王宇堯

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海市 200092）

0 前言

中芬合作“昆明市水環(huán)境固體污染物綜合處置利用一期工程——昆明市主城區(qū)城市污水處理廠污泥處理處置工程”是《滇池流域水污染防治規(guī)劃（2006-2010年）》重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目建設(shè)的主要目的是實(shí)現(xiàn)昆明市8座污水處理廠運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化，并最終實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用的目標(biāo)。工程采用芬蘭政府貸款，引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備來建設(shè)和管理該工程。

污泥處理采用“污泥高負(fù)荷厭氧消化（HLAD Process）+脫水+熱干化”的處理工藝，干化后污泥達(dá)到國家相關(guān)處置要求。出泥含固率達(dá)到70%～90%并可調(diào)。高負(fù)荷厭氧消化(HLAD)工藝是目前國內(nèi)第一個(gè)引進(jìn)的一種集約化程度高、能源產(chǎn)出效率高，設(shè)備設(shè)施簡便、操作維護(hù)簡單的先進(jìn)工藝。污泥干化引進(jìn)國外雙槳葉式干化機(jī)，設(shè)備集中度高、先進(jìn)可靠、工藝流程和操作管理簡便，也是國內(nèi)第一個(gè)采用的大規(guī)模雙槳葉式污泥干化工藝。污泥處置近期送垃圾焚燒發(fā)電廠，遠(yuǎn)期兼顧綠化介質(zhì)土及肥料等。污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣作為干化能源，干化余熱利用作為消化加熱，最大限度地實(shí)現(xiàn)能源的內(nèi)部互相共享，使得投資和綜合能耗達(dá)到最低。工程預(yù)計(jì)2011年底可建成運(yùn)行。

1 工程規(guī)模與方案比較

昆明市主城區(qū)現(xiàn)有8座污水處理廠，現(xiàn)狀總污水處理能力70萬m3/d。根據(jù)滇池流域水污染防治的要求，滇池污染綜合治理工程實(shí)施后，主城區(qū)污水的收集率達(dá)到90%以上，在現(xiàn)有70萬m3/d污水處理能力的基礎(chǔ)上增加污水處理能力40.5萬m3/d，使近期2015年總體污水處理規(guī)模110.5萬m3/d，遠(yuǎn)期2030年總體污水處理規(guī)模117.5萬m3/d。設(shè)計(jì)本次污泥處理規(guī)模為100 tDS/d，約合80%含水率污泥量500 t/d，折算成80%含水率脫水污泥500 t/d。

該工程污泥處理按厭氧消化+熱干化總體流程可以考慮的技術(shù)路線有三條：方案一，全部污泥調(diào)配成含水率95%濃度，全部進(jìn)入蛋形消化池進(jìn)行傳統(tǒng)消化，消化污泥脫水后熱干化；方案二，僅七污廠含水率95%～97%濃縮污泥進(jìn)入蛋形消化池進(jìn)行傳統(tǒng)消化，消化污泥脫水后與其他污水廠脫水污泥一并熱干化；方案三，全部污泥調(diào)配成含水率85%濃度，全部進(jìn)入消化池進(jìn)行高負(fù)荷厭氧消化，消化污泥脫水后熱干化。三方案經(jīng)濟(jì)比較如表1。

表1 方案技術(shù)路線經(jīng)濟(jì)對(duì)比表

由上述經(jīng)濟(jì)分析比較可知，前兩方案由于采用傳統(tǒng)的消化工藝，池容積偏大，一次投資相對(duì)較高，成本也偏高；方案三由于采用高負(fù)荷厭氧消化，一次投資低，能量回收利用的優(yōu)勢(shì)明顯，因而最終推薦高負(fù)荷厭氧消化+干化方案作為工程實(shí)施方案比較經(jīng)濟(jì)合理。

2 污泥處理工藝流程

該工程采用污泥高負(fù)荷厭氧消化+脫水+熱干化的技術(shù)路線和工藝流程，如圖1所示。

昆明主城區(qū)的8座污水廠的脫水污泥采用封閉的車輛運(yùn)輸至該污泥處理廠。污泥由磅秤稱重后，卸入污泥泄料站，由污泥柱塞泵送入污泥預(yù)反應(yīng)池；進(jìn)入污泥預(yù)反應(yīng)池的污泥，投加熱水混合稀釋至設(shè)計(jì)含水率85%。均質(zhì)后的污泥在污泥預(yù)反應(yīng)池加熱至37℃～38℃，泵提升入中溫厭氧高負(fù)荷污泥消化池；經(jīng)消化后的污泥通過提升泵進(jìn)入污泥脫水機(jī)房，消化后的污泥采用離心脫水機(jī)將污泥含水率降低至75%，再由提升泵送入污泥干化機(jī)。

污泥干化機(jī)可根據(jù)實(shí)際需要控制出泥含固率在70%～90%，出泥經(jīng)冷卻螺旋輸送機(jī)將溫度降至50℃以下，打包后輸送入干污泥產(chǎn)品堆場(chǎng)或外運(yùn)處置。

污泥干化機(jī)干化熱媒采用導(dǎo)熱油，能源采用污泥消化產(chǎn)生的沼氣，同時(shí)采用城市人工煤氣作為啟動(dòng)及補(bǔ)充能源。污泥干化產(chǎn)生的廢熱回收用于污泥預(yù)反應(yīng)池污泥加熱。最終尾氣通過多級(jí)除臭處理，達(dá)到國家有關(guān)規(guī)定后排放。污泥脫水和熱干化過程中產(chǎn)生的廢液，經(jīng)管道收集后，由專設(shè)的污水管道送至附近第七污水處理廠處理。

3 總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目選址位于昆明市第七污水處理廠附近。環(huán)湖東路西面，金家河以東，和第七污水處理廠隔河相望，總占地面積約4.7 hm2。

綜合管理樓布置在南側(cè)廠前區(qū)，變配電間等輔助生產(chǎn)用房布置在廠區(qū)中部。廠區(qū)中部偏南是防爆區(qū)，布置污泥消化池、沼氣貯柜、操作樓、余氣燃燒塔等。廠區(qū)北面布置脫水污泥卸料站、停車場(chǎng)、污泥脫水機(jī)房、污泥干化車間、回用水池和再生水泵房、臨時(shí)污泥堆棚等。平面布置詳見圖2。

圖2 污泥處理廠平面布置圖

4 污泥處理目標(biāo)及能量平衡

污泥處理處置須實(shí)現(xiàn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的基本要求，即污泥達(dá)到“穩(wěn)定化、無害化和減量化，并為資源化準(zhǔn)備條件”。

4.1 污泥干化產(chǎn)品特性

該工程進(jìn)入干化系統(tǒng)的污泥已經(jīng)過了厭氧消化，有機(jī)物含量已降低到20%左右。槳葉式干燥機(jī)內(nèi)導(dǎo)熱油溫度為205℃～230℃，排放尾氣溫度為95℃左右，出泥溫度為105℃，且污泥在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間長達(dá)4.6 h，污泥中含有的細(xì)菌及蟲卵已大部分滅活，使污泥達(dá)到了巴氏消毒的衛(wèi)生處理。

污泥干化設(shè)備利用雙槳葉的交互作用及干化過程中產(chǎn)品相對(duì)較高的壓力，使干化后的產(chǎn)品有較高的堆密度，平均堆密度約500～650 kg/m3，最終產(chǎn)品為1～3 mm的顆粒。

4.2 能量平衡

為節(jié)約運(yùn)行能耗，該污泥處理工程污泥干化的能源以厭氧消化產(chǎn)生的沼氣為主要來源，盡可能少用外來能源，通過整個(gè)污泥處理工程“消化+干化系統(tǒng)”的熱量平衡分析，從系統(tǒng)能量自平衡的角度，確定污泥干化處理補(bǔ)充能源的數(shù)量。高負(fù)荷厭氧消化及干化物料平衡見圖3。

燃料消耗是污泥干化處置的主要能源消耗。該工程消化系統(tǒng)每天可產(chǎn)生沼氣量為18 750 m3，合4 997 kW。該部分沼氣將優(yōu)先用于污泥干化，而污泥干化的余熱部分用于污泥消化加熱用（約500 kW）。在項(xiàng)目調(diào)試和啟動(dòng)階段必須考慮全部外加燃料供應(yīng)熱源的措施。在冬季條件，污泥干化產(chǎn)品干度達(dá)到90%的條件下，全部沼氣用于污泥干化外，尚需補(bǔ)充15 672 m3/d的人工煤氣用于污泥干化。

圖3 物料平衡圖

5 污泥消化與干化工程

污泥消化和干化是該工程的重點(diǎn)，本文著重介紹污泥厭氧消化和干化部分的工程內(nèi)容。

5.1 污泥高負(fù)荷厭氧消化

按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）規(guī)定的要求，污水處理廠污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理。污泥厭氧消化須滿足有機(jī)物降解率大于40%的基本要求。污泥厭氧消化按操作條件分有中溫消化和高溫消化，按進(jìn)泥含水率區(qū)分有一般濃縮污泥進(jìn)泥的傳統(tǒng)厭氧消化和脫水污泥進(jìn)料的高負(fù)荷厭氧消化；按攪拌方式區(qū)分有機(jī)械攪拌和沼氣攪拌。由于能耗的限制，國內(nèi)外使用較多的操作方式為中溫厭氧消化。對(duì)于傳統(tǒng)的濃縮污泥厭氧消化而言，機(jī)械攪拌能接受的最低含水率約92%，沼氣攪拌能承受的最低含水率約95%，而高負(fù)荷厭氧消化能接受的最小進(jìn)泥含水率為85%。由于進(jìn)泥含水率的大幅度降低，厭氧消化池內(nèi)單位微生物量能接觸消化的有機(jī)物量大為提高，因而其產(chǎn)氣效率亦隨之提高；據(jù)國外案例介紹，產(chǎn)氣效率比傳統(tǒng)厭氧消化高出30%。

就污泥換熱方式而言，傳統(tǒng)厭氧消化一般采用循環(huán)污泥泵換熱，而高負(fù)荷厭氧消化采用污泥預(yù)反應(yīng)池補(bǔ)充熱水的方式攪拌換熱后進(jìn)入消化池，消化池內(nèi)僅設(shè)攪拌器保證泥質(zhì)均勻。

傳統(tǒng)厭氧消化池一般采用柱形或蛋形消化池，大規(guī)模尤以蛋形消化池居多。高負(fù)荷厭氧消化由于污泥粘滯性高、流動(dòng)性差，攪拌難度高，池形布置僅采用柱形，而且，為保證產(chǎn)氣效率，單池容積不宜超過5 000 m3。該工程采用的高負(fù)荷厭氧消化池共3座，單座直徑16 m，凈高32 m，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

污泥量：100 000 kgDS/d；

污泥含水率：85%

污泥體積：667 m3/d

揮發(fā)性固體含量：50%

揮發(fā)性固體量：50 000 kgVSS/d

污泥消化溫度：33℃～35℃

污泥消化時(shí)間：22.5 d

污泥投配率：4.4%

消化池總?cè)莘e：15 000 m3

消化池?cái)?shù)量：3只

揮發(fā)性固性負(fù)荷：3.33 kgVSS/m3·d（旱季）

揮發(fā)性有機(jī)物VSS降解率：50%

總降解率：25%

消化后污泥量：75 000 kgDS/d（75%含水率300 t/d）

沼氣產(chǎn)率：0.75 m3氣/kgVSS

沼氣產(chǎn)量：18 750 m3/d

5.2 污泥干化工程

污泥干化工藝的選型須考慮到系統(tǒng)的出泥含固率、安全性、綜合能耗，廢水廢氣的產(chǎn)生及處理，對(duì)進(jìn)泥含砂量、含水率波動(dòng)等多方面情況進(jìn)行甄別，選擇合適的機(jī)型。經(jīng)過方案論證，選擇進(jìn)口雙槳式干燥機(jī)作為首選機(jī)型。該機(jī)型由兩個(gè)互相嚙合的反向旋轉(zhuǎn)的配有加熱槳的攪拌器為核心，攪拌器安置在外殼為Ω形的儲(chǔ)料槽中，攪拌器的攪拌槳由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并直接與攪拌槳傳動(dòng)裝置減速機(jī)相連接，調(diào)速傳動(dòng)裝置保持與攪拌槳同步。整個(gè)干燥機(jī)外表面都有隔熱層減少熱量損失。濕污泥通過污泥螺桿泵精確計(jì)量后進(jìn)入槳葉式干化機(jī)內(nèi)，與在空軸和夾套內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油充分換熱，使污泥溫度升高，水分蒸發(fā)，其中的槳葉緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，防止污泥結(jié)塊。系統(tǒng)主要包括：干化系統(tǒng)、熱油系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、儲(chǔ)存運(yùn)輸系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、自控儀表系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)等。干化系統(tǒng)核心設(shè)備即槳葉式干化機(jī)、出料螺旋輸送機(jī)、出料冷卻輸送螺旋等。尾氣處理系統(tǒng)主要包括尾氣洗滌塔、冷凝器等。75 tDS/d（75%含水率300 t/d）設(shè)計(jì)2條雙槳式干燥機(jī)，單機(jī)規(guī)模在同類設(shè)備中領(lǐng)先。

雙槳式干燥機(jī)通過旋轉(zhuǎn)鍥型槳葉、鍥型槳葉和雙攪拌器的間隔，以及加熱的介質(zhì)通過空心槳葉和儲(chǔ)料槽，產(chǎn)生較大的熱交換面積，具備較高的熱效率。設(shè)備設(shè)計(jì)克服了干化塑性階段，達(dá)到含固率90%干度而不需要返混。90%干度設(shè)計(jì)凈熱耗650 kcal/kgH2O，而流化床干燥須保證670 kcal/kgH2O以上。雙槳式干燥機(jī)干燥過程如圖4。

圖4 污泥干化含固率變化過程示意圖

雙槳式干燥機(jī)采用低于7 rpm的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行速度，減少了污泥對(duì)槳葉的磨損，并在與污泥接觸部分采用特殊的耐磨涂層，因而設(shè)備的耐磨性更好。設(shè)備安全設(shè)計(jì)方面，通過控制對(duì)安全性具有重要影響的要素限制指標(biāo)來達(dá)到性能的安全運(yùn)行要求，簡要如下：

（1）粉塵濃度：＜50 g/m3；

（2）含氧量：＜1%；

（3）蒸發(fā)溫度：＜105℃；

為污泥干化車配套有導(dǎo)熱油鍋爐房，內(nèi)設(shè)三臺(tái)導(dǎo)熱油鍋爐臺(tái)位，近期常用，和干化機(jī)也為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，有利于干化機(jī)內(nèi)熱油的計(jì)量提供熱能的計(jì)算，有利于保持干化機(jī)出泥含固率的穩(wěn)定性。每臺(tái)導(dǎo)熱油鍋爐配備有沼氣和人工煤氣兩用燃燒器1臺(tái)，優(yōu)先使用沼氣，在沼氣量不足的情況下才使用人工煤氣燃燒供熱，其可通過控制系統(tǒng)自動(dòng)切換燃燒何種氣體，燃燒后的煙氣經(jīng)除塵后通過15 m高的煙囪穿過屋頂排放。熱油鍋爐內(nèi)進(jìn)油溫度為205℃，出油溫度為230℃，熱油通過熱油循環(huán)泵送至每臺(tái)干化機(jī)。

6 結(jié)語

（1）項(xiàng)目批復(fù)概算總投資為29 183萬元人民幣。其中，利用芬蘭政府優(yōu)惠貸款1 200萬歐元（約折合人民幣11 160萬元）；其余中央政府補(bǔ)助資金、環(huán)保部專項(xiàng)補(bǔ)助資金、省市財(cái)政配套資金等計(jì)13 970萬元，國內(nèi)商業(yè)銀行貸款4 053萬元。

（2）與同類型工程比較，采用高負(fù)荷厭氧消化+熱干化技術(shù)路線的工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用均低于同類工程，按500 t/d脫水污泥計(jì)，單位脫水污泥量總成本389元/t，可變成本187元/t，折算成噸水固定成本0.177元/m3d，可變成本0.085元/m3d，是云南省和昆明市開展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)的重點(diǎn)工程。

（3）昆明市政府通過中芬友好合作的模式，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，妥善經(jīng)濟(jì)地解決了主城區(qū)污水污泥的處理處置難題，其產(chǎn)生的環(huán)境效益和社會(huì)影響難以用經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)估計(jì)，在國內(nèi)外及業(yè)界產(chǎn)生了廣泛的影響。