深度脫水作為污泥好氧發(fā)酵前處理技術(shù)的能耗分析

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 110000)

0 引言

隨著我國工業(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城市發(fā)展不可避免的問題[1-4]。市政污泥中含有豐富的有機質(zhì)，易腐敗發(fā)臭，并且含有多種重金屬、寄生蟲卵、病原微生物和多環(huán)芳烴等有害污染物，若處理不當(dāng)，將會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

如何對市政污水處理廠產(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。脫水主要包括機械脫水和干化，常規(guī)的機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方法組合成的具體處理流程[5-7]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的污泥無害化處置工程中，采用好氧發(fā)酵作為污泥處理工藝路線所占的市場比例為27.6%。近年來，我國新建的市政污泥好氧發(fā)酵工程已開始向機械化智能化控制方向邁進(jìn)，并有效緩解了當(dāng)?shù)氐奈勰嗵幚硖幹脝栴}。目前針對污泥好氧發(fā)酵過程中影響因素的研究較多，然而對污泥好氧發(fā)酵工程的運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)酵工程運行成本的重要組成部分，行業(yè)內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)報道較少。

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)酵工程作為研究對象，調(diào)查污泥深度脫水前后的能耗情況，并對主要能耗環(huán)節(jié)進(jìn)行識別。通過前后對比，探究了深度脫水對污泥好氧發(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)酵工程簡介

泰安第一污水處理廠1989年籌建，1990年開工，1993年初投入正常運行，主要接納處理市區(qū)生活污水，處理規(guī)模為5萬t/d，主體工藝為多級多段AO工藝。泰安第一污水處理廠污泥深度處理車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。污泥車間主要分為三個功能區(qū)，分別為進(jìn)料區(qū)、發(fā)酵區(qū)和出料區(qū)。

項目總投資3 000萬元，于2020年開工，2021年4月正式運行，設(shè)計處理規(guī)模40 t。主體設(shè)備為兩臺智能高溫好氧發(fā)酵罐，單臺發(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)置定時攪拌；底部有兩臺送風(fēng)風(fēng)機，可設(shè)置定時及變頻送風(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，前端連接一臺引風(fēng)機，可設(shè)置定時及變頻引風(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，送入帶式脫水機進(jìn)行脫水，脫水后污泥含水率為68%～71%，送入污泥倉暫存。污泥、輔料、菌種按比例送入混料機，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，通過輸送系統(tǒng)輸送至滾筒篩進(jìn)行篩分，篩下物送入成品庫陳化，發(fā)酵后的產(chǎn)品顆粒松散、無明顯異味，各項指標(biāo)均符合國家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)計各單元主要設(shè)備的裝機功率、每日的污泥處理量及設(shè)備工作時間，通過各單元控制柜內(nèi)電量表記錄每日各單元耗電量；統(tǒng)計一批次處理的濕污泥量、使用的輔料用量及調(diào)理劑用量，計算每噸濕污泥所用的物耗量。

3 用電設(shè)備裝機功率

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)備裝機功率如表1所示。

表1 各單元主要用電設(shè)備功率統(tǒng)計表

4 結(jié)果與分析

4.1 工程運行電耗

對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，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、超超高壓脫水機、輸送設(shè)備、存儲設(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、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)計表

綜上可知，增加深度脫水系統(tǒng)前后，風(fēng)機均為最主要的耗能點。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好氧發(fā)酵工程能耗，也提出曝氣鼓風(fēng)機和除臭離心風(fēng)機是城市發(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、超超高壓脫水機也成為新的主要耗能點，均為節(jié)能降耗途徑的重點。

4.2 工程運行物耗

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，近年來農(nóng)作物副產(chǎn)品價格不斷上漲，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，來源廣泛、價格低廉、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，無需添加輔料，節(jié)約了輔料成本80元。同時由于無需添加輔料，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)濟性。

表3 能耗成本統(tǒng)計表

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)過實際驗證，采用純泥發(fā)酵時，含水率必須控制在50%左右，含水率過高時，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)酵周期過長；污泥含水率控制在50%時進(jìn)罐，進(jìn)罐前12 h無需開啟攪拌、可少量通風(fēng)，溫度升高后可適當(dāng)加大通風(fēng)、攪拌定時，開始進(jìn)入除水階段，經(jīng)過1～2 d的除水可正常出料；整個發(fā)酵過程中應(yīng)遵循少攪拌原則，過量攪拌易導(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)施對環(huán)境友好、占地、機械化程度提出了更高的要求。市場上已出現(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、減量化及無害化的要求，從能耗分析具有極大優(yōu)勢。該工藝的首要因素是要控制污泥含水率，實現(xiàn)污泥的深度脫水。

我國常用的脫水設(shè)備為帶式脫水機、離心脫水機和板框壓濾機等，脫水后含水率可降低至70%～82%，但無法達(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，但石灰的添加會影響植物發(fā)芽和生長，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

（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)機均為主要耗能點，是節(jié)能降耗途徑的重點。

（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)濟效益。