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摘 要：为解决保定市污水厂的污泥出路问题，通过对污泥处理几种方法的对比分析，结合保定市的现状，确定了处理工艺的方案。工程可将含固率10%污泥进行消化，节约了土地，并产生能源沼气。同时利用污水源热泵技术，将提温热水作为沼气锅炉补给水，实现资源回用。
关键词：厌氧消化、沼气、板框脱水机、水源热泵、磷酸氨镁
一、项目概况
保定地处环海湾经济开发区中的京、津、保三角地区，主城区312平方公里，人口119.4万人。设有银定庄、溪源、鲁岗三座城市污水处理厂。总处理污水能力32万吨/天，日产污泥约300吨（如表1所示）。
目前保定市污水厂的污泥直接脱水到含水率80%后送政府有关部门认可的空地进行简易防护后堆放。由于污泥含水率过高等原因，达不到相关标准的要求[1]，垃圾填埋场已拒收污水厂的污泥。保定排水总公司根据实际情况，积极组织建设污泥处理中心，以此解决困扰着污水厂正常运行的污泥出路问题。
保定市污泥处理项目采用厌氧消化（产沼气）+高干脱水工艺，处理规模300吨/日（80%含水率污泥），日产沼渣150吨（60%含水率）。消化阶段可日产沼气约10000方，部分转化为热能为消化系统保温，剩余沼气经提纯为天然气后，外供给厂外汽车加气站。以实现污泥的资源化利用。
二、污泥处理工艺的比较选择
污泥处理是指城市污水处理厂在污水处理单元操作过程中产生的污泥通过减容、减量、稳定以及无害化的过程。污泥处理工艺主要有好氧发酵制肥、焚烧、石灰干化稳定、厌氧消化（产沼气）等，为确定最终的处理工艺，我们分别对其进行了考察实验分析：
（一）好氧发酵制肥
采用好氧发酵制肥方式，每天需向300吨污泥中添加秸秆约30吨（相当于60亩地的产秸秆数量）用来构建骨架结构和调节工艺所需碳氮比。经在保定周边县区调研了解，随着农民对秸秆回收利用资源价值的认识逐步提高，目前农田秸秆机械化收割时就地还田比例越来越高，且保定奶牛养殖业发达，其已消化了大部分秸秆，而且秸秆收购季节性很强，足量稳定的秸秆供应难以保证。除秸秆外，其它种类辅料如花生壳、锯末等在保定市周边也不具备足量供应条件。同时，随着工业废水在进水中比例的提高（由建厂之初的40%提高到了后来的60%），污水廠的泥质发生了变化，按目前我国肥料市场的管理实际，污泥制肥及营养土制品的用量不易控制，保定市人多地少，土地资源紧张，为防范污染转移风险，所以必须限制污泥农用。因此，保定市污泥处理未采用好氧发酵制肥方案。
（二）焚烧
焚烧方式，减量化效果最好，但是单独建设干化焚烧设施运行成本过高（直接运营成本在300元/吨以上），不符合保定市实际情况。曾考虑利用保定大唐西郊热电厂流化床锅炉对污泥进行掺烧，但大唐电厂距市区较近，随着国家环保部门对火电项目的要求日益严格，电厂机组存在关停、搬迁的可能。另外，为应对电厂锅炉检修期间的污泥处理，需配套建设占地50亩的污泥中转储存场地。因此在客观条件制约下，焚烧方案不可行。
（三）石灰干化稳定
石灰干化稳定需向污泥中投加20%-30%的生石灰，用石灰稳定后的污泥可实现消毒稳定、并提高污泥的含固率，处理后的污泥进行填埋可阻止污染物质进入环境，但处理过程需要大量的石灰物料消耗和土地资源的消耗，且不能实现资源的回收利用，长远来看，也制约了污泥将来土地利用的可能性。
（四）厌氧消化（产沼气）
厌氧消化是指利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质，是实现污泥稳定化非常有效的一种污泥处理工艺[2]。
污泥厌氧消化的作用主要体现在：
1、污泥稳定化。对有机物进行降解，使污泥稳定化，不会腐臭，避免在运输及最终处置过程中对环境造成不利影响；
2、污泥减量化。通过厌氧过程对有机物进行降解，减少污泥量，同时可以改善污泥的脱水性能，减少污泥脱水的药剂消耗，降低污泥含水率；
3、消化过程中产生沼气。它可以回收生物质能源，降低污水处理厂能耗及减少温室气体排放。厌氧消化处理后的污泥可满足国家对污泥稳定化相关指标的要求[3]。
（五）工艺选定
通过对上述工艺的对比，并结合保定的实际情况，本项目工艺定为厌氧消化（产沼气）+高干脱水。将市区三座污水厂产生污泥运至污泥处理中心，调配成含固率10%的污泥，经中温厌氧消化反应，产生沼气，部分沼气优先用于满足污泥消化本身的加熱和保温，其余沼气净化提纯为天然气后外售，剩余污泥经板框脱水机处理，脱水至含水率60%后卫生填埋。（工艺流程图见图1）
该工艺运行经验成熟，有机物分解率高，污泥减量化程度高，运行费用低，不需另外补充能源，还可产生清洁能源沼气，对节能减排贡献突出。
（六）实验论证
为验证保定污泥泥质厌氧消化产沼气的效果，确定合理的工艺参数。项目组于2013年12月组织相关专家进行了污泥消化中试实验（见图2）。
根据实验数据统计（见表2），实验中混合污泥的VSS/SS为58.2%，考虑到现有污水厂提标改造工程的继续进行，污水在生化池中停留时间延长，污泥龄增加，污水中有机污染物降解率提高，并参考国内城市污水处理厂污泥有机物比例的多在45～55%的情况，所以本项目最终确定污泥中有机成分含量按照50%进行设计。
实验中混合污泥经消化处理后，有机物含量降解率平均值为49%，考虑到中试试验因罐体较小，所以在污泥搅拌、污泥加热保温等方面的条件均强于实际工程中的大型罐体，因此在项目中有机物降解率设计为45%。
根据实验中数据计算出平均产气率为0.8m3gas/kgorge，考虑到小型罐体由于试验条件优于实际运行工况，所以在产气率上适当留有余地，最终产气率取值0.701 m3gas/kgorge。 通过实验发现，厌氧消化工艺可降解污泥中的有机物，实现污泥的稳定化。消化过程产生沼气，实现了污泥的资源化利用。厌氧消化作为一种负碳排放的污泥处理方式，考虑到保定市是世界自然基金会认定的低碳试点城市，结合保定的实际情况，项目选择了厌氧消化为主的处理方式。
三、污泥调配
项目确定选择厌氧消化处理工艺后，经设计院4计算得出，进泥含水率为90%时，处理效果最优，处理成本最经济。由于鲁岗污水处理厂距离项目地点15公里，污泥需脱水到含水率80%后，通过汽车运输到污泥处理中心。而溪源、银定庄污水厂距离项目地点仅有200米，为满足进泥含水率90%的要求，溪源和银定庄兩厂污泥全部或部分凝缩后与鲁岗污泥混合，在不继续加水的前提下混合污泥直接达到90%的含水率（调配方式见表3）。
四、沼气利用
污泥经厌氧消化处理，将产生一定量的沼气，沼气是一种优质
清洁能源，应合理利用。依据污泥消化中试实验数据，对沼气利用系统进行了方案设计和热平衡计算，
1、沼气产量（根据中试实验参数）：
混合污泥中有机物含量=50%；
有机物降解率=45%；
产气率=0.701 m3gas/kgorge；
干污泥量=60吨/天
Q=60×1000×50%×45%×0.701=9463 m3/d
为增加有机物分解率和沼气产量，工程增加了超声波污泥处理器，可将产气量增加7%以上，最终产气量如下：
Q=9463*1.07=10125 m3/d
沼气的使用首先满足污泥消化本身的加热和保温要求，剩余沼气经过脱除沼气中CO2、H2S和少量N2、O2、H2O后，净化提纯为符合《车用压缩天然气》标准的天然气（见表4），外售给厂区外的汽车加气站。
结合本项目的沼气中硫含量6000ppm的特点及项目实际需求及后续工艺要求，我们对脱硫方式进行了比较（见表5），最终采用湿法脱硫工艺加干法脱硫工艺。同时对脱碳技术进行对比（见表6）后发现，化学吸附具有甲烷回收率高、抗冲击能力强、运行稳定、排放废气中甲烷含量最低等优势，所以本工程選择化学吸收法为沼气脱碳最终方案。
五、污泥脱水工艺选择
消化后的污泥为满足脱水至含水率60%的卫生填埋要求，我们对几种机械脱水方式进行比较发现，只有板框压滤机能达到要求。
板框压滤机系由一定数量的板框串连组成，在每两块板框中间有两层滤布，每块板框的中间连通；浓缩后的污泥由板框压滤机的一端进入压滤机，在两滤布中间受到板框的压榨，使污泥中所含的水份分离出来；当污泥含水率降到一定程度时板框逐块分开，脱水后的污泥剥落下来由输送机运出；所有污泥排出后再进行下一次脱水工作过程。
板框压滤机的优点是脱水后泥饼含水率较低、卫生条件较好，能够满足国家对污泥的卫生填埋要求所以确定本工程采用板框脱水机对污泥进行脱水。
六、厂区内供暖及制冷方法的选择
污水源热泵空调机组是利用低温水作为热源，进行能量转换的热泵系统。因本工程可利用厂区原生污水为热源，通过污水换热器获取低温水。为节省能源消耗，实现污水的资源化利用，本工程选择了水源热泵空调机组实现厂区冬季供暖和夏季制冷。
经测算冬季采暖热负荷约：370kW，夏季供冷冷负荷约：250kW ，除上述采暖负荷，热负荷部分还包括将厂区锅炉房给水加热的部分，被加热软化水设计水量为2t/h，进出水温度为10℃/40℃。
利用水源热泵空调机组，一次性投资，并且机组热源温度稳定，维护费用较低，保证了系统的高效性和经济性。同时，机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排污、温室气体等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗等。
七、项目效益
污泥处理项目采用厌氧消化+高干脱水工艺，年处理污泥约11万吨（按含水率80%计），相当于年减排二氧化碳5913吨。厌氧消化工艺年均产沼气365万立方，所产沼气除本厂加热污泥自用外，剩余的沼气净化为车用天然气。高干脱水较彻底解决了污泥对环境的污染问题，节省了原高含水率污泥填埋所需的土地。实现了以废治废，节能减排及循环经济的目标。
项目的建设符合保定市“低碳、高端、协调、善美”的城市发展方向，建成运行后，将实现污泥处理的稳定化、减量化、资源化。解决困扰保定市污水厂运行的一大难题，消除污泥弃置的污染隐患，改善居民生存环境，同时也是对国内污水厂污泥处理方式的有益补充。
八、未来探索
污泥脱水时产生的污泥水内的磷浓度高，溶解性较差的盐类导致产生过度饱和的溶液，压力或温度的变化会使pH 值上升， 从而各种盐类根据相应的溶解度产生沉淀现象。产生的沉积物质即为磷酸氨镁（鸟粪石） 结晶体，其可造成污泥固含量低和絮凝剂消耗量大，导致污水处理厂内部返回负荷很高。
经市场调查，目前鸟粪石的市场价格在34000元/吨左右，我们期待有一种提磷工艺，可防止产生结晶沉淀现象，提高污泥脱水效果，阻止PO4 返送负荷，实现污泥的资源化利用。
参考文献：
[1]参考《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质GB/T 23485-2009》.
[2]参考《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》.
[3]参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918.
[4]中国市政工程华北设计研究总院.
[5]《保定市城镇污水处理厂污泥处理中心项目初步设计》.
关键词：厌氧消化、沼气、板框脱水机、水源热泵、磷酸氨镁
一、项目概况
保定地处环海湾经济开发区中的京、津、保三角地区，主城区312平方公里，人口119.4万人。设有银定庄、溪源、鲁岗三座城市污水处理厂。总处理污水能力32万吨/天，日产污泥约300吨（如表1所示）。
目前保定市污水厂的污泥直接脱水到含水率80%后送政府有关部门认可的空地进行简易防护后堆放。由于污泥含水率过高等原因，达不到相关标准的要求[1]，垃圾填埋场已拒收污水厂的污泥。保定排水总公司根据实际情况，积极组织建设污泥处理中心，以此解决困扰着污水厂正常运行的污泥出路问题。
保定市污泥处理项目采用厌氧消化（产沼气）+高干脱水工艺，处理规模300吨/日（80%含水率污泥），日产沼渣150吨（60%含水率）。消化阶段可日产沼气约10000方，部分转化为热能为消化系统保温，剩余沼气经提纯为天然气后，外供给厂外汽车加气站。以实现污泥的资源化利用。
二、污泥处理工艺的比较选择
污泥处理是指城市污水处理厂在污水处理单元操作过程中产生的污泥通过减容、减量、稳定以及无害化的过程。污泥处理工艺主要有好氧发酵制肥、焚烧、石灰干化稳定、厌氧消化（产沼气）等，为确定最终的处理工艺，我们分别对其进行了考察实验分析：
（一）好氧发酵制肥
采用好氧发酵制肥方式，每天需向300吨污泥中添加秸秆约30吨（相当于60亩地的产秸秆数量）用来构建骨架结构和调节工艺所需碳氮比。经在保定周边县区调研了解，随着农民对秸秆回收利用资源价值的认识逐步提高，目前农田秸秆机械化收割时就地还田比例越来越高，且保定奶牛养殖业发达，其已消化了大部分秸秆，而且秸秆收购季节性很强，足量稳定的秸秆供应难以保证。除秸秆外，其它种类辅料如花生壳、锯末等在保定市周边也不具备足量供应条件。同时，随着工业废水在进水中比例的提高（由建厂之初的40%提高到了后来的60%），污水廠的泥质发生了变化，按目前我国肥料市场的管理实际，污泥制肥及营养土制品的用量不易控制，保定市人多地少，土地资源紧张，为防范污染转移风险，所以必须限制污泥农用。因此，保定市污泥处理未采用好氧发酵制肥方案。
（二）焚烧
焚烧方式，减量化效果最好，但是单独建设干化焚烧设施运行成本过高（直接运营成本在300元/吨以上），不符合保定市实际情况。曾考虑利用保定大唐西郊热电厂流化床锅炉对污泥进行掺烧，但大唐电厂距市区较近，随着国家环保部门对火电项目的要求日益严格，电厂机组存在关停、搬迁的可能。另外，为应对电厂锅炉检修期间的污泥处理，需配套建设占地50亩的污泥中转储存场地。因此在客观条件制约下，焚烧方案不可行。
（三）石灰干化稳定
石灰干化稳定需向污泥中投加20%-30%的生石灰，用石灰稳定后的污泥可实现消毒稳定、并提高污泥的含固率，处理后的污泥进行填埋可阻止污染物质进入环境，但处理过程需要大量的石灰物料消耗和土地资源的消耗，且不能实现资源的回收利用，长远来看，也制约了污泥将来土地利用的可能性。
（四）厌氧消化（产沼气）
厌氧消化是指利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质，是实现污泥稳定化非常有效的一种污泥处理工艺[2]。
污泥厌氧消化的作用主要体现在：
1、污泥稳定化。对有机物进行降解，使污泥稳定化，不会腐臭，避免在运输及最终处置过程中对环境造成不利影响；
2、污泥减量化。通过厌氧过程对有机物进行降解，减少污泥量，同时可以改善污泥的脱水性能，减少污泥脱水的药剂消耗，降低污泥含水率；
3、消化过程中产生沼气。它可以回收生物质能源，降低污水处理厂能耗及减少温室气体排放。厌氧消化处理后的污泥可满足国家对污泥稳定化相关指标的要求[3]。
（五）工艺选定
通过对上述工艺的对比，并结合保定的实际情况，本项目工艺定为厌氧消化（产沼气）+高干脱水。将市区三座污水厂产生污泥运至污泥处理中心，调配成含固率10%的污泥，经中温厌氧消化反应，产生沼气，部分沼气优先用于满足污泥消化本身的加熱和保温，其余沼气净化提纯为天然气后外售，剩余污泥经板框脱水机处理，脱水至含水率60%后卫生填埋。（工艺流程图见图1）
该工艺运行经验成熟，有机物分解率高，污泥减量化程度高，运行费用低，不需另外补充能源，还可产生清洁能源沼气，对节能减排贡献突出。
（六）实验论证
为验证保定污泥泥质厌氧消化产沼气的效果，确定合理的工艺参数。项目组于2013年12月组织相关专家进行了污泥消化中试实验（见图2）。
根据实验数据统计（见表2），实验中混合污泥的VSS/SS为58.2%，考虑到现有污水厂提标改造工程的继续进行，污水在生化池中停留时间延长，污泥龄增加，污水中有机污染物降解率提高，并参考国内城市污水处理厂污泥有机物比例的多在45～55%的情况，所以本项目最终确定污泥中有机成分含量按照50%进行设计。
实验中混合污泥经消化处理后，有机物含量降解率平均值为49%，考虑到中试试验因罐体较小，所以在污泥搅拌、污泥加热保温等方面的条件均强于实际工程中的大型罐体，因此在项目中有机物降解率设计为45%。
根据实验中数据计算出平均产气率为0.8m3gas/kgorge，考虑到小型罐体由于试验条件优于实际运行工况，所以在产气率上适当留有余地，最终产气率取值0.701 m3gas/kgorge。 通过实验发现，厌氧消化工艺可降解污泥中的有机物，实现污泥的稳定化。消化过程产生沼气，实现了污泥的资源化利用。厌氧消化作为一种负碳排放的污泥处理方式，考虑到保定市是世界自然基金会认定的低碳试点城市，结合保定的实际情况，项目选择了厌氧消化为主的处理方式。
三、污泥调配
项目确定选择厌氧消化处理工艺后，经设计院4计算得出，进泥含水率为90%时，处理效果最优，处理成本最经济。由于鲁岗污水处理厂距离项目地点15公里，污泥需脱水到含水率80%后，通过汽车运输到污泥处理中心。而溪源、银定庄污水厂距离项目地点仅有200米，为满足进泥含水率90%的要求，溪源和银定庄兩厂污泥全部或部分凝缩后与鲁岗污泥混合，在不继续加水的前提下混合污泥直接达到90%的含水率（调配方式见表3）。
四、沼气利用
污泥经厌氧消化处理，将产生一定量的沼气，沼气是一种优质
清洁能源，应合理利用。依据污泥消化中试实验数据，对沼气利用系统进行了方案设计和热平衡计算，
1、沼气产量（根据中试实验参数）：
混合污泥中有机物含量=50%；
有机物降解率=45%；
产气率=0.701 m3gas/kgorge；
干污泥量=60吨/天
Q=60×1000×50%×45%×0.701=9463 m3/d
为增加有机物分解率和沼气产量，工程增加了超声波污泥处理器，可将产气量增加7%以上，最终产气量如下：
Q=9463*1.07=10125 m3/d
沼气的使用首先满足污泥消化本身的加热和保温要求，剩余沼气经过脱除沼气中CO2、H2S和少量N2、O2、H2O后，净化提纯为符合《车用压缩天然气》标准的天然气（见表4），外售给厂区外的汽车加气站。
结合本项目的沼气中硫含量6000ppm的特点及项目实际需求及后续工艺要求，我们对脱硫方式进行了比较（见表5），最终采用湿法脱硫工艺加干法脱硫工艺。同时对脱碳技术进行对比（见表6）后发现，化学吸附具有甲烷回收率高、抗冲击能力强、运行稳定、排放废气中甲烷含量最低等优势，所以本工程選择化学吸收法为沼气脱碳最终方案。
五、污泥脱水工艺选择
消化后的污泥为满足脱水至含水率60%的卫生填埋要求，我们对几种机械脱水方式进行比较发现，只有板框压滤机能达到要求。
板框压滤机系由一定数量的板框串连组成，在每两块板框中间有两层滤布，每块板框的中间连通；浓缩后的污泥由板框压滤机的一端进入压滤机，在两滤布中间受到板框的压榨，使污泥中所含的水份分离出来；当污泥含水率降到一定程度时板框逐块分开，脱水后的污泥剥落下来由输送机运出；所有污泥排出后再进行下一次脱水工作过程。
板框压滤机的优点是脱水后泥饼含水率较低、卫生条件较好，能够满足国家对污泥的卫生填埋要求所以确定本工程采用板框脱水机对污泥进行脱水。
六、厂区内供暖及制冷方法的选择
污水源热泵空调机组是利用低温水作为热源，进行能量转换的热泵系统。因本工程可利用厂区原生污水为热源，通过污水换热器获取低温水。为节省能源消耗，实现污水的资源化利用，本工程选择了水源热泵空调机组实现厂区冬季供暖和夏季制冷。
经测算冬季采暖热负荷约：370kW，夏季供冷冷负荷约：250kW ，除上述采暖负荷，热负荷部分还包括将厂区锅炉房给水加热的部分，被加热软化水设计水量为2t/h，进出水温度为10℃/40℃。
利用水源热泵空调机组，一次性投资，并且机组热源温度稳定，维护费用较低，保证了系统的高效性和经济性。同时，机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排污、温室气体等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗等。
七、项目效益
污泥处理项目采用厌氧消化+高干脱水工艺，年处理污泥约11万吨（按含水率80%计），相当于年减排二氧化碳5913吨。厌氧消化工艺年均产沼气365万立方，所产沼气除本厂加热污泥自用外，剩余的沼气净化为车用天然气。高干脱水较彻底解决了污泥对环境的污染问题，节省了原高含水率污泥填埋所需的土地。实现了以废治废，节能减排及循环经济的目标。
项目的建设符合保定市“低碳、高端、协调、善美”的城市发展方向，建成运行后，将实现污泥处理的稳定化、减量化、资源化。解决困扰保定市污水厂运行的一大难题，消除污泥弃置的污染隐患，改善居民生存环境，同时也是对国内污水厂污泥处理方式的有益补充。
八、未来探索
污泥脱水时产生的污泥水内的磷浓度高，溶解性较差的盐类导致产生过度饱和的溶液，压力或温度的变化会使pH 值上升， 从而各种盐类根据相应的溶解度产生沉淀现象。产生的沉积物质即为磷酸氨镁（鸟粪石） 结晶体，其可造成污泥固含量低和絮凝剂消耗量大，导致污水处理厂内部返回负荷很高。
经市场调查，目前鸟粪石的市场价格在34000元/吨左右，我们期待有一种提磷工艺，可防止产生结晶沉淀现象，提高污泥脱水效果，阻止PO4 返送负荷，实现污泥的资源化利用。
参考文献：
[1]参考《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质GB/T 23485-2009》.
[2]参考《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》.
[3]参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918.
[4]中国市政工程华北设计研究总院.
[5]《保定市城镇污水处理厂污泥处理中心项目初步设计》.