罐式好氧發(fā)酵技術(shù)在污泥處置項(xiàng)目中的實(shí)際運(yùn)用

摘要：污泥是一種固體廢棄物，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，應(yīng)進(jìn)行妥善處置。四川省某污泥處置項(xiàng)目，運(yùn)用了一種以“好氧發(fā)酵罐”作為核心設(shè)備的好氧發(fā)酵工藝，并且設(shè)備具有噸投資相對(duì)較低、成本節(jié)約、占地面積小、環(huán)境友好的特點(diǎn)，處置后的污泥產(chǎn)品滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）的標(biāo)準(zhǔn)要求，總能耗為138.12kWh/d·t濕污泥，單位電耗除水率為2.42kg/kWh。該工藝與目前國(guó)內(nèi)污泥處置工藝的能耗水平相當(dāng)，綜合來(lái)看工藝運(yùn)行穩(wěn)定、處置效果良好，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：污泥處置；罐式好氧發(fā)酵；工程應(yīng)用

引言

城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生污泥（0.3%～0.5%以含水率97%計(jì)）[1]，而未經(jīng)處理的污泥是一種固體廢棄物且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。按照我國(guó)環(huán)境政策要求，污泥應(yīng)當(dāng)進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化和無(wú)害化處理，并以污泥無(wú)害化處理為核心[2]，在資源化利用為導(dǎo)向的前提下，積極進(jìn)行處置技術(shù)的探索。四川省某污泥處理項(xiàng)目，在立項(xiàng)前期進(jìn)行了積極探索，通過(guò)多次比選和論證工作，最終確定采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)處置污泥。本文對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分享以供參考。

1工藝選擇的影響因素

《污泥無(wú)害化處理和資源化利用實(shí)施方案》提出，“因地制宜合理選擇污泥處理路徑和技術(shù)路線。鼓勵(lì)采用厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、土地利用、建材利用等多元化組合方式處理污泥”[3]。因此，四川省某污泥處理項(xiàng)目在初期需要對(duì)多種工藝進(jìn)行比選，本文對(duì)比選過(guò)程中業(yè)主單位及專(zhuān)家重點(diǎn)關(guān)注的因素進(jìn)行了總結(jié)，本節(jié)主要對(duì)這些重點(diǎn)影響因素進(jìn)行介紹。

1.1 污泥含水率因素

根據(jù)污水處理廠污泥脫水工藝的不同，運(yùn)到污泥處置廠的污泥含水率有2種，即60%左右和80%左右。當(dāng)污泥含水率在60%左右的時(shí)候可以直接進(jìn)行處置，但當(dāng)污泥含水率在80%左右的時(shí)候，無(wú)論采用何種處理工藝都需要先對(duì)污泥進(jìn)行深度脫水預(yù)處理。常見(jiàn)的污泥深度脫水工藝包括板框壓濾、高壓壓濾等。其中，板框脫水成本較低，80%左右含水率的污泥無(wú)法直接進(jìn)入脫水系統(tǒng)，需先對(duì)污泥進(jìn)行稀釋?zhuān)@種操作方式大大增加了污泥處理成本，因此要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的安全穩(wěn)定及較低成本運(yùn)行，污泥含水率因素對(duì)工藝選擇的影響較大。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素

在實(shí)際方案比選的過(guò)程中，噸投資和成本指標(biāo)是被重點(diǎn)關(guān)注的2個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其中，噸投資的高低是由業(yè)主建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求、土地費(fèi)用等指標(biāo)共同決定的，通常污泥處置項(xiàng)目的噸投資在50萬(wàn)元/t（含水率80%）左右，成本則重點(diǎn)關(guān)注直接運(yùn)營(yíng)成本（不含折舊費(fèi)用）約在200～300元/t（含水率80%）。

1.3 場(chǎng)地限制因素

現(xiàn)有場(chǎng)地規(guī)模大小也對(duì)污泥處理工藝的選擇有較大影響，如某場(chǎng)地僅5畝（1畝≈666.67m2），要求建設(shè)處理污泥量為100t的項(xiàng)目，因此成本較低的常規(guī)好氧發(fā)酵工藝就無(wú)法適用，只能選擇集成度較高且相對(duì)成本較高的工藝。通常情況下，污泥處置項(xiàng)目100t/d（含水率80%）規(guī)模，占地面積約在5～10畝。

1.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因素

受技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響，在2021年前我國(guó)污泥處置是可以農(nóng)用的，并且制定了相應(yīng)的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)[4]。而2021年后《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）的出臺(tái)[5]，導(dǎo)致污泥無(wú)法農(nóng)用，限制了部分項(xiàng)目的工藝選擇，導(dǎo)致部分項(xiàng)目污泥產(chǎn)品消納困難。

1.5“雙碳”政策因素

污泥處置過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生直接碳排放和間接碳排放。其中，直接碳排放包括處理過(guò)程中產(chǎn)生的CH4、CO2等，間接碳排放主要體現(xiàn)在處理過(guò)程中產(chǎn)生的電耗、藥劑消耗等。雖然目前對(duì)于污泥處置項(xiàng)目的碳指標(biāo)核算方法學(xué)還在建立和探索當(dāng)中，但受“雙碳”政策影響，未來(lái)污泥處置項(xiàng)目的碳排放應(yīng)當(dāng)是工藝選擇的重要影響因素。

1.6小結(jié)

綜合上述影響因素，針對(duì)四川省某污泥處理項(xiàng)目要求具有噸投資相對(duì)較低、成本節(jié)約、占地面積小、處置后污泥用于園林綠化及環(huán)境友好等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多輪的論證比選，最終選擇了采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)處置污泥。

2工程概況

四川省某污泥處置項(xiàng)目，位于四川省攀枝花市某經(jīng)濟(jì)發(fā)展園區(qū)內(nèi)，是該園區(qū)內(nèi)餐廚和污泥處置中心內(nèi)的附屬項(xiàng)目，主要處理生活污水處理廠產(chǎn)生的污泥，處理能力30t/d（含水率60%），采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)，處理后污泥符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）標(biāo)準(zhǔn)[6]，產(chǎn)量約10t/d（含水率40%），產(chǎn)品主要作為營(yíng)養(yǎng)土用于園林綠化。

2.1 工藝流程

四川省某污泥處置項(xiàng)目的主要工藝流程為污泥（含水率60%～70%）運(yùn)輸至卸料倉(cāng)；卸料倉(cāng)內(nèi)的污泥通過(guò)螺桿泵運(yùn)輸至混料機(jī)與處置后污泥（含水率40%）進(jìn)行混合，控制物料含水率在60%左右；混合好的物料進(jìn)入“好氧發(fā)酵罐”內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵（7～14d）；完成處置的污泥在產(chǎn)品料倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存。四川省某污泥處置項(xiàng)目具體工藝流程如圖1所示。

2.2 核心設(shè)備

罐式好氧發(fā)酵工藝的核心設(shè)備為“好氧發(fā)酵罐”，是一種立式的好氧發(fā)酵罐，采用連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料的方式運(yùn)行，罐體內(nèi)部無(wú)機(jī)械攪拌裝置，通過(guò)發(fā)酵罐四周的空氣管路鼓入高壓空氣，實(shí)現(xiàn)好氧發(fā)酵過(guò)程中的供氧。該好氧發(fā)酵罐設(shè)備具有不需要添加輔料、密封效果好、高度機(jī)械自動(dòng)化等特點(diǎn)。好氧發(fā)酵罐設(shè)備工作原理如圖2所示。

2.3 工藝參數(shù)

罐式好氧發(fā)酵工藝的主要參數(shù)由進(jìn)料量、進(jìn)料含水率、出料量、出料含水率、發(fā)酵溫度、物料停留時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間、曝氣量、返混料比例構(gòu)成，詳見(jiàn)表1。工藝的核心設(shè)備“好氧發(fā)酵罐”發(fā)酵溫度控制在60～70℃，發(fā)酵時(shí)間（物料停留時(shí)間）控制在7～14d，曝氣量約4000m3/h，可以通過(guò)好氧發(fā)酵，將污泥含水率由60%降低至40%。

物料停留時(shí)間的計(jì)算如式（1）所示。

式中 T—物料停留時(shí)間，d；m1—進(jìn)入“無(wú)機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的質(zhì)量，t；M—“無(wú)機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的總質(zhì)量，t。

返混料比例的計(jì)算如式（2）所示。

式中 w—返混料比例，%；m1—與式（1）同注；m2—由產(chǎn)品返回“無(wú)機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的質(zhì)量，t。

3工程運(yùn)行情況

3.1 外觀狀態(tài)

進(jìn)入污泥處置系統(tǒng)前的物料，外觀整體呈黑色、塊狀（長(zhǎng)度20～40cm）、致密、有臭味的固體，如圖3a所示。丁峰等[7]認(rèn)為污泥缺氧過(guò)久會(huì)導(dǎo)致污泥呈黑色。在水處理行業(yè)，污泥顏色呈黑色通常是污泥內(nèi)部溶解氧濃度低、泥齡老化、微生物活性差的特征，該類(lèi)污泥不能再進(jìn)入污水處理系統(tǒng)中使用，需及時(shí)處理。塊狀和致密的特征主要是由于板框壓濾脫水導(dǎo)致的，雖然板框壓濾實(shí)現(xiàn)了污泥中部分水分的脫除，但污泥仍然存在有機(jī)質(zhì)含量高、易腐敗變臭的問(wèn)題，因此仍需要進(jìn)一步處理。

臭味主要來(lái)源于污泥當(dāng)中硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)，該菌種特別適合在厭氧或缺氧環(huán)境下生長(zhǎng)，可將污泥當(dāng)中的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫釋放出來(lái)，翁煥新等[8]的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該觀點(diǎn)。經(jīng)過(guò)污泥處置系統(tǒng)后的產(chǎn)品，整體呈褐色、粉狀（粒徑1～5mm）、輕質(zhì)、無(wú)味的固體，如圖3b所示。胡佩佩等[9]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)深度脫水好氧發(fā)酵腐熟完成的污泥，會(huì)呈現(xiàn)灰褐色、深棕色，干燥疏松，腐熟后無(wú)明顯刺激性臭味的特征，這與本項(xiàng)目污泥處置系統(tǒng)后的產(chǎn)品外觀狀態(tài)一致。通過(guò)處理前后對(duì)比，本項(xiàng)目采用的罐式好氧發(fā)酵工藝達(dá)到了污泥處置外觀狀態(tài)的需求，效果良好。

3.2 理化指標(biāo)

污泥產(chǎn)品的主要用途為園林綠化用泥，為了驗(yàn)證在罐式好氧發(fā)酵工藝下生產(chǎn)的污泥產(chǎn)品能否達(dá)到要求，參考GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)要求，詳見(jiàn)表2。在通常情況下，污泥好氧發(fā)酵會(huì)選擇添加鋸末、秸稈、活性炭等輔料，楊廣平等[10]的研究認(rèn)為添加輔料有助于好氧發(fā)酵進(jìn)行。而罐式好氧發(fā)酵工藝從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，輔料的成本較高且來(lái)源不穩(wěn)定，很容易導(dǎo)致項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)效益偏低甚至虧損，因此在工藝當(dāng)中沒(méi)有添加輔料。為了驗(yàn)證在不添加輔料的情況下，污泥產(chǎn)品是否還能滿(mǎn)足GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)理化指標(biāo)的要求，于是針對(duì)處置前后樣品進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示不添加輔料也能完全滿(mǎn)足GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中的要求。卜超等[11]對(duì)無(wú)輔料添加污泥好氧發(fā)酵進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果也證明無(wú)輔料添加污泥好氧發(fā)酵能夠達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 污染物指標(biāo)

根據(jù)GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)，污染物指標(biāo)主要包括重金屬及其它污染物，因此針對(duì)重金屬及其它污染物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，如表3所示的結(jié)果顯示均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，罐式好氧發(fā)酵工藝在好氧發(fā)酵過(guò)程中不會(huì)額外產(chǎn)生重金屬，但處理后產(chǎn)品在作為園林綠化用土的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生重金屬的富集。楊琨[12]在其研究中也持有相同觀點(diǎn)，認(rèn)為“通過(guò)施加好氧發(fā)酵污泥，植物根際土壤中重金屬含量會(huì)小幅升高”。因此，四川省某污泥處理項(xiàng)目采用罐式好氧發(fā)酵工藝應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中5.1條、5.2條、5.3條的表述確定合理用量。同時(shí)，由于GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)未涉及具體施用量和施用方法的問(wèn)題，因此在工程實(shí)踐中缺乏依據(jù)，鑒于此，可參考《污泥產(chǎn)品林地施用技術(shù)規(guī)范》（DB11/T 2124-2023）來(lái)輔助確定，最大程度上避免重金屬對(duì)環(huán)境的污染。由于其它污染物在本項(xiàng)目的污染物指標(biāo)檢測(cè)當(dāng)中未檢出，因此未作討論。

3.4 能耗分析

為了對(duì)罐式好氧發(fā)酵技術(shù)的能耗水平有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，如表4所示對(duì)各個(gè)單元的能耗水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，四川省某污泥處理項(xiàng)目的總能耗為138.12kWh/d·t濕污泥。其中，發(fā)酵單元的能耗為107.57kWh/d·t濕污泥，占整個(gè)項(xiàng)目總能耗的77.88%，是項(xiàng)目能耗最高的工作單元。四川省某污泥處理項(xiàng)目的能耗水平與毛曉飛等[13]研究的泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)酵工程能耗結(jié)果（101.24kWh/d·t濕污泥）相近。同時(shí)，參考式（3）計(jì)算四川省某污泥處理項(xiàng)目單位電耗的除水率為2.42kg/kWh，與裴鋒初等[14]研究的熱泵-循環(huán)風(fēng)工藝的單位電耗的除水率接近（2.66kg/kWh）。因此，通過(guò)能耗分析發(fā)現(xiàn)，四川省某污泥處理項(xiàng)目采用的工藝能耗水平與目前常見(jiàn)的污泥處置工藝能耗水平接近。

單位電耗除水率計(jì)算如式（3）所示。

式中" "k—單位電耗除水率，kg/kWh；m3—濕污泥（由含水率80%變?yōu)楹?0%）所脫去的水分質(zhì)量，kg/d·t濕污泥；W—系統(tǒng)的單位電耗，kWh/d·t濕污泥。

結(jié)論

①根據(jù)對(duì)四川省某污泥處置項(xiàng)目的分析，發(fā)現(xiàn)影響項(xiàng)目前期工藝選擇的因素很多，可將污泥含水率、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、場(chǎng)地限制因素、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求和“雙碳”政策作為重點(diǎn)關(guān)注因素。而以“好氧發(fā)酵罐”作為核心設(shè)備的好氧發(fā)酵工藝，具有噸投資相對(duì)較低、成本節(jié)約、占地面積小、環(huán)境友好的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足上述因素要求。

②罐式好氧發(fā)酵工藝整體運(yùn)行穩(wěn)定、污泥的外觀狀態(tài)、理化指標(biāo)均達(dá)到GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求，但由于針對(duì)園林綠化施用標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，為避免處理后的污泥產(chǎn)品在施用過(guò)程中產(chǎn)生重金屬累積效應(yīng)，應(yīng)同時(shí)參考DB11/T 2124-2023標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來(lái)輔助確定施用方法。

③罐式好氧發(fā)酵工藝的總能耗為138.12

kWh/d·t濕污泥，折算單位電耗的除水率為2.42kg/kWh，與目前國(guó)內(nèi)污泥處置工藝的能耗水平相當(dāng)。

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作者簡(jiǎn)介

王星（1990—），男，漢族，甘肅蘭州人，工程師，碩士，主要從事有機(jī)固廢處理工作。

通信作者

郭清吉（1983—），男，漢族，山東東營(yíng)人，副高級(jí)工程師，碩士，主要從事新能源環(huán)境科學(xué)與工程相關(guān)的工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-10