保定市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理中心項(xiàng)目的工藝選擇

劉溪

摘 要：為解決保定市污水廠的污泥出路問(wèn)題，通過(guò)對(duì)污泥處理幾種方法的對(duì)比分析，結(jié)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(jìn)行消化，節(jié)約了土地，并產(chǎn)生能源沼氣。同時(shí)利用污水源熱泵技術(shù)，將提溫?zé)崴鳛檎託忮仩t補(bǔ)給水，實(shí)現(xiàn)資源回用。

關(guān)鍵詞：厭氧消化、沼氣、板框脫水機(jī)、水源熱泵、磷酸氨鎂

一、項(xiàng)目概況

保定地處環(huán)海灣經(jīng)濟(jì)開(kāi)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(wàn)人。設(shè)有銀定莊、溪源、魯崗三座城市污水處理廠?？偺幚砦鬯芰?2萬(wàn)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(guān)部門(mén)認(rèn)可的空地進(jìn)行簡(jiǎn)易防護(hù)后堆放。由于污泥含水率過(guò)高等原因，達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]，垃圾填埋場(chǎng)已拒收污水廠的污泥。保定排水總公司根據(jù)實(shí)際情況，積極組織建設(shè)污泥處理中心，以此解決困擾著污水廠正常運(yùn)行的污泥出路問(wèn)題。

保定市污泥處理項(xiàng)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(zhuǎn)化為熱能為消化系統(tǒng)保溫，剩余沼氣經(jīng)提純?yōu)樘烊粴夂螅夤┙o廠外汽車(chē)加氣站。以實(shí)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(guò)程中產(chǎn)生的污泥通過(guò)減容、減量、穩(wěn)定以及無(wú)害化的過(guò)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(duì)其進(jìn)行了考察實(shí)驗(yàn)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(dāng)于60畝地的產(chǎn)秸稈數(shù)量）用來(lái)構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)工藝所需碳氮比。經(jīng)在保定周邊縣區(qū)調(diào)研了解，隨著農(nóng)民對(duì)秸稈回收利用資源價(jià)值的認(rèn)識(shí)逐步提高，目前農(nóng)田秸稈機(jī)械化收割時(shí)就地還田比例越來(lái)越高，且保定奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，其已消化了大部分秸稈，而且秸稈收購(gòu)季節(jié)性很強(qiáng)，足量穩(wěn)定的秸稈供應(yīng)難以保證。除秸稈外，其它種類(lèi)輔料如花生殼、鋸末等在保定市周邊也不具備足量供應(yīng)條件。同時(shí)，隨著工業(yè)廢水在進(jìn)水中比例的提高（由建廠之初的40%提高到了后來(lái)的60%），污水廠的泥質(zhì)發(fā)生了變化，按目前我國(guó)肥料市場(chǎng)的管理實(shí)際，污泥制肥及營(yíng)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(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)，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(dú)建設(shè)干化焚燒設(shè)施運(yùn)行成本過(guò)高（直接運(yùn)營(yíng)成本在300元/噸以上），不符合保定市實(shí)際情況。曾考慮利用保定大唐西郊熱電廠流化床鍋爐對(duì)污泥進(jìn)行摻燒，但大唐電廠距市區(qū)較近，隨著國(guó)家環(huán)保部門(mén)對(duì)火電項(xiàng)目的要求日益嚴(yán)格，電廠機(jī)組存在關(guān)停、搬遷的可能。另外，為應(yīng)對(duì)電廠鍋爐檢修期間的污泥處理，需配套建設(shè)占地50畝的污泥中轉(zhuǎn)儲(chǔ)存場(chǎng)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(shí)現(xiàn)消毒穩(wěn)定、并提高污泥的含固率，處理后的污泥進(jìn)行填埋可阻止污染物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，但處理過(guò)程需要大量的石灰物料消耗和土地資源的消耗，且不能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也制約了污泥將來(lái)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(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)物質(zhì)，是實(shí)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(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，使污泥穩(wěn)定化，不會(huì)腐臭，避免在運(yùn)輸及最終處置過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成不利影響；

2、污泥減量化。通過(guò)厭氧過(guò)程對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，減少污泥量，同時(shí)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(guò)程中產(chǎn)生沼氣。它可以回收生物質(zhì)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(guó)家對(duì)污泥穩(wěn)定化相關(guān)指標(biāo)的要求[3]。

（五）工藝選定

通過(guò)對(duì)上述工藝的對(duì)比，并結(jié)合保定的實(shí)際情況，本項(xiàng)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(yùn)至污泥處理中心，調(diào)配成含固率10%的污泥，經(jīng)中溫厭氧消化反應(yīng)，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)樘烊粴夂笸馐郏Ｓ辔勰嘟?jīng)板框脫水機(jī)處理，脫水至含水率60%后衛(wèi)生填埋。（工藝流程圖見(jiàn)圖1）

該工藝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟，有機(jī)物分解率高，污泥減量化程度高，運(yùn)行費(fèi)用低，不需另外補(bǔ)充能源，還可產(chǎn)生清潔能源沼氣，對(duì)節(jié)能減排貢獻(xiàn)突出。

（六）實(shí)驗(yàn)論證

為驗(yàn)證保定污泥泥質(zhì)厭氧消化產(chǎn)沼氣的效果，確定合理的工藝參數(shù)。項(xiàng)目組于2013年12月組織相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了污泥消化中試實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2），實(shí)驗(yàn)中混合污泥的VSS/SS為58.2%，考慮到現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造工程的繼續(xù)進(jìn)行，污水在生化池中停留時(shí)間延長(zhǎng)，污泥齡增加，污水中有機(jī)污染物降解率提高，并參考國(guó)內(nèi)城市污水處理廠污泥有機(jī)物比例的多在45～55%的情況，所以本項(xiàng)目最終確定污泥中有機(jī)成分含量按照50%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)中混合污泥經(jīng)消化處理后，有機(jī)物含量降解率平均值為49%，考慮到中試試驗(yàn)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(qiáng)于實(shí)際工程中的大型罐體，因此在項(xiàng)目中有機(jī)物降解率設(shè)計(jì)為45%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)計(jì)算出平均產(chǎn)氣率為0.8m3gas/kgorge，考慮到小型罐體由于試驗(yàn)條件優(yōu)于實(shí)際運(yùn)行工況，所以在產(chǎn)氣率上適當(dāng)留有余地，最終產(chǎn)氣率取值0.701 m3gas/kgorge。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，厭氧消化工藝可降解污泥中的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化。消化過(guò)程產(chǎn)生沼氣，實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化利用。厭氧消化作為一種負(fù)碳排放的污泥處理方式，考慮到保定市是世界自然基金會(huì)認(rèn)定的低碳試點(diǎn)城市，結(jié)合保定的實(shí)際情況，項(xiàng)目選擇了厭氧消化為主的處理方式。

三、污泥調(diào)配

項(xiàng)目確定選擇厭氧消化處理工藝后，經(jīng)設(shè)計(jì)院4計(jì)算得出，進(jìn)泥含水率為90%時(shí)，處理效果最優(yōu)，處理成本最經(jīng)濟(jì)。由于魯崗污水處理廠距離項(xiàng)目地點(diǎn)15公里，污泥需脫水到含水率80%后，通過(guò)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)轿勰嗵幚碇行?。而溪源、銀定莊污水廠距離項(xiàng)目地點(diǎn)僅有200米，為滿足進(jìn)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(dá)到90%的含水率（調(diào)配方式見(jiàn)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(zhì)

清潔能源，應(yīng)合理利用。依據(jù)污泥消化中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)沼氣利用系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和熱平衡計(jì)算，

1、沼氣產(chǎn)量（根據(jù)中試實(shí)驗(yàn)參數(shù)）：

混合污泥中有機(jī)物含量=50%；

有機(jī)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(jī)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(guò)脫除沼氣中CO2、H2S和少量N2、O2、H2O后，凈化提純?yōu)榉稀盾?chē)用壓縮天然氣》標(biāo)準(zhǔn)的天然氣（見(jiàn)表4），外售給廠區(qū)外的汽車(chē)加氣站。

結(jié)合本項(xiàng)目的沼氣中硫含量6000ppm的特點(diǎn)及項(xiàng)目實(shí)際需求及后續(xù)工藝要求，我們對(duì)脫硫方式進(jìn)行了比較（見(jiàn)表5），最終采用濕法脫硫工藝加干法脫硫工藝。同時(shí)對(duì)脫碳技術(shù)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表6）后發(fā)現(xiàn)，化學(xué)吸附具有甲烷回收率高、抗沖擊能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、排放廢氣中甲烷含量最低等優(yōu)勢(shì)，所以本工程選擇化學(xué)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(duì)幾種機(jī)械脫水方式進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，只有板框壓濾機(jī)能達(dá)到要求。

板框壓濾機(jī)系由一定數(shù)量的板框串連組成，在每?jī)蓧K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(jī)的一端進(jìn)入壓濾機(jī)，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(lái)；當(dāng)污泥含水率降到一定程度時(shí)板框逐塊分開(kāi)，脫水后的污泥剝落下來(lái)由輸送機(jī)運(yùn)出；所有污泥排出后再進(jìn)行下一次脫水工作過(guò)程。

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

六、廠區(qū)內(nèi)供暖及制冷方法的選擇

污水源熱泵空調(diào)機(jī)組是利用低溫水作為熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)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(guò)污水換熱器獲取低溫水。為節(jié)省能源消耗，實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用，本工程選擇了水源熱泵空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)廠區(qū)冬季供暖和夏季制冷。

經(jīng)測(cè)算冬季采暖熱負(fù)荷約：370kW，夏季供冷冷負(fù)荷約：250kW ，除上述采暖負(fù)荷，熱負(fù)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(shè)計(jì)水量為2t/h，進(jìn)出水溫度為10℃/40℃。

利用水源熱泵空調(diào)機(jī)組，一次性投資，并且機(jī)組熱源溫度穩(wěn)定，維護(hù)費(fèi)用較低，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，機(jī)組供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排污、溫室氣體等污染；供冷時(shí)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(xiàng)目效益

污泥處理項(xiàng)目采用厭氧消化+高干脫水工藝，年處理污泥約11萬(wàn)噸（按含水率80%計(jì)），相當(dāng)于年減排二氧化碳5913噸。厭氧消化工藝年均產(chǎn)沼氣365萬(wàn)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(chē)用天然氣。高干脫水較徹底解決了污泥對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，節(jié)省了原高含水率污泥填埋所需的土地。實(shí)現(xiàn)了以廢治廢，節(jié)能減排及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

項(xiàng)目的建設(shè)符合保定市“低碳、高端、協(xié)調(diào)、善美”的城市發(fā)展方向，建成運(yùn)行后，將實(shí)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(yùn)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(shí)也是對(duì)國(guó)內(nèi)污水廠污泥處理方式的有益補(bǔ)充。

八、未來(lái)探索

污泥脫水時(shí)產(chǎn)生的污泥水內(nèi)的磷濃度高，溶解性較差的鹽類(lèi)導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)度飽和的溶液，壓力或溫度的變化會(huì)使pH 值上升， 從而各種鹽類(lèi)根據(jù)相應(yīng)的溶解度產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。產(chǎn)生的沉積物質(zhì)即為磷酸氨鎂（鳥(niǎo)糞石） 結(jié)晶體，其可造成污泥固含量低和絮凝劑消耗量大，導(dǎo)致污水處理廠內(nèi)部返回負(fù)荷很高。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，目前鳥(niǎo)糞石的市場(chǎng)價(jià)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(jié)晶沉淀現(xiàn)象，提高污泥脫水效果，阻止PO4 返送負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南》.

[3]參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918.

[4]中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院.

[5]《保定市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理中心項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》.