國家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟專家委員會
全國污泥處理處置促進會專家委員會
1 襄陽污泥處理工程基本情況
襄陽市污泥處理廠位于湖北省襄陽市魚梁洲，緊鄰設計規(guī)模為30萬m3/d的魚梁洲污水處理廠,于2011年建成投運，設計規(guī)模為300 t/d（以含固率20%計）該污泥處理廠項目由某公司采用特許經(jīng)營模式投資建設和運行管理，占地30畝(1畝≈667m2)，工程直接投資1.2億元。
這是我國目前第一座采用高溫熱水解預處理和厭氧消化工藝技術，并投入商業(yè)化運行的污泥處理廠。按處理每萬m3污水產(chǎn)含固率20%的污泥量6～7 t計，該處理規(guī)模可以滿足1座40萬～50萬m3/d污水處理廠的污泥處理之需，圖1為該污泥處理廠平面布置圖。
圖1 襄陽魚梁洲污泥處理廠平面布置
魚梁洲污水處理廠污泥產(chǎn)量為150～200 t/d（以含固率20%計），在該污泥處理廠建成之前，由于污泥未能得到處理，導致近15萬t的污泥（以含固率20%計）堆積在廠內，所以該污泥處理廠除了要處理污水處理廠每日脫水的新鮮污泥外，在近期還要承擔原有堆積污泥的處理任務。目前每天約處理堆積污泥100 t（以含固率20%計）。新鮮脫水污泥與原有堆積污泥的有機質含量分別為40%～60%（受季節(jié)影響）和35%～45%。
2 襄陽污泥處理工藝技術
2.1高溫熱水解工作原理
污泥高溫熱水解預處理技術是21世紀初開始在歐洲用于工程實踐的，目前全球范圍已有50多個項目使用了這項技術，每年處理污泥974 000 t（以污泥干基計），相當于每天處理含固率20%的脫水污泥13 340 t。
高溫熱水解預處理的目的是：利用高溫和高壓迫使污泥結構和性狀發(fā)生變化，并有效提高污泥衛(wèi)生化水平。這一預處理過程能夠促使后續(xù)厭氧消化過程加速，提高厭氧消化效率、穩(wěn)定化水平和脫水性能；能夠促使污泥中轉化為生物質能源（沼氣）的有機物質比例得到改善，提高沼氣產(chǎn)量。借助于污泥粘滯性的改善，可以提高消化池進泥含固率，在傳統(tǒng)消化設備不改變的條件下，實現(xiàn)原有消化設施處理能力的翻番。國外目前許多案例，就是依靠增加高溫熱水解預處理設施，實現(xiàn)了原有消化設施擴容目的。
熱水解處理設施一般主要包括預熱罐、熱水解罐和閃蒸泄壓罐，工藝過程包括以下階段：
(1) 為提高熱能利用效率，污水處理廠脫水污泥（含固率15%～20%）首先進入混合預熱罐，與從閃蒸泄壓罐回收的蒸汽混合，將污泥預加熱至100 ℃左右。
(2) 預熱后的污泥進入高溫熱水解罐進行熱水解反應，反應壓力和反應溫度分別為0.6～0.7 MPa和150～170 ℃，熱水解反應時間30 min。
(3) 熱水解后的污泥被急速送到閃蒸泄壓罐，由于壓力的釋放，在壓力差的作用下，使污泥結構發(fā)生變化。
(4) 污泥經(jīng)熱水解和在閃蒸泄壓罐內釋放壓力后，污泥溫度為100～105 ℃，再經(jīng)熱交換器進行冷卻，換熱后污泥溫度在40～50 ℃，以滿足后續(xù)厭氧消化的要求。整個熱水解過程一般需要3～4 h，因與蒸汽的混合，高溫熱水解后污泥的含固率降至10%～12%。
2.2污泥處理工藝
襄陽污泥處理工藝由高溫熱水解車間、厭氧消化池、脫水車間、污泥干化車間、沼氣儲存罐和沼氣提純處理等設施組成，工藝流程詳見圖2。
圖2 污泥處理廠工藝流程
來自污水處理廠的新鮮脫水污泥和原有堆積污泥（含固率20%左右），送入高溫熱水解車間。該車間的高溫熱水解系統(tǒng)，由預熱罐、高溫熱水解罐和閃蒸泄壓罐組成。其中4個熱水解球罐采用序批式方法工作，反應熱媒采用壓力0.7 MPa，溫度 170 ℃的蒸汽。熱水解后的污泥，進入閃蒸罐，溫度降至100～105 ℃（所收集的熱能用于污泥預熱罐），高溫熱水解車間內景詳見圖3。
圖3 高溫熱水解車間內景
經(jīng)高溫熱水解處理后污泥含固率降至11%左右。該污泥經(jīng)換熱冷卻至40～50 ℃后，進入2座單池容積為6 000 m3的柱形消化池，停留時間15～18 d，厭氧消化的有機物降解率為55%～65%。高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）有機物降解率大于40%的要求。
厭氧消化后的污泥，經(jīng)離心脫水機脫水至含固率30%左右，因脫水性能得到改善，故不需再投加化學藥劑進行調理。
脫水后污泥進入干化車間，干化車間為陽光棚結構，利用閃蒸泄壓后污泥冷卻得到的熱水，通過污泥層下的熱水盤管加熱污泥，同時借助陽光熱能的作用，將脫水污泥干化至含固率60%左右，干化車間詳見圖4。
圖4 干化車間內景
2.3污泥處理后產(chǎn)物的利用情況
2.3.1生物質能源（沼氣）
能夠在污泥處理的過程中得到生物質能源——沼氣，是厭氧消化處理工藝與其他所有污泥處理工藝最大的不同。但是經(jīng)高溫熱水解后，沼氣量不僅能夠確保自用，而且還有向社會提供能源供應的余量，所以它是綠色處理技術�，F(xiàn)襄陽污泥處理工程每天產(chǎn)生沼氣8 000～10 000 m3，其中約70%用于自身污泥處理加熱系統(tǒng)，其余2 000～3 000 m3 的沼氣進行提純處理，提純后為1 000～2 000 m3。提純的目的是去除沼氣中的CO2與H2S等雜質，將CH4的含量由原沼氣的60%～65%提高到99.9%，達到國家壓縮車用天然氣標準，供社會車輛使用，售價4.5元/ m3，每標立方米車用沼氣的動力效率與每升93號汽油的動力效率是相同的。
2.3.2生物質炭土
經(jīng)過高溫熱水解、厭氧消化、脫水和熱干化一系列處理后，其污泥處理產(chǎn)物與原污泥相比，無論是數(shù)量、外觀上，還是性狀、成分組成上都發(fā)生了根本性的變化。首先，由于有機物的分解和水分的減少，產(chǎn)物重量（干化后）僅為原污泥的1/4左右；其次，消滅了病原菌，實現(xiàn)了衛(wèi)生化；再之，由于有機物分解率和沼氣產(chǎn)量提高，使產(chǎn)物的穩(wěn)定化水平得到提高，產(chǎn)物不再發(fā)臭。
傳統(tǒng)厭氧消化后產(chǎn)物，由于有機酸含量較高和衛(wèi)生化水平不高，其產(chǎn)物在用于苗木栽培和其他土地利用時，還需要適當處理，如有文獻提出，應在厭氧消化后再接好氧發(fā)酵處理［1］，以進一步降解有機酸、殺滅病原菌。高溫熱水解厭氧消化，在英國被稱為高級厭氧消化（advanced anaerobic digestion）；并規(guī)定，只有經(jīng)過高級厭氧消化處理后的污泥產(chǎn)物才能夠直接用于土地，詳見表1。
表1 英國對污泥處理方法和土地利用的規(guī)定
污泥經(jīng)過上述過程的處理后，不應該再稱之為污泥。筆者認為這種產(chǎn)物，稱為“生物質炭土”更貼切。襄陽通過將“生物質炭土”以“可移動式”苗木栽培和苗木移栽的方式，將這種“生物質炭土”在環(huán)境中進行消納，解決了產(chǎn)物的處置問題，這是襄陽污泥處理工程的最大亮點之一，“可移動式”苗木栽培情況見圖5。污泥處置是處理產(chǎn)物在環(huán)境中消納方式［2］，把污泥處置改為處理后的產(chǎn)物處置，將更加有利于對污泥處理處置的正確理解。
圖5 “可移動式”苗木種植情況
3 襄陽污泥處理處置工程特點總結
襄陽污泥處理處置工程注重與當?shù)匚勰鄬嵡橄嘟Y合，注重能源的有效利用，注重不斷優(yōu)化生產(chǎn)過程，注重生物質產(chǎn)物的利用方式創(chuàng)新。主要特點可概括總結為：
（1）球形高溫熱水解罐減輕了砂子對設備的磨損。襄陽采用的高溫熱水解罐為可轉式球形罐，因球罐自身的緩慢轉動，實現(xiàn)了污泥與蒸汽的混合和攪拌，這種結構較國外的立式罐，較好地解決了污泥中砂子對設備的磨損，適合于我國污泥中含砂量高的現(xiàn)實情況。
（2）陽光棚干化提高了熱利用效能。為了便于厭氧消化處理后產(chǎn)物“生物質炭土”的利用，襄陽工程利用閃蒸泄壓罐出泥冷卻釋放出的熱量以“地暖”的形式干化“生物質炭土”，充分利用了系統(tǒng)的熱能，并借助陽光的作用使“生物質炭土”進一步減量，布設在陽光棚壁下部的風機向“上物質炭土”表層吹、吸風，又直接加速了熱量和水分的交換；這種干化方式也有效解決了砂子對機械干化設備的磨損問題，降低了投資和運行成本。
（3）消化液的高pH降低了沼氣中硫化氫含量。國外和襄陽工程的實踐都證明，經(jīng)高溫熱水解后，消化液中的NH4+濃度高于傳統(tǒng)厭氧消化，使得消化液為弱堿性，為消化液提供了較強的緩沖能力，為甲烷菌生長提供良好的條件。H+濃度低了，也就降低了形成硫化氫的可能性，使得沼氣中硫化氫含量較低。襄陽工程沼氣的硫化氫含量為50～100 mg/L（消化池出泥pH平均為7.8），而無高溫熱水解的上海市白龍港污水處理廠沼氣的硫化氫含量為350～800 mg/L（消化池出泥pH平均為7.34）；pH=7.3意味著比pH=7.8的溶液H+的摩爾濃度高3倍以上。由于硫化氫是沼氣利用的一個很大障礙，所以硫化氫含量越低，沼氣脫硫措施就越簡單。同時由于氫離子濃度的降低，又促使S2-與重金屬離子結合為難溶的硫化物，這些硫化物的溶度積常數(shù)僅為硫酸鹽溶度積的百億分之一或以下，對比情況詳見表2。
表2 幾種常見重金屬化合物的溶度積常數(shù)
（4）“可移動式”苗木栽培術解決了產(chǎn)物出路。襄陽污泥處理廠采用的“可移動式”苗木栽培技術具有三大特點，一是“菠蘿皮”狀塑料殼容器具有透氣性好、可拆卸、可拼接、可重復使用、可控制輔根的生長等性能，也為苗木生長提供了良好的條件，苗木根系生長情況詳見圖6，栽培中采用水和營養(yǎng)液（利用離心機脫水的沼液）的滴灌技術，節(jié)水效果明顯，詳見圖7；二是由于移栽時，不需要采挖，且?guī)?ldquo;皮”運輸，所以就會不傷及根系，保證了苗木移栽的高成活率；三是襄陽污泥工程就是通過這種“賣樹帶炭土”的創(chuàng)新方式，成功解決了“生物質炭土”的資源化利用問題。幾年來由襄陽污泥處理工程提供的苗木已達6萬多棵，美化了襄陽市。不但解決了“生物質炭土”的出路，而且經(jīng)濟效益十分可觀。可謂：不挖山川一棵樹，不損環(huán)境一方寸，苗木移植帶炭土，園林走出生態(tài)路，借用一塊沙荒地，建成一片綠世界。
圖6 苗木根系生長情況
圖7 “菠蘿皮”狀容器照片
國家林業(yè)局近日下發(fā)了《關于切實加強和嚴格規(guī)范樹木采挖移植管理的通知》（林資發(fā)〔2013〕157號），文件倡導以苗木綠化為主，以大苗木栽植代替大樹移植；文件確定采挖樹木，必須辦理采伐許可證，胸徑5 cm以上的樹木必須納入采伐限額管理。隨著國家對山林采挖的嚴格管控，襄陽污泥處理工程這種苗木栽培和苗木移栽的優(yōu)勢將更加凸顯。城鎮(zhèn)污水處理廠污泥經(jīng)高溫熱水解厭氧消化，或者好氧發(fā)酵處理后的“生物質炭土”進行苗木栽培，為我國城鎮(zhèn)綠化提供了可靠的苗木來源的同時，解決了污泥處理產(chǎn)物的出路，一舉雙贏。
（5）實現(xiàn)了餐廚垃圾的同步處理。餐廚垃圾處理也是我國面臨的緊迫任務和難題，襄陽污泥處理工程嘗試將收集的餐廚垃圾直接送入?yún)捬跸嘏c污泥同步厭氧消化處理，目前日處理餐廚垃圾量約為15 t左右。餐廚垃圾的加入有效提高了消化物的有機質含量，有助于沼氣產(chǎn)量的提高。隨著堆積污泥量的減少，直至消除，將為該工程承接襄陽市的餐廚垃圾提供了設施能力上的保證。為了確保餐廚垃圾不含有影響消化池運行的雜物，在餐館源頭安裝了自主開發(fā)的收集器（見圖8），可有效避免雜物的混入，為后續(xù)的處理和設施的安全運行提供了保障，圖9為將餐廚垃圾直接接入消化池的照片。
圖8 餐廚垃圾源頭收集器
圖9 餐廚垃圾接入消化池
4 襄陽工程經(jīng)驗總結
整個襄陽污泥處理工程體現(xiàn)了：污泥全處理，過程全綠色，能源全平衡，資源全利用，利用有得益，成本可接受。驗證了高溫熱水解厭氧消化對傳統(tǒng)厭氧消化技術的提升作用；驗證了污泥處理必須滿足產(chǎn)物處置要求的原則，也就是說，只有把處理產(chǎn)物的出路解決好了，處理才能夠按照產(chǎn)物的出路要求進行，處理才是有效的；驗證了“污染治理，重在資源利用，贏在資源利用”的實效。贏在資源利用就“綁架”了污染的治理，讓污染治理從被動進行，轉為主動進行。襄陽污泥處理工程為我國污泥處理處置探索出了一條新路，這一工程案例在2013年7月聯(lián)合國華沙氣候大會上，也向全世界做了分享。
襄陽污泥處理工程為我國污泥處理處置提供的經(jīng)驗可以概括為：
（1）提升了厭氧消化技術水平。高溫熱水解厭氧消化與傳統(tǒng)的厭氧消化（包括未經(jīng)熱水解處理的高濃度厭氧消化）相比，從如下五個方面提升了厭氧消化技術：一是由于污泥經(jīng)過高溫熱水解改性，使高濃度污泥的粘滯性和流動性得以改善，可在不增加傳統(tǒng)消化攪拌能量的前提下，實現(xiàn)污泥的高濃度厭氧消化，加之消化溫度的提高，消化時間縮短，使得消化池容積負荷得到成倍增加，消化效率大幅度提高，也讓已有厭氧消化設施的老廠在不擴建消化池的前提下，實現(xiàn)處理能力和處理產(chǎn)物品質的雙提高；二是由于沼氣中H2S含量的降低，使得沼氣脫硫措施大為簡化，與此同時，沼氣產(chǎn)量也得到提高，不但能夠實現(xiàn)自足，而且還可實現(xiàn)沼氣的社會化利用，讓污泥處理廠成為能源制造廠；三是由于氫離子濃度的顯著降低，促使重金屬離子形成更加難溶的重金屬硫化物，降低了離子態(tài)重金屬的毒性；四是由于污泥經(jīng)過高溫、高壓的“蒸煮”，加之經(jīng)過熱干化處理，原污泥中的病原菌被有效殺滅，產(chǎn)物的衛(wèi)生化水平得到保證；五是由于高溫熱水解后，用于厭氧消化分解的有機成分比例升高，在沼氣產(chǎn)量得以提高的同時，處理后產(chǎn)物的穩(wěn)定化程度也得到充分提高，使處理產(chǎn)物不再發(fā)臭。德國DIN 4045對穩(wěn)定化處理的定義是：“穩(wěn)定化處理是指減少氣味物質和有機物含量的處理，與此同時改善脫水性能，減少病原菌的污泥處理過程。”簡而言之，穩(wěn)定化的實質是：污泥經(jīng)過處理后，使其中的微生物不再具備發(fā)生作用的條件。襄陽污泥處理工程中的陽光干化棚，并沒有設置除臭設施，也從另一個側面說明了處理后產(chǎn)物的穩(wěn)定性。
國外高溫熱水解厭氧消化工程和我國襄陽工程的實踐說明，這種高溫熱水解加厭氧消化技術將成為今后厭氧消化技術發(fā)展的主流，其與傳統(tǒng)消化的相關參數(shù)對比詳見表3。
（2）實現(xiàn)了資源的有效利用。我國污泥處理處置面臨的瓶頸之一就是，厭氧消化或者好氧發(fā)酵處理后的產(chǎn)物仍然“走投無路”，或甚至不得不再加石灰后去填埋場填埋，使污泥處理的意義大打折扣。生物質能源——沼氣的社會化利用和“生物質炭土”的“可移動式”苗木栽培、苗木移植是對污泥處理產(chǎn)物處置的創(chuàng)新，走出了我國污泥生物質資源利用的
表3高溫熱水解消化與傳統(tǒng)消化參數(shù)對比
新路，讓污泥處理的作用和功能得到充分體現(xiàn)，詮釋了污泥有效處理和產(chǎn)物安全處置的全過程。同時，厭氧消化作為一種穩(wěn)定化處理過程，在降解有機物的同時，也讓處理后“生物質炭土”中含有了珍貴的腐殖酸［3］，所以資源的利用體現(xiàn)了對彌足珍貴的生物質的重視。
（3）保障了污染治理主動進行。襄陽污泥處理工程處理后產(chǎn)物的資源化利用,解決了污泥處理產(chǎn)物的出路問題，與此同時，通過部分沼氣和苗木的出售，讓資源化利用有了經(jīng)濟效益，讓治污投入有了經(jīng)濟效益的產(chǎn)出。這一“污染治理，重在資源利用，贏在資源利用”的模式，為污染治理持續(xù)進行、有效進行提供了機制上的保障，促成了治污的良性循環(huán)。
參考文獻
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（本文刊登于《給水排水》雜志2014年第4期）
注重資源利用的污泥處理處置工程實踐
給水排水
