污泥生物干化工藝的工程實(shí)踐與分析＊

呼永鋒，梁 梅，張永祥

（1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044；3.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 工程背景概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)與生活水平不斷提高，城市污水處理量不斷增加，污泥量通常占污水量的0.3%～0.5%［1］，常見(jiàn)污泥的處置和綜合利用方法有土地利用、填埋、焚燒、投海等，但每種處置方法均存在一定的問(wèn)題［2-4］。近年來(lái)，各國(guó)紛紛尋找其他的污泥綜合利用途徑，這對(duì)污泥進(jìn)行無(wú)害化、資源化、減量化處理處置［5］，對(duì)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展都有重要意義。污泥脫水干化是污泥進(jìn)行資源化（土地利用、焚燒等）的前提，但常見(jiàn)的熱干化工藝投資和運(yùn)行費(fèi)用都很高，相對(duì)而言，采用高溫好氧發(fā)酵生物干化進(jìn)行污泥脫水干化更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能，消化程度越高，剩余消化污泥量越少［6-8］。郭松林等［5］對(duì)熱干化、好氧堆肥、生物干化費(fèi)用（以濕污泥計(jì)）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱干化（230～280 元/t）＞好氧堆肥（80～100 元/t）＞生物干化（60～80 元/t）。好氧發(fā)酵生物干化是在通風(fēng)供氧條件下，污泥中的微生物利用易降解有機(jī)物進(jìn)行好氧呼吸，滿足自身生長(zhǎng)繁殖需求的同時(shí)釋放出大量生物能。這部分能量可使混合物溫度顯著升高，通?？蛇_(dá)到55 ℃，最高可達(dá)到70 ℃以上。同時(shí)，微生物活動(dòng)還能使剩余活性污泥細(xì)胞中的束縛水釋放，更容易被加熱蒸發(fā)脫除。污泥中的水分在生物能的加熱下轉(zhuǎn)化為水蒸氣，通過(guò)自由擴(kuò)散和強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)入物料中的孔隙，再被風(fēng)機(jī)鼓入的干燥空氣帶出，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地脫水干化。干化后污泥最終可用于綠化覆蓋土、焚燒和填埋。

影響好氧發(fā)酵生物干化過(guò)程的因素復(fù)雜多樣，最重要的因素有：碳氮比和有機(jī)質(zhì)含量、污泥含水率、溫度和曝氣通風(fēng)等。通風(fēng)對(duì)生物干化具有重要作用，對(duì)混合物溫度、供氧和含水率的變化均有影響，又是主要能耗單元，對(duì)污泥好氧發(fā)酵既有積極作用也有負(fù)面作用［5］。污泥混合物使用通風(fēng)量范圍較寬，Ekinci［9］在風(fēng)量（以DM 計(jì)）為0.161 5～1.131 0 m3/（h·kg） 時(shí)進(jìn)行污泥和木屑堆肥研究，發(fā)現(xiàn)混合物產(chǎn)熱與風(fēng)量有較大的相關(guān)性。Navaee-Ardeh 等［10］認(rèn)為出氣流的溫濕度是影響脫水進(jìn)程的重要因素，氣體從混合物底部開始帶走水分，在穿梭過(guò)程中達(dá)到飽和，在到達(dá)頂部時(shí)無(wú)法吸收更多水分，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，干化的物料層不斷向頂層推進(jìn)，從而使含水率降低［9,11-12］。Wang 等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)量＞1 200 m3/d 時(shí)，混合物無(wú)法升溫，而在風(fēng)量＜1 200 m3/d 時(shí)，混合物含水率均下降至54%～55%。除了進(jìn)氣量，進(jìn)氣和出氣的溫濕度對(duì)混合物脫水進(jìn)程也有較大影響。Adani 等［13］通過(guò)控制風(fēng)量，維持堆體溫度在70、60、45 ℃，而最終脫水效率分別達(dá)到40.9%、66.5% 和66.7%，故認(rèn)為45 ℃為最佳溫度。實(shí)踐過(guò)程中可對(duì)混合物在不同溫度階段、不同輔料投加比例和自然氣候等條件下對(duì)干化過(guò)程通風(fēng)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。以某污泥無(wú)害化處理與資源化利用工程為例，詳細(xì)介紹該工程封閉槽式（半靜態(tài)）好氧發(fā)酵生物干化工藝、設(shè)備參數(shù)與運(yùn)行效果，并分析不同條件時(shí)通風(fēng)要求和優(yōu)化建議，可為同類型項(xiàng)目提供案例和技術(shù)參考。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 污泥好氧發(fā)酵處理工藝流程

污泥好氧發(fā)酵處理工藝流程見(jiàn)圖1。污水處理廠脫水后的剩余污泥運(yùn)至污泥處理廠，將濕污泥、輔料和返混料等混合后進(jìn)入發(fā)酵槽內(nèi)進(jìn)行好氧發(fā)酵生物干化?；旌衔锖士刂圃?5%～65%，碳氮比在20～30，混合物維持一定的孔隙率和碳氮比為水分脫除和微生物發(fā)酵提供良好的條件。

圖1 工藝流程示意Figure 1 Schematic of process flows

濕污泥以該工程周邊市政污水處理廠剩余污泥為主，污泥入廠處理時(shí)含水率不得高于80%，且不得含有大塊、硬質(zhì)雜物。返混料（污泥干化篩分后篩上大塊產(chǎn)物）含水率須低于40%，粒徑須大于15 mm。輔料（主要是稻殼、蘑菇渣、破碎后的秸稈等）含水率夏季不超過(guò)12%，冬季不超過(guò)15%，粒徑不超過(guò)10 mm。工藝運(yùn)行過(guò)程中返混料與濕污泥比例約為0.50∶1.00，輔料與濕污泥比例約為0.15∶1.00。污泥、返混料和輔料比例可根據(jù)外部環(huán)境和物料特性進(jìn)行調(diào)整。為保證物料好氧發(fā)酵過(guò)程中所需氧量，每條發(fā)酵槽設(shè)兩臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)向發(fā)酵槽內(nèi)混合物通風(fēng)曝氣，風(fēng)機(jī)通過(guò)人工或者自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制（設(shè)置溫度、氧氣探針監(jiān)測(cè)物料實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋給自控系統(tǒng)）。生物干化后期，對(duì)混合物進(jìn)行翻拋，以快速降低含水率、破碎混合物粒徑。發(fā)酵槽溢出氣體一部分經(jīng)生物除臭工藝處理達(dá)標(biāo)后排放，一部分經(jīng)水洗-光催化處理后供曝氣系統(tǒng)重復(fù)使用。

2.2 主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 發(fā)酵槽工藝及主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程采用封閉槽式（半靜態(tài)）好氧發(fā)酵工藝，處理規(guī)模為100 t/d，生產(chǎn)周期為20 d。系統(tǒng)主要構(gòu)筑物與設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要構(gòu)筑物與設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of main structures and equipments

2.2.2 輔助處理構(gòu)筑物及設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

濕污泥生物干化前須與輔料、返混料按比例混合、破碎，使進(jìn)入發(fā)酵車間的混合物具有適宜的含水率和孔隙度，保證好氧發(fā)酵過(guò)程順利進(jìn)行，避免厭氧發(fā)酵，減少發(fā)酵過(guò)程中的臭味產(chǎn)生。輔助處理構(gòu)筑物由預(yù)處理系統(tǒng)（混料系統(tǒng)）、篩分系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)等組成，其主要設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 輔助系統(tǒng)主要設(shè)備Table 2 Main equipments of auxiliary system

1）預(yù)處理系統(tǒng)構(gòu)筑物及設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)。

良好的預(yù)處理是保證發(fā)酵、干化效果的關(guān)鍵，預(yù)處理系統(tǒng)需要儲(chǔ)存?zhèn)溆幂o料和返混料，對(duì)污泥與輔料、返混料進(jìn)行混合，初步降低污泥含水率，提高混合物孔隙率。

2）篩分系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)。

混合物經(jīng)過(guò)20 d 發(fā)酵、干化緩存后送往篩分系統(tǒng)，篩分后將小粒徑的篩下物裝車外運(yùn)，大粒徑的篩上物送回預(yù)處理系統(tǒng)作為返混料儲(chǔ)存使用，返混料同時(shí)為發(fā)酵系統(tǒng)提供豐富的微生物菌群。

3）除臭系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［14］關(guān)于環(huán)境空氣功能區(qū)的分類，該區(qū)域所處位置為一類區(qū)，即“其他需要特殊保護(hù)的區(qū)域”，一類區(qū)執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)除臭要求標(biāo)準(zhǔn)較高，且除臭工藝應(yīng)設(shè)置應(yīng)急備用模式。該工程除臭采用3 種模式，即冬季模式（化學(xué)洗滌+植物液噴淋）、夏季及其他模式（化學(xué)洗滌+生物濾池）、應(yīng)急模式（化學(xué)洗滌+植物液噴淋+生物濾池）。

3 測(cè)試指標(biāo)與分析方法

總氮（TN），堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法；總磷（TP），過(guò)硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法；pH，玻璃電極法；含水率，重量法、實(shí)驗(yàn)室蒸干測(cè)試；Cu、Cr、Pb、K 等金屬離子，電感耦合等離子發(fā)射光譜法；溫度（T），數(shù)顯溫度計(jì)；生產(chǎn)車間內(nèi)設(shè)溫濕度、氨（NH3）和硫化氫（H2S）濃度在線監(jiān)測(cè)顯示儀表［15］。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 工藝控制條件與物料參數(shù)

分別選取污泥處理廠內(nèi)20# 、11#、15#發(fā)酵槽為監(jiān)測(cè)對(duì)象，保持相同的工藝與通風(fēng)條件，采用不同物料配比測(cè)定發(fā)酵槽內(nèi)混合物污泥含水率、溫度變化情況，工藝條件和物料混合參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 工藝條件Table 3 Process condition

表4 物料混合參數(shù)Table 4 Material mixing parameters

4.2 含水率與溫度變化特征

20#、11#、15#發(fā)酵槽內(nèi)混合物含水率變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 含水率變化特征Figure 2 Characteristics of moisture content variation

由于2 號(hào)翻拋機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，采用翻斗車倒槽至1 號(hào)生產(chǎn)線后進(jìn)行翻拋，后維持正常發(fā)酵工藝干化出槽。20#、11#、15#槽混合物污泥含水率在發(fā)酵初期第1～4 天時(shí)緩慢下降，到第5 天略微升高，從第6 天開始緩慢下降至發(fā)酵結(jié)束混合物出槽。入槽時(shí)3 個(gè)槽混合物平均含水率為66.4%，緩慢下降后至第4 天時(shí)平均含水率為62.7%，發(fā)酵第5 天時(shí)3 個(gè)槽內(nèi)混合物平均含水率均升高至約70%。兩次翻拋后平均含水率降低值大小為15#（4.5%）＞11#（4.3%）＞20#（3.4%）。

圖3 溫度變化特征Figure 3 Characteristics of temperature variation

入槽時(shí)20#、11#、15#槽內(nèi)混合物平均溫度為17.7 ℃，升溫至60 ℃所用時(shí)間長(zhǎng)短為11#（9 d）=20#（9 d）＞15#（8 d），所需時(shí)間基本一致。發(fā)酵高溫期內(nèi)3 個(gè)槽內(nèi)混合物溫度繼續(xù)升高，經(jīng)倒槽、翻拋后混合物內(nèi)溫度均下降，進(jìn)入降溫期。倒槽后混合物溫度下降范圍為20#（10 ℃）＞11#（8 ℃）＞15#（5 ℃），下降范圍與輔料投加量成正比，可知較高輔料和返混料投加率有利于倒槽時(shí)混合物溫度的迅速下降；翻拋后混合物溫度下降范圍基本一致，均為6 ℃，說(shuō)明輔料對(duì)翻拋導(dǎo)致的溫度下降影響有限。王春銘等［19］發(fā)現(xiàn)污泥堆肥工藝中、高溫好氧菌在第6 天達(dá)到最大值，中、高溫厭氧菌在第9 天達(dá)到最大值。第1～6 天以發(fā)酵時(shí)間為橫坐標(biāo)，20#，11#，15#槽內(nèi)混合物溫度為縱坐標(biāo)，采用線性擬合后R2分別為0.991 5、0.995 3、0.996 1，在升溫期內(nèi)混合物溫度梯度基本不變，說(shuō)明此時(shí)可能是好氧菌對(duì)混合物溫度升高起主要作用，從第7 天開始溫度梯度緩慢降低，到第9 天開始出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，說(shuō)明在高溫期內(nèi)（第7～10 天），厭氧菌可能對(duì)混合物溫度升高起主導(dǎo)作用，據(jù)此在高溫期曝氣頻率和強(qiáng)度應(yīng)低于升溫期。

4.3 干化主要產(chǎn)物

生物干化后污泥主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表5。與GB 4284—2018 農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)［20］指標(biāo)相比，其值均低于該標(biāo)準(zhǔn)要求限值，表明該工藝發(fā)酵后產(chǎn)物可應(yīng)用于園地、牧草地等。干化過(guò)程中濕污泥水分脫除后濕空氣中主要污染物為NH3、H2S，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣體污染物質(zhì)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，除臭系統(tǒng)對(duì)氣體脫臭處理?；旌衔锇l(fā)酵初期高濃度有機(jī)滲出液經(jīng)廠內(nèi)污水管進(jìn)入再生水廠處理后回用。

表5 監(jiān)測(cè)指標(biāo)Table 5 Testing index

5 成本經(jīng)濟(jì)分析

以冬季某月運(yùn)行數(shù)據(jù)核算該工藝運(yùn)行成本，該月處理污泥量為3 043.0 t，主要運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、油費(fèi)、輔料費(fèi)、監(jiān)測(cè)費(fèi)，不含人工費(fèi)，詳見(jiàn)表6，經(jīng)計(jì)算后污泥發(fā)酵運(yùn)行成本約為308.6 元/t。

表6 某月運(yùn)行成本Table 6 Operating cost in one month

該工程運(yùn)行費(fèi)用高于一般生物干化處理，其主要原因如下：①輔料費(fèi)較之前大幅增長(zhǎng)且全部依賴外運(yùn)；②由于特定地理位置空氣質(zhì)量要求較高導(dǎo)致除臭風(fēng)機(jī)的電費(fèi)較高。該月處理費(fèi)用中電費(fèi)占29.0%，輔料費(fèi)占66.5%，合計(jì)費(fèi)用占比超過(guò)95%。臭氣處理離心風(fēng)機(jī)功率合計(jì)120 kW，生產(chǎn)過(guò)程中臭氣處理離心風(fēng)機(jī)為整體滿負(fù)荷設(shè)計(jì)，且不得關(guān)停，否則嚴(yán)重影響周邊空氣質(zhì)量，成為該工程運(yùn)行過(guò)程中的主要固定成本?；旌衔锿L(fēng)曝氣風(fēng)機(jī)功率為150 kW（20×7.5 kW），通風(fēng)風(fēng)機(jī)為間隙曝氣，干化后降溫末期可停止曝氣自然干化。升溫期曝氣采用間斷曝氣，時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)混合物特征、自然環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，曝氣通風(fēng)電費(fèi)與除臭電費(fèi)相比，除臭電費(fèi)依然占主要比例。高溫期曝氣時(shí)長(zhǎng)和頻率均應(yīng)小于升溫期，降溫初期曝氣與升溫期基本一致，在降溫末期如含水率仍未達(dá)標(biāo)可適當(dāng)開啟曝氣風(fēng)機(jī)快速降低含水率。生產(chǎn)過(guò)程中控制輔料投加以節(jié)約可變成本，提高生產(chǎn)負(fù)荷率以提高運(yùn)行固定費(fèi)用效率。輔料費(fèi)、油費(fèi)與產(chǎn)生量密切相關(guān)，為可變成本。夏季適當(dāng)降低輔料比例可提高工程經(jīng)濟(jì)效益，冬季應(yīng)以保證產(chǎn)品質(zhì)量為主。

6 存在問(wèn)題與建議

空氣溫度決定空氣的絕對(duì)濕度，溫度越高，濕空氣的絕對(duì)飽和含水率也越高。在混合物種類和含水率確定的情況下，通風(fēng)策略影響混合物溫度和出口氣體濕度，從而影響水分?jǐn)U散和傳遞，是污泥發(fā)酵和脫水最重要的控制條件。增大新風(fēng)量有利于水分?jǐn)U散和對(duì)流，可以帶走混合物中大量水分，但同時(shí)也會(huì)帶走熱量，導(dǎo)致混合物溫度下降，空氣溫度和飽和濕度降低，影響脫水效率［21］。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)冬季（T<-5 ℃）夜間曝氣時(shí)長(zhǎng)超過(guò)5 min/30 min 時(shí)，混合物會(huì)存在結(jié)冰現(xiàn)象，夏季混合物曝氣時(shí)長(zhǎng)為15～30 min/30 min 時(shí)，混合物含水率快速下降，但夏季雨后由于濕度較大，曝氣時(shí)間也不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，不然混合物會(huì)再次返潮。因此夏季曝氣時(shí)長(zhǎng)和頻率可適當(dāng)加大，冬季冷空氣大量混入不利于混合物溫度維持和干化進(jìn)行，有必要對(duì)好氧發(fā)酵通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1）原通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。維持混合物溫度對(duì)脫除水分具有重要意義［8,10,13］，原通風(fēng)系統(tǒng)剖面示意見(jiàn)圖4 實(shí)線部分。冬季采用全新風(fēng)曝氣時(shí)混合物易結(jié)冰，減小通風(fēng)量后重新發(fā)酵需5～7 d 才能使溫度再次緩慢升高，發(fā)酵效率和脫水速率較低。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)示意Figure 4 Schematic of ventilation system

2）改造后通風(fēng)系統(tǒng)。原除臭系統(tǒng)水洗-光催化去濕除臭后熱風(fēng)送入翻拋車間內(nèi)，對(duì)混合物保溫作用不大。改造后將熱風(fēng)送入鼓風(fēng)機(jī)間，與自然風(fēng)混合后對(duì)混合物進(jìn)行通風(fēng)曝氣，提高通風(fēng)溫度，維持發(fā)酵槽內(nèi)混合物溫度，生產(chǎn)過(guò)程中可利用閥門開啟度控制熱空氣流量。另外，冬季需加大輔料和返混料比例以增加混合物自身發(fā)熱量，同時(shí)增大混合物孔隙率，通風(fēng)時(shí)更易帶走水分和熱量。

7 結(jié)論

該污泥處置工程生產(chǎn)過(guò)程中返混料∶輔料∶濕污泥比例約為0.50∶0.15∶1.00 時(shí)可滿足污泥干化需求。污泥生物干化過(guò)程中對(duì)混合物倒槽和翻拋可使含水率更快降低，最終含水率低于45%，達(dá)到干化出槽條件。提高輔料和返混料比例可使混合物水分更易脫除，也能使混合物溫度快速升高與降低。工藝運(yùn)行過(guò)程中冬季應(yīng)以維持混合物溫度為主，夏季可加大通風(fēng)量以提高生產(chǎn)效率?；旌衔锷郎仄谄貧鈺r(shí)長(zhǎng)為冬季白天（8：00—17：00）10 min/30 min，夜間（17：00—24：00—8：00）5 min/30 min。夏季升溫期，曝氣時(shí)長(zhǎng)和頻率高于冬季有利于縮短生產(chǎn)周期，高溫期曝氣時(shí)長(zhǎng)和頻率應(yīng)小于升溫期，降溫初期曝氣與升溫期基本一致，干化末期混合物翻拋時(shí)間間隔應(yīng)大于3 d。干化后污泥產(chǎn)物主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)均低于GB 4284—2018限值，可應(yīng)用于園地、牧草地等。該項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用約為308.6 元/t，高于一般生物干化工程，主要原因是輔料費(fèi)用較之前大幅增長(zhǎng)且全部依賴外運(yùn)，以及特定地理位置要求導(dǎo)致除臭排風(fēng)機(jī)電費(fèi)的固定費(fèi)用占比較高。通過(guò)改造排風(fēng)管道使通風(fēng)氣體利于生產(chǎn)效率提高。