來源：《中國(guó)給水排水》微信 - cnww1985
編者導(dǎo)讀：2013年后北京市制定了水環(huán)境治理三年行動(dòng)計(jì)劃，中心城區(qū)再新增五座再生水廠，污泥量大幅增加，北京市污泥處理處置轉(zhuǎn)向熱水解+厭氧消化，具體工程包括高碑店、槐房、小紅門、清河、高安屯等污泥處理項(xiàng)目，小紅門污泥處理項(xiàng)目是首座實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)目，目前正處于調(diào)試運(yùn)行階段，其運(yùn)行效果受到廣泛關(guān)注。
作者：杜強(qiáng)強(qiáng)(1988-)，北京通州人，碩士，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司工程師，主要從事給排水工程設(shè)計(jì)。
先看看熱水解厭氧消化實(shí)際處理效果吧
北京小紅門污水處理廠原污泥處理采用“濃縮→消化→脫水”工藝，產(chǎn)泥量約為137.5 tDS/d，本次泥區(qū)改造工程設(shè)計(jì)泥量為180 tDS/d，工藝流程采用“濃縮→預(yù)脫水→熱水解→厭氧消化→板框脫水”。
現(xiàn)況已投入運(yùn)行的熱水解系統(tǒng)
現(xiàn)階段水廠內(nèi)再生水區(qū)與泥區(qū)均處于調(diào)試運(yùn)行階段，處理量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)泥量，隨著熱水解系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行，每天的處理泥量定量逐步提升。在熱水解系統(tǒng)調(diào)試前，改造后的消化池已啟動(dòng)完成，現(xiàn)階段啟動(dòng)了2條熱水解系統(tǒng)(共有3條)，現(xiàn)調(diào)試階段的消化池產(chǎn)氣量約為20000 m3/d，基本滿足2條熱水解處理線所需蒸汽的能量需求。調(diào)試期間，廠內(nèi)所產(chǎn)污泥均進(jìn)入板框脫水機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行深度脫水至含水率小于60%后，送至場(chǎng)外處置。
改造前、后污泥處理效果對(duì)比見表1。
表1 熱水解厭氧消化與原消化工藝處理效果對(duì)比
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項(xiàng)目 |
原消化工藝 |
改造后熱水解消化 |
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處理 泥量 |
137.5 tDS/d |
180 tDS/d |
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系統(tǒng) 占地 |
原5座消化池 |
占地不變，僅使用4座現(xiàn)況消化池，另一座預(yù)留 |
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出泥含 水率 |
80% |
60%（遠(yuǎn)期達(dá)到50%） |
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沼氣 產(chǎn)量 |
（1.6-3.0）×104m3/d 沼氣產(chǎn)量不足 以供應(yīng)污泥 消化系 統(tǒng)加熱 |
（3.4-5.6）×104m3/d 理論產(chǎn)氣量會(huì)提高約1.8倍，完全滿足熱水解系統(tǒng)，還會(huì)有12%的能量結(jié)余 |
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有機(jī)物 分解率 |
40%—50% |
55%—70% |
脫水后污泥狀態(tài)
再回憶一下改造工程背景
改造前污泥處理采用“濃縮→消化→脫水”工藝，產(chǎn)泥量約為137.5 tDS/d，經(jīng)過濃縮后的生物污泥與初沉污泥一同進(jìn)入消化池，消化池進(jìn)泥含水率在97%左右，消化產(chǎn)生的沼氣用于消化池加熱，其中生物污泥濃縮段采用機(jī)械濃縮，消化段采用二級(jí)厭氧消化共有消化池5座，脫水段采用帶式和離心式兩種設(shè)備。由于該廠污泥中有機(jī)質(zhì)含量變化幅度為55%-70%且呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，所以，沼氣產(chǎn)量變化幅度較大。
改造前面臨如下問題：
1)無擴(kuò)建用地，消化池污泥處理能力已達(dá)到上限，且無擴(kuò)建用地。為了貫徹執(zhí)行北京市政府《北京市加快污水處理和再生水利用設(shè)施三年行動(dòng)方案》的總體要求，北京市內(nèi)各污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，出水標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)標(biāo)一級(jí)A進(jìn)一步提升。升級(jí)改造的同時(shí)必然會(huì)增加泥量的產(chǎn)生，而現(xiàn)有消化系統(tǒng)已達(dá)到處理能力上限，無法滿足升級(jí)改造后水廠的污泥處理需求。
2)污泥難以脫水，消化后污泥脫水性能差，較難處理，現(xiàn)況出廠污泥含水率僅能達(dá)到80%水平。環(huán)保部《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》對(duì)污泥出廠的含水率提出了不大于50%的明確要求，已有的工藝技術(shù)路線不能滿足污泥含水率降低的要求。
3)能源赤字，沼氣產(chǎn)量低且沼氣中CH4含量低，消化池加熱量大，沼氣產(chǎn)量不足以供應(yīng)加熱量，處于“運(yùn)行即虧損”的尷尬境地。
4)污泥不穩(wěn)定，污泥穩(wěn)定程度仍不高，臭味嚴(yán)重，消化后污泥有機(jī)質(zhì)含量過高，VS/DS在40-50%。
5)衛(wèi)生安全隱患，部分污泥消化后不符合衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)，未達(dá)到資源化利用要求。
看一看具體的改造技術(shù)路線
最終確定采用熱水解作為預(yù)處理工藝，流程采用“濃縮→預(yù)脫水→熱水解→厭氧消化→板框脫水”。
1泥線工藝流程由于本廠水區(qū)進(jìn)行改造，增加深度處理措施，導(dǎo)致泥區(qū)處理量增加，現(xiàn)泥區(qū)的設(shè)計(jì)處理量為180tDS/d。
含水率99.4%的剩余污泥經(jīng)二沉池排泥后進(jìn)入現(xiàn)況小脫水機(jī)房，利用現(xiàn)況的濃縮機(jī)是含水率降至96-97.5%后去往廠區(qū)現(xiàn)況儲(chǔ)泥池與97.5%的初沉污泥混合;混合后，將含水率97.5%左右的混合污泥泵送入現(xiàn)況大脫水機(jī)房?jī)?nèi)的離心脫水機(jī)進(jìn)行預(yù)脫水，預(yù)脫水后污泥含水率在83.5%左右的污泥進(jìn)入熱水解系統(tǒng)進(jìn)行處理。
熱水解處理后高溫污泥需經(jīng)過稀釋和冷卻后才能進(jìn)行厭氧消化，經(jīng)處理后的進(jìn)入經(jīng)過改造的現(xiàn)況消化池進(jìn)行厭氧消化，消化池內(nèi)的污泥溫度為39-41℃、含水率為92%;消化后含水率95%的污泥經(jīng)新建板框壓濾脫水機(jī)房進(jìn)行脫水至含水率50%(近期脫水至60%)以下，送出廠界進(jìn)行處置。當(dāng)峰值泥量時(shí)，超出熱水解、消化及壓濾脫水的濃縮污泥，直接利用現(xiàn)況脫水機(jī)房脫水，脫水后含水率至80%以下處置。
消化產(chǎn)生的沼氣先經(jīng)脫硫系統(tǒng)處理，再經(jīng)沼氣氣柜緩存后輸送至新建沼氣鍋爐房，利用燃燒產(chǎn)生蒸汽供熱水解使用，多余沼氣去往現(xiàn)況沼氣拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)處理。熱水解、消化啟動(dòng)時(shí)采用天然氣供鍋爐燃燒供熱加溫。
沼液和濾液處理系統(tǒng)排除的化學(xué)污泥和生物污泥全部進(jìn)入壓濾脫水系統(tǒng)。工藝流程見下圖。
2
熱水解厭氧消化工程設(shè)計(jì)研究中推薦熱水解最適合的條件為170 ℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min。結(jié)合已建污水廠中泥區(qū)高級(jí)厭氧消化工藝的改造中，消化池改造受限、用地受限及運(yùn)行穩(wěn)定性等因素考慮，熱水解進(jìn)泥含固率在12%-17%較為合理。從實(shí)際工程中出發(fā)，溫度越高操作的危險(xiǎn)性越高，確定設(shè)計(jì)溫度為150-170℃，反應(yīng)時(shí)間為30-40min。熱水解設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。
表2 熱水解工藝設(shè)計(jì)參數(shù)
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項(xiàng)目 |
含固率 |
溫度 |
反應(yīng)壓力 |
反應(yīng)時(shí)間 |
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參數(shù) |
12%-17% |
150-170℃ |
6-8bar |
30-40min |
改造后消化池的進(jìn)泥含水率為92%，消化池溫度為40℃-41℃，水力停留時(shí)間為21d，攪拌方式利用現(xiàn)況沼氣攪拌系統(tǒng)，改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。
表3 改造前后厭氧消化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比
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參數(shù) |
含固率 |
溫度 |
停留時(shí)間 |
攪拌方式 |
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改造后 |
8% |
40-41℃ |
21d |
沼氣攪拌 |
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改造前 |
4-5％ |
35℃ |
25d |
沼氣攪拌 |
為適應(yīng)工程建設(shè)的需要，需對(duì)消化池進(jìn)行改造，主要內(nèi)容包括按照熱水解工藝的出泥溫度進(jìn)行消化池外保溫措施的更換、對(duì)進(jìn)出泥管道和原加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造等。
泥區(qū)未改造前效果圖
泥區(qū)改造后效果圖
建設(shè)中的泥區(qū)
污泥熱水解系統(tǒng)由三部分組成，包括污泥緩存料倉(cāng)間、熱水解單元以及熱交換車間。污泥緩存料倉(cāng)間內(nèi)布置污泥料倉(cāng)4座，有效容積300m3，3用1備，配套破拱滑架，液壓動(dòng)力站等，其中一套污泥料倉(cāng)用于儲(chǔ)存峰值污泥;出泥螺桿泵，Q≥20m3/h，H=12bar，共6臺(tái)，3用3備，置于料倉(cāng)底部;污泥緩存料倉(cāng)用來接收現(xiàn)況大脫水機(jī)房處理后的含水率的83.5%的預(yù)脫水污泥，經(jīng)料倉(cāng)緩存后的污泥通過出泥螺桿泵送入熱水解單元。
熱水解單元內(nèi)布置3條熱水解處理線，單條線熱水解正常處理能力60 tDS/d，生產(chǎn)線內(nèi)每臺(tái)反應(yīng)器分批處理，一個(gè)完整的周期持續(xù)120至165分鐘，所有的反應(yīng)器有完全相同的功能，其運(yùn)行彼此依賴;熱水解單元處理后的污泥經(jīng)過熱水解單元內(nèi)的熱水解出泥泵泵送入熱交換車間。
熱交換車間為熱水解后高溫污泥進(jìn)行冷卻以及稀釋的構(gòu)筑物。車間內(nèi)主要布置一次熱交換器及冷卻水換熱器。一次熱交換器，其功率920kW，流量37.9m3/h，10%熱污泥，Tin=85.9℃，pH4.5-5.5;冷卻水，流量40-60m3/h，軟化水，Tin=32℃，pH6.5-7.5。冷卻水換熱器，其功率1890kW，冷側(cè)溫度25℃;熱側(cè)流量40-60m3/h，進(jìn)水溫度59℃，冷卻后溫度32℃。經(jīng)冷卻和稀釋后，將含水率92%、溫度在53℃左右的污泥送入消化池進(jìn)行厭氧消化。
工程問題及設(shè)計(jì)優(yōu)化
可見，改造工程達(dá)到了預(yù)期效果，污泥處理效率大大提高。但同時(shí)，也應(yīng)該看到如下問題：
1)熱水解工藝設(shè)備、管路復(fù)雜，對(duì)于自控系統(tǒng)要求高，運(yùn)行操作較為復(fù)雜，較傳統(tǒng)消化工藝流程相對(duì)加長(zhǎng)。
2)經(jīng)熱水解后，厭氧消化液中COD和氨氮濃度較高，若直接回流至污水處理廠前端將引起進(jìn)水中污染物濃度的提高尤其是TN和NH3-N濃度的升高，因此需考慮建設(shè)消化液的獨(dú)立處理設(shè)施。
3) 經(jīng)熱水解處理后的污泥進(jìn)需經(jīng)過冷卻后才能進(jìn)入現(xiàn)況的消化池進(jìn)行厭氧消化，所以，通常需設(shè)置冷卻塔或交換器對(duì)熱水解后的污泥進(jìn)行冷卻降溫，但其冷卻交換后的熱量屬于低熱量源，難以回收再利用。
設(shè)計(jì)優(yōu)化建議：
1)根據(jù)污泥性質(zhì)區(qū)別進(jìn)行熱水解預(yù)處理
由于熱水解工藝對(duì)剩余污泥的沉降性能和脫水性能的改善顯著，同時(shí)由于現(xiàn)階段對(duì)于大型和超大型項(xiàng)目的改造與實(shí)施，多采用進(jìn)口熱水解設(shè)備致使設(shè)備價(jià)格較高，因此針對(duì)這兩點(diǎn)可運(yùn)用熱水解工藝處理剩余污泥，而后將其與濃縮后初沉污泥混合再進(jìn)行厭氧消化。這種運(yùn)行方式可以在減少工程投資的同時(shí)最大限度發(fā)揮熱水解對(duì)剩余污泥的強(qiáng)化作用。假設(shè)初沉污泥和剩余污泥干重相同，盡管初沉污泥+剩余污泥熱水解會(huì)比僅有剩余污泥熱水解沼氣產(chǎn)量增加，但由于熱水解需要的蒸汽用量大幅提高，總體的運(yùn)行費(fèi)用降低得并不多，甚至可能還會(huì)出現(xiàn)前者高于后者的情況，這主要取決于脫水后含水率降低的程度。
2)再利用低溫水
本設(shè)計(jì)中將熱交換后的低溫?zé)崴糜诤罄m(xù)沼液處理單元的調(diào)溫水以及部分稀釋水，但由于高溫污泥換熱量較大，此部分低溫水還是未能全部利用，造成資源浪費(fèi)。如果可以運(yùn)用部分低溫?zé)崴鳛閺S區(qū)的溶藥用水，將可以減少原溶藥水量的同時(shí)增強(qiáng)藥劑的使用效果。對(duì)于這部分低溫水如何可以得到再利用應(yīng)繼續(xù)探討。
（本文詳細(xì)內(nèi)容參見2017年1月《中國(guó)給水排水》第2期“熱水解厭氧消化工藝用于污水廠泥區(qū)升級(jí)改造”，作者：杜強(qiáng)強(qiáng)1，戴明華1，張晏1，張楠1，吳迪2，1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司；2.青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司）
