城鎮(zhèn)污泥熱水解與厭氧消化聯(lián)用技術(shù)的原理、效能及應(yīng)用

薛重華，孔祥娟，呂蘊(yùn)哲，薛 茂，魏亮亮，宋旭剛

(1.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心，北京 100835；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

近年來，隨著我國污泥問題的凸顯和國家對環(huán)境保護(hù)的日漸重視，城鎮(zhèn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化處理處置被提上了日程，一批污泥處理處置設(shè)施得到了建設(shè)[1]。在污泥處理處置的各類技術(shù)中，厭氧消化由于能在實(shí)現(xiàn)污泥常規(guī)處理處置的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源化(產(chǎn)甲烷)，被列入我國政府主推的幾種污泥處理處置主導(dǎo)技術(shù)[2-3]。在我國污泥厭氧消化設(shè)施的實(shí)際運(yùn)行中，污泥處理處置設(shè)施運(yùn)行效率受制于低有機(jī)質(zhì)、高含砂量等泥質(zhì)特性的影響，整體運(yùn)行和產(chǎn)甲烷效率明顯低于歐美發(fā)達(dá)國家同等規(guī)模的厭氧消化設(shè)施[4]。為保證污泥厭氧消化系統(tǒng)的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和無害化，合理的預(yù)處理技術(shù)勢在必行。污泥熱水解技術(shù)作為污泥厭氧消化主要的預(yù)處理技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的破壁、有機(jī)物的溶出和病原體的殺滅，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

本文在綜述污泥厭氧消化和高溫?zé)崴饧夹g(shù)特征的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前工業(yè)中主流的裝備進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)際案例對裝備運(yùn)行效能進(jìn)行了分析，以期為實(shí)際污泥厭氧消化設(shè)施的運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 污泥熱水解技術(shù)

污泥熱水解技術(shù)的工作原理是將脫水污泥(一般含水率在85%～90%左右)和溫度為150～260 ℃、壓力為1.4～2.6 MPa的飽和蒸汽加入密閉的反應(yīng)釜[5]，通過蒸汽對污泥進(jìn)行間接加熱，使污泥菌膠團(tuán)、內(nèi)部微生物和有機(jī)物水解破壁，從而使細(xì)胞失活，同時(shí)胞內(nèi)部分有機(jī)物如蛋白質(zhì)和多糖等，得以釋放并進(jìn)入上清液。

該技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，起初用于改善污泥脫水性能；70年代末開始用于污泥預(yù)處理，以提高污泥厭氧消化性能；90年代后被開發(fā)用于反硝化碳源的獲取和活性污泥的減量研究[6]；1995年Cambi公司在挪威哈馬爾的HIAS污水處理廠首次建造熱水解裝置作為污泥處理工藝的一部分，在此基礎(chǔ)上形成了污泥熱水解——厭氧消化技術(shù)體系。需要說明的是，熱水解技術(shù)自身能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的無害化、減量化、穩(wěn)定化[7]：熱水解使污泥含固率提高、脫水性能增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)污泥處理的減量化；高溫高壓過程使病原菌滅活，實(shí)現(xiàn)污泥處理的無害化；熱水解后有機(jī)物通過固液分離轉(zhuǎn)移至濾液中，使得干污泥中可生化降解的有機(jī)物減少50%以上，從而達(dá)到穩(wěn)定化。

污泥熱水解過程包括固體物質(zhì)溶解液化和有機(jī)物水解兩個(gè)過程[8]。污泥經(jīng)熱水解處理后，污泥上清液中的溶解性物質(zhì)濃度大幅提高，尤其以污泥中蛋白質(zhì)和糖類的溶出最為突出，能改善污泥的脫水性能和厭氧消化性能。相較于傳統(tǒng)的超聲和臭氧氧化法，熱水解技術(shù)對污泥有機(jī)物胞外聚合物的破壁能力更強(qiáng)，有利于后續(xù)的污泥生化處理，熱水解后污泥通過固液分離裝置分離為干化污泥和濾液。

1.2 污泥厭氧消化技術(shù)

污泥厭氧消化是指利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)質(zhì)的一種處理工藝。厭氧消化一般包括水解、酸化和產(chǎn)甲烷等階段[9-10]。通過厭氧消化，污泥體積減少為原來的30%～50%[11]，脫水效果提高，水分與固體易于分離，穩(wěn)定性增強(qiáng)，無明顯的惡臭；同時(shí)厭氧消化過程能有效減少有毒病菌并產(chǎn)生大量的甲烷氣體[12]。衡量污泥的厭氧消化性能和產(chǎn)氣性能的2個(gè)指標(biāo)：單位質(zhì)量揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)氣量和分解單位質(zhì)量揮發(fā)性固體產(chǎn)氣量，美國污水處理廠設(shè)計(jì)手冊中這2項(xiàng)指標(biāo)最佳為0.5～0.75 L/g和0.75～1.12 L/g，國內(nèi)無明確規(guī)定。雖然污泥厭氧消化過程具有有效降解污泥有機(jī)物、殺死污泥中病原體、減小污泥體積及回收能源等優(yōu)勢，但厭氧消化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在著水力停留時(shí)間長(10～20 d)和有機(jī)物去除率較低(20%～40%)等缺陷[13-14]。

2 工藝配套裝備

2.1 污泥熱水解裝備

目前污泥熱水解常用的裝備為水熱反應(yīng)釜，水熱反應(yīng)釜大多為圓柱形罐體，內(nèi)部設(shè)換熱裝置和機(jī)械攪拌裝置等。長沙市污泥處理處置工程采用污泥熱水解-厭氧消化系統(tǒng)，其中熱水解的關(guān)鍵設(shè)施為污泥漿化裝備，主要包括1套污泥漿化罐、8套污泥熱水解罐[圖1(a)]、1套混合及儲泥罐和2套熱交換器。各裝置規(guī)格如下：污泥漿化罐流量為20 m3/h；污泥循環(huán)泵4臺，流量為20 m3/h(2用2備)；污泥熱水解罐直徑1.6 m，高4 m；熱交換器2套，電機(jī)功率為5.0 kW，混合及儲泥罐電機(jī)功率為7.5+22 kW。

圖1 罐體裝置圖 (a)污泥熱水解罐；(b)厭氧消化罐Fig.1 Diagram of (a) Sludge Thermal Hydrolysis Tanks and (b) Anaerobic Digestion Tank

各裝備運(yùn)行示意如圖2所示，具體運(yùn)行過程及參數(shù)如下。

圖2 污泥熱水解漿化罐、熱水解罐和閃蒸罐運(yùn)行示意圖Fig.2 Operation Diagram of Slurry Tank,Thermal Hydrolysis Tank and Flash Tank for Sludge Thermal Hydrolysis

(1)漿化裝備——污泥從料倉柱塞泵提升至漿化裝備，在漿化裝備中利用閃蒸蒸汽加熱漿化至70～80 ℃，然后泵送至熱水解反應(yīng)罐。漿化裝備運(yùn)行時(shí)為連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料，反應(yīng)罐產(chǎn)生的閃蒸蒸汽通過漿化裝備內(nèi)部分配管和閥門通至漿化裝備的不同部位。在漿化裝置內(nèi)部，通過壓力表、安全閥、安全水封等動(dòng)態(tài)調(diào)整保證漿化裝備內(nèi)的壓力安全。

(2)熱水解反應(yīng)罐——熱水解反應(yīng)罐中利用鍋爐蒸汽加熱至130～150 ℃，保壓一段時(shí)間后泄壓，泄壓蒸汽進(jìn)入閃蒸蒸汽罐后再進(jìn)入漿化裝備預(yù)熱生泥，泄壓后反應(yīng)罐內(nèi)的污泥通過出漿泵排至熱交換器。熱水解反應(yīng)罐一個(gè)周期為90 min，分為進(jìn)泥(15 min)、加熱(15 min)、保壓(30 min)、泄壓(15 min)、排泥(15 min)5個(gè)過程，各反應(yīng)罐可聯(lián)動(dòng)工作。

2.2 污泥厭氧消化裝備

污泥厭氧消化裝備主要包括污泥厭氧消化池(罐)主體[圖1(b)]、進(jìn)料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、沼氣收集裝備、沼氣凈化裝備和沼氣安全裝備。各裝備的主要特征如下。

(1)消化池(罐)——可分為常規(guī)混凝土建造設(shè)施和一體化裝備。

常規(guī)的混凝土建造設(shè)施一般由池底、池體和池頂三部分組成，池底為倒圓錐形；池體主要有圓柱形、卵形和龜甲形等幾種(圓柱形應(yīng)用最廣泛)；池頂可分為固定蓋式和浮動(dòng)蓋式兩種[15]。整體而言，柱形消化池的反應(yīng)罐直徑在6～40 m，罐體內(nèi)有一坡度為15%的錐底以及一個(gè)位于反應(yīng)罐中心的排泥出口，運(yùn)行時(shí)需保證罐體的污泥深度最低達(dá)到7.5 m，以保證反應(yīng)器內(nèi)物料的充分混合，部分消化池也會(huì)配置格子狀的底部來減少罐體底部的不均勻沉砂，進(jìn)而減少反應(yīng)器的清洗次數(shù)[16]。相對應(yīng)的，卵形污泥消化器是一種改進(jìn)的池形，該形狀的池體可降低砂石和浮渣積累，缺點(diǎn)為基建費(fèi)較高，且缺少足夠的氣體貯存空間[17]。

污泥厭氧消化一體化罐體在國內(nèi)應(yīng)用較多的為利浦(Lipp)罐，其具有施工周期短、造價(jià)相對較低、占地小等優(yōu)點(diǎn)。該一體化裝備建造過程中薄鋼板(2～4 mm厚)通過上下層之間的咬合形式螺旋上升，按“螺旋、雙折邊、咬合”工藝可建造成體積為100～5 000 m3的罐體[18]。罐基礎(chǔ)底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同罐體嵌固式連接，并密封處理[19-20]。Lipp罐一體化厭氧消化設(shè)施宜建成地上式，基礎(chǔ)底板為淺埋式；在一體化厭氧罐運(yùn)行過程中，罐內(nèi)泥位相對較高，罐體及底板受力都較大；另厭氧罐下部設(shè)有的人孔、進(jìn)料管、排渣管、循環(huán)管等工藝管道接口將使得罐底結(jié)構(gòu)處于不利條件，因此在厭氧罐底部通常會(huì)設(shè)置一道環(huán)形圈梁，以限制罐體的變形。

(2)進(jìn)料裝備——投配池中的污泥經(jīng)污泥泵抽送到消化池，目前主流的污泥厭氧消化進(jìn)料系統(tǒng)為間歇進(jìn)料。近年來，隨著自控系統(tǒng)的逐漸重視，基于污泥流量質(zhì)量控制的自動(dòng)閥門廣泛用于消化系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)料控制。溢流管一般與進(jìn)料裝備配套建設(shè)，以保證厭氧消化系統(tǒng)中液面的平衡，溢流管的直徑至少為25 mm[17]。

(3)攪拌裝備——通常用于維持消化系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和避免砂石和浮渣沉積。攪拌裝備一般置于池中心，當(dāng)池子很大時(shí)，可設(shè)若干均布于池中的攪拌裝備。攪拌方法一般有泵攪拌和沼氣攪拌等[21]。

泵攪拌通常指用泵將消化污泥從池底抽出，經(jīng)泵加壓后送至浮渣層表面或者消化池的不同部位進(jìn)行循環(huán)攪拌，常與進(jìn)料系統(tǒng)和池外加熱系統(tǒng)合建，適用于小型消化池。沼氣攪拌是將消化池自身產(chǎn)生的一部分沼氣經(jīng)過壓縮機(jī)加壓后通過豎管或池底的擴(kuò)散器再送入消化池，達(dá)到混合攪拌的目的。沼氣攪拌有氣提式、豎管式、氣體擴(kuò)散式和射流器抽吸沼氣式等四種形式。氣提式攪拌是將沼氣壓入消化池導(dǎo)流管的中部或底部，使沼氣與消化液混合，含氣泡的污泥即沿導(dǎo)流管上升，起提升作用，使池內(nèi)消化液不斷循環(huán)攪拌達(dá)到混合的目的；豎管式攪拌根據(jù)消化池直徑大小，在池內(nèi)均勻布置若干根豎管，經(jīng)過加壓的沼氣通過配氣總管分配到各根豎管，從下端吹出后起到攪拌作用；氣體擴(kuò)散式攪拌器是使經(jīng)過壓縮的沼氣通過氣體擴(kuò)散器與消化池內(nèi)污泥混合，起到攪拌作用；射流式抽吸沼氣攪拌是用污泥泵從消化池直筒壁的三分之二處抽吸污泥，污泥抽出后壓入水射器的噴嘴，當(dāng)污泥射入水射器的喉管時(shí)，形成很大的負(fù)壓，經(jīng)過射流器抽吸池頂?shù)恼託?，然后將混合污泥與沼氣射入消化池底，形成攪拌循環(huán)。

(4)沼氣收集裝備——用于收集存儲厭氧消化過程產(chǎn)生的沼氣，其有效容積可按日均產(chǎn)氣量的25%～40%來計(jì)算。大型污泥消化系統(tǒng)取低限，小型污泥消化系統(tǒng)取高限。按照儲氣壓力的大小可分為低壓式和中壓式兩種[21]。

(5)沼氣凈化裝備——通常情況下包括沼氣的脫水、脫硫、脫二氧化碳過程。

沼氣脫水常見的方法有兩種：氣水分離器和凝水器。氣水分離器一般安裝在輸送氣系統(tǒng)管道上、脫硫塔之前，沼氣從側(cè)向進(jìn)入氣水分離器，經(jīng)過氣水分離器后從上部離開進(jìn)入沼氣管網(wǎng)；沼氣凝水器類似于城市煤氣管道的凝水器，一般安裝在輸送氣管道的埋地管網(wǎng)中，按照地形與長度在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b[22]。

沼氣中的硫化氫可通過脫硫洗滌塔去除，其可分為干式和濕式兩種。在常用的干式洗滌塔中一般裝填有飽和三氧化二鐵，俗稱海綿鐵。濕式洗滌塔一般用堿性液體來吸收硫化氫，該方法具有可長期連續(xù)運(yùn)行、運(yùn)行費(fèi)用低、需要專人值守、裝備需要保養(yǎng)的特點(diǎn)[17,23]。沼氣中的二氧化碳則主要通過堿液吸收去除。

(6)沼氣安全裝備——包括消焰器、安全閥、廢沼氣燃燒器、滴漏閥、氣壓指示表、冷凝液和沉渣貯存器、引火燃燒室和低壓逆止閥等[21]?？諝庵械恼託膺_(dá)到一定濃度時(shí)具有毒性，達(dá)到一定的濃度比例后遇到明火有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須對沼氣安全裝備予以高度重視。

3 單元技術(shù)優(yōu)勢及組合的必要性

3.1 污泥熱水解技術(shù)的優(yōu)勢

污泥熱水解技術(shù)具有如下優(yōu)勢。

(1)安全性：污泥熱水解在反應(yīng)釜中完成，無粉塵產(chǎn)生，運(yùn)行狀況良好的裝備不存在爆炸危險(xiǎn)。

(2)環(huán)保性：污泥熱水解反應(yīng)在密閉反應(yīng)器中進(jìn)行，能迅速完成殺菌和除臭過程，后續(xù)污泥處理不會(huì)產(chǎn)生異味問題；另污泥處于高溫(160～190 ℃)高壓(約1.5 MPa)環(huán)境下，細(xì)菌、病毒等基本均被滅活，因此經(jīng)消化處理后的污泥細(xì)菌指標(biāo)可達(dá)到美國EPA503中A級農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。

(3)資源化：熱水解過程中，污泥中的有機(jī)物得到釋放，增加了污泥中有機(jī)質(zhì)(特別是可溶性有機(jī)物)的含量，強(qiáng)化了污泥的可生化性能，能很好地解決我國污泥中有機(jī)質(zhì)含量較低的問題。

(4)高效性：通過蒸汽對污泥間接加壓加熱，可破壞污泥有機(jī)物高分子結(jié)構(gòu)、膠體絮體等固相物質(zhì)的持水結(jié)構(gòu)；污泥熱水解預(yù)處理也可提高消化速率，減少污泥消化時(shí)間(15～18 d)；另熱水解后污泥的流動(dòng)性更強(qiáng)，可提高進(jìn)入消化池的污泥濃度(含固率可>10%)，減小約1/3的消化池容積。

3.2 污泥厭氧消化技術(shù)的優(yōu)勢

污泥在厭氧消化過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)污泥中有機(jī)物的高效能源化轉(zhuǎn)化，其主要的優(yōu)勢如下。

(1)無害化：污泥在厭氧消化過程中，較高的溫度(中溫37 ℃，高溫75 ℃)能夠?qū)崿F(xiàn)污泥中病原體的殺滅，并使得部分重金屬鈍化，處理后的污泥泥質(zhì)明顯改良。

(2)減量化：污泥經(jīng)良好的厭氧消化后，有機(jī)物去除率將達(dá)到40%～50%，體積也將減少為原來的30%～50%，減量化效果明顯。

(3)能源化：污泥在厭氧消化過程中單位質(zhì)量揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)氣量可達(dá)0.5～0.75 L/(g VS)。如大連夏家河污泥厭氧消化工程每日產(chǎn)氣量達(dá)3萬m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 污泥熱水解和污泥厭氧消化技術(shù)結(jié)合的必要性

由于我國污泥中有機(jī)質(zhì)含量的平均值低于歐美等發(fā)達(dá)國家，傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)在處理污泥的過程中存在產(chǎn)氣率較低、運(yùn)行效率低下等問題，部分污泥厭氧消化設(shè)施存在穩(wěn)定運(yùn)行難、系統(tǒng)易崩潰等現(xiàn)象。我國已建成的污泥厭氧消化裝備近50座，這些已經(jīng)存在的污泥厭氧消化裝備正常運(yùn)行的不足20座，與國外有明顯的差距。為了保證整個(gè)污泥厭氧消化系統(tǒng)的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和無害化處理處置，采用合理的預(yù)處理技術(shù)勢在必行。目前常用的污泥預(yù)處理技術(shù)主要包括堿處理、熱水解、超聲等。

熱水解由于其良好的污泥破壁能力、高效的脫臭能力、優(yōu)良的污泥病原體殺滅功能等，被廣泛應(yīng)用于污泥的厭氧消化技術(shù)的預(yù)處理過程。污泥經(jīng)過熱水解預(yù)處理之后，微生物絮體解體，微生物細(xì)胞破碎，胞外聚合物(EPS)中呈聚合結(jié)構(gòu)的有機(jī)物大量釋放并進(jìn)入上清液，進(jìn)入上清液中的該部分有機(jī)物分子量較小、易于生物降解；因此，熱水解提高了污泥的可生物降解性，將使得污泥厭氧消化的有機(jī)物去除率提高，甲烷產(chǎn)量增加，污泥的脫水性能改善[24]。第二，該工藝對污泥餅中病原菌的殺滅使得處理后污泥的處置途徑趨于多樣化。此外，熱水解將提升污泥的脫水性能，有效提高消化反應(yīng)池的含固率，減少消化池的土建投資和運(yùn)行費(fèi)用。

4 實(shí)際處理工程應(yīng)用

長沙市污水處理廠污泥集中處置工程近期(2015年)建設(shè)規(guī)模為500 t/d，遠(yuǎn)期(2020年)建設(shè)規(guī)模為1 000 t/d，采用“熱水解+污泥厭氧消化+脫水+干化”工藝。干化后污泥按照《城鎮(zhèn)污水處理污泥處置 混合填埋用泥質(zhì)》(GB/T 23485—2009)的要求，作為垃圾填埋場覆蓋土的添加料。近期工程處理污泥量為434 t/d，餐廚垃圾處理量為66 t/d。污泥指標(biāo)：進(jìn)泥含水率為80%，進(jìn)泥有機(jī)物含量為45%。上述處理處置后的污泥在后續(xù)板框脫水中，含固率可將至40%以上。工程總投資37 785.36萬元，單位生產(chǎn)成本為347.9元/t濕污泥。

圖3 污泥熱水解+厭氧消化系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Sludge Thermal Hydrolysis and Anaerobic Digestion Combined System

5 工程建設(shè)展望

隨著我國污泥處理處置工作的不斷推進(jìn)，污泥熱水解+厭氧消化技術(shù)有望在污泥治理工程中扮演重要的角色。為了更好地發(fā)揮上述組合工藝的優(yōu)勢，本文為今后污泥熱水解+厭氧消化工程的建設(shè)提出如下建議：

(1)充分重視我國污泥泥質(zhì)特性，做好污泥除砂和運(yùn)行過程中的砂沉降防治工作，建議通過加強(qiáng)沉砂池運(yùn)行效能和強(qiáng)化攪拌的方式對上述問題進(jìn)行解決；

(2)結(jié)合不同地域的污泥特性，構(gòu)造多形式的污泥水熱裝置；

(3)充分利用熱水解余熱，探索污泥熱水解+厭氧消化工藝能源梯級利用的新模式，做到能源的高效回收；

(4)探索污泥熱水解和堿處理等其他預(yù)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)物的進(jìn)一步溶出。