保定市城鎮污水處理廠污泥處理中心項目的工藝選擇

劉溪

摘 要：為解決保定市污水廠的污泥出路問題，通過對污泥處理幾種方法的對比分析，結合保定市的現狀，確定了處理工藝的方案。工程可將含固率10%污泥進行消化，節約了土地，并產生能源沼氣。同時利用污水源熱泵技術，將提溫熱水作為沼氣鍋爐補給水，實現資源回用。

關鍵詞：厭氧消化、沼氣、板框脫水機、水源熱泵、磷酸氨鎂

一、項目概況

保定地處環海灣經濟開發區中的京、津、保三角地區，主城區312平方公里，人口119.4萬人。設有銀定莊、溪源、魯崗三座城市污水處理廠。總處理污水能力32萬噸/天，日產污泥約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%后送政府有關部門認可的空地進行簡易防護后堆放。由于污泥含水率過高等原因，達不到相關標準的要求[1]，垃圾填埋場已拒收污水廠的污泥。保定排水總公司根據實際情況，積極組織建設污泥處理中心，以此解決困擾著污水廠正常運行的污泥出路問題。

保定市污泥處理項目采用厭氧消化（產沼氣）+高干脫水工藝，處理規模300噸/日（80%含水率污泥），日產沼渣150噸（60%含水率）。消化階段可日產沼氣約10000方，部分轉化為熱能為消化系統保溫，剩余沼氣經提純為天然氣后，外供給廠外汽車加氣站。以實現污泥的資源化利用。

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程中產生的污泥通過減容、減量、穩定以及無害化的過程。污泥處理工藝主要有好氧發酵制肥、焚燒、石灰干化穩定、厭氧消化（產沼氣）等，為確定最終的處理工藝，我們分別對其進行了考察實驗分析：

（一）好氧發酵制肥

采用好氧發酵制肥方式，每天需向300噸污泥中添加秸稈約30噸（相當于60畝地的產秸稈數量）用來構建骨架結構和調節工藝所需碳氮比。經在保定周邊縣區調研了解，隨著農民對秸稈回收利用資源價值的認識逐步提高，目前農田秸稈機械化收割時就地還田比例越來越高，且保定奶牛養殖業發達，其已消化了大部分秸稈，而且秸稈收購季節性很強，足量穩定的秸稈供應難以保證。除秸稈外，其它種類輔料如花生殼、鋸末等在保定市周邊也不具備足量供應條件。同時，隨著工業廢水在進水中比例的提高（由建廠之初的40%提高到了后來的60%），污水廠的泥質發生了變化，按目前我國肥料市場的管理實際，污泥制肥及營養土制品的用量不易控制，保定市人多地少，土地資源緊張，為防范污染轉移風險，所以必須限制污泥農用。因此，保定市污泥處理未采用好氧發酵制肥方案。

（二）焚燒

焚燒方式，減量化效果最好，但是單獨建設干化焚燒設施運行成本過高（直接運營成本在300元/噸以上），不符合保定市實際情況。曾考慮利用保定大唐西郊熱電廠流化床鍋爐對污泥進行摻燒，但大唐電廠距市區較近，隨著國家環保部門對火電項目的要求日益嚴格，電廠機組存在關停、搬遷的可能。另外，為應對電廠鍋爐檢修期間的污泥處理，需配套建設占地50畝的污泥中轉儲存場地。因此在客觀條件制約下，焚燒方案不可行。

（三）石灰干化穩定

石灰干化穩定需向污泥中投加20%-30%的生石灰，用石灰穩定后的污泥可實現消毒穩定、并提高污泥的含固率，處理后的污泥進行填埋可阻止污染物質進入環境，但處理過程需要大量的石灰物料消耗和土地資源的消耗，且不能實現資源的回收利用，長遠來看，也制約了污泥將來土地利用的可能性。

（四）厭氧消化（產沼氣）

厭氧消化是指利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機物質，是實現污泥穩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在：

1、污泥穩定化。對有機物進行降解，使污泥穩定化，不會腐臭，避免在運輸及最終處置過程中對環境造成不利影響；

2、污泥減量化。通過厭氧過程對有機物進行降解，減少污泥量，同時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、消化過程中產生沼氣。它可以回收生物質能源，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家對污泥穩定化相關指標的要求[3]。

（五）工藝選定

通過對上述工藝的對比，并結合保定的實際情況，本項目工藝定為厭氧消化（產沼氣）+高干脫水。將市區三座污水廠產生污泥運至污泥處理中心，調配成含固率10%的污泥，經中溫厭氧消化反應，產生沼氣，部分沼氣優先用于滿足污泥消化本身的加熱和保溫，其余沼氣凈化提純為天然氣后外售，剩余污泥經板框脫水機處理，脫水至含水率60%后衛生填埋。（工藝流程圖見圖1）

該工藝運行經驗成熟，有機物分解率高，污泥減量化程度高，運行費用低，不需另外補充能源，還可產生清潔能源沼氣，對節能減排貢獻突出。

（六）實驗論證

為驗證保定污泥泥質厭氧消化產沼氣的效果，確定合理的工藝參數。項目組于2013年12月組織相關專家進行了污泥消化中試實驗（見圖2）。

根據實驗數據統計（見表2），實驗中混合污泥的VSS/SS為58.2%，考慮到現有污水廠提標改造工程的繼續進行，污水在生化池中停留時間延長，污泥齡增加，污水中有機污染物降解率提高，并參考國內城市污水處理廠污泥有機物比例的多在45～55%的情況，所以本項目最終確定污泥中有機成分含量按照50%進行設計。

實驗中混合污泥經消化處理后，有機物含量降解率平均值為49%，考慮到中試試驗因罐體較小，所以在污泥攪拌、污泥加熱保溫等方面的條件均強于實際工程中的大型罐體，因此在項目中有機物降解率設計為45%。

根據實驗中數據計算出平均產氣率為0.8m3gas/kgorge，考慮到小型罐體由于試驗條件優于實際運行工況，所以在產氣率上適當留有余地，最終產氣率取值0.701 m3gas/kgorge。

通過實驗發現，厭氧消化工藝可降解污泥中的有機物，實現污泥的穩定化。消化過程產生沼氣，實現了污泥的資源化利用。厭氧消化作為一種負碳排放的污泥處理方式，考慮到保定市是世界自然基金會認定的低碳試點城市，結合保定的實際情況，項目選擇了厭氧消化為主的處理方式。

三、污泥調配

項目確定選擇厭氧消化處理工藝后，經設計院4計算得出，進泥含水率為90%時，處理效果最優，處理成本最經濟。由于魯崗污水處理廠距離項目地點15公里，污泥需脫水到含水率80%后，通過汽車運輸到污泥處理中心。而溪源、銀定莊污水廠距離項目地點僅有200米，為滿足進泥含水率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，在不繼續加水的前提下混合污泥直接達到90%的含水率（調配方式見表3）。

四、沼氣利用

污泥經厭氧消化處理，將產生一定量的沼氣，沼氣是一種優質

清潔能源，應合理利用。依據污泥消化中試實驗數據，對沼氣利用系統進行了方案設計和熱平衡計算，

1、沼氣產量（根據中試實驗參數）：

混合污泥中有機物含量=50%；

有機物降解率=45%；

產氣率=0.701 m3gas/kgorge；

干污泥量=60噸/天

Q=60×1000×50%×45%×0.701=9463 m3/d

為增加有機物分解率和沼氣產量，工程增加了超聲波污泥處理器，可將產氣量增加7%以上，最終產氣量如下：

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，剩余沼氣經過脫除沼氣中CO2、H2S和少量N2、O2、H2O后，凈化提純為符合《車用壓縮天然氣》標準的天然氣（見表4），外售給廠區外的汽車加氣站。

結合本項目的沼氣中硫含量6000ppm的特點及項目實際需求及后續工藝要求，我們對脫硫方式進行了比較（見表5），最終采用濕法脫硫工藝加干法脫硫工藝。同時對脫碳技術進行對比（見表6）后發現，化學吸附具有甲烷回收率高、抗沖擊能力強、運行穩定、排放廢氣中甲烷含量最低等優勢，所以本工程選擇化學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%的衛生填埋要求，我們對幾種機械脫水方式進行比較發現，只有板框壓濾機能達到要求。

板框壓濾機系由一定數量的板框串連組成，在每兩塊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的一端進入壓濾機，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；當污泥含水率降到一定程度時板框逐塊分開，脫水后的污泥剝落下來由輸送機運出；所有污泥排出后再進行下一次脫水工作過程。

板框壓濾機的優點是脫水后泥餅含水率較低、衛生條件較好，能夠滿足國家對污泥的衛生填埋要求所以確定本工程采用板框脫水機對污泥進行脫水。

六、廠區內供暖及制冷方法的選擇

污水源熱泵空調機組是利用低溫水作為熱源，進行能量轉換的熱泵系統。因本工程可利用廠區原生污水為熱源，通過污水換熱器獲取低溫水。為節省能源消耗，實現污水的資源化利用，本工程選擇了水源熱泵空調機組實現廠區冬季供暖和夏季制冷。

經測算冬季采暖熱負荷約：370kW，夏季供冷冷負荷約：250kW ，除上述采暖負荷，熱負荷部分還包括將廠區鍋爐房給水加熱的部分，被加熱軟化水設計水量為2t/h，進出水溫度為10℃/40℃。

利用水源熱泵空調機組，一次性投資，并且機組熱源溫度穩定，維護費用較低，保證了系統的高效性和經濟性。同時，機組供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排污、溫室氣體等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗等。

七、項目效益

污泥處理項目采用厭氧消化+高干脫水工藝，年處理污泥約11萬噸（按含水率80%計），相當于年減排二氧化碳5913噸。厭氧消化工藝年均產沼氣365萬立方，所產沼氣除本廠加熱污泥自用外，剩余的沼氣凈化為車用天然氣。高干脫水較徹底解決了污泥對環境的污染問題，節省了原高含水率污泥填埋所需的土地。實現了以廢治廢，節能減排及循環經濟的目標。

項目的建設符合保定市“低碳、高端、協調、善美”的城市發展方向，建成運行后，將實現污泥處理的穩定化、減量化、資源化。解決困擾保定市污水廠運行的一大難題，消除污泥棄置的污染隱患，改善居民生存環境，同時也是對國內污水廠污泥處理方式的有益補充。

八、未來探索

污泥脫水時產生的污泥水內的磷濃度高，溶解性較差的鹽類導致產生過度飽和的溶液，壓力或溫度的變化會使pH 值上升， 從而各種鹽類根據相應的溶解度產生沉淀現象。產生的沉積物質即為磷酸氨鎂（鳥糞石） 結晶體，其可造成污泥固含量低和絮凝劑消耗量大，導致污水處理廠內部返回負荷很高。

經市場調查，目前鳥糞石的市場價格在34000元/噸左右，我們期待有一種提磷工藝，可防止產生結晶沉淀現象，提高污泥脫水效果，阻止PO4 返送負荷，實現污泥的資源化利用。

參考文獻：

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

[2]參考《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南》.

[3]參考《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918.

[4]中國市政工程華北設計研究總院.

[5]《保定市城鎮污水處理廠污泥處理中心項目初步設計》.