǔ)充。該項(xiàng)目采用天然氣作為補(bǔ)充能源，如按昆明工業(yè)用氣價(jià)格上限4.8元/m3計(jì)算，僅天然氣成本就達(dá)到130～217元/t(80%含水率污泥)。相對(duì)于低濃度厭氧消化，采用高固體厭氧消化并沒(méi)有減少消化干化聯(lián)合系統(tǒng)的天然氣消耗，但從攪拌能耗增加角度，高固體厭氧消化增加電耗6120 kWh/d，意味著污泥處理成本增加6元/t(昆明工業(yè)用電價(jià)格按0.5元/kWh計(jì))。因此，對(duì)于消化干化聯(lián)合系統(tǒng)而言，采用高固體厭氧消化后能效水平并未提升，而處理成本有所增加。

4 總結(jié)

4.1 無(wú)論對(duì)于污泥厭氧消化系統(tǒng)還是消化干化聯(lián)合系統(tǒng)，進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量對(duì)消化性能特別是沼氣產(chǎn)能具有巨大影響，應(yīng)盡量采用高有機(jī)質(zhì)污泥。

4.2 對(duì)于污泥厭氧消化系統(tǒng)而言，進(jìn)泥加熱是系統(tǒng)的主要能耗環(huán)節(jié)，采用高固體厭氧消化，可以顯著降低進(jìn)泥加熱和消化保溫的能耗，從而保證厭氧消化系統(tǒng)的能量自持能力，增加沼氣產(chǎn)出，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 對(duì)于低有機(jī)質(zhì)污泥的消化干化聯(lián)合系統(tǒng)而言，由于污泥熱干化是系統(tǒng)的主要能耗，且遠(yuǎn)超過(guò)沼氣供能，干化余熱可滿足厭氧消化過(guò)程的加熱保溫能耗需求，而采用高固體厭氧消化并不能提高沼氣產(chǎn)率，因此不能提高系統(tǒng)的能效水平。

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