随着我国城市化的迅速发展, 污水处理厂的污泥产生量与日俱增, 预计到2020年污泥年产生量将达到6 000~9 000万t (以含水率80%计) , 如何实现污泥的减量化、无害化、稳定化、资源化成为当今污泥处理行业的研究重点。传统厌氧消化技术在国内外已有大量成功案例, 近年来, 随着我国对环境保护的高压监管, 对可再生能源利用及降低运行成本的追求, 高级厌氧消化技术成为污泥处理领域的重要发展方向。所谓高级厌氧消化相对于传统厌氧消化能够有效提高有机物分解率、增加沼气产量、改善脱水性能、消灭病原菌等。目前, 高级厌氧消化主要有高温消化、两相消化、协同消化以及热水解厌氧消化等技术形式^[1]。本文对北京某污水处理厂热水解厌氧消化系统的启动及运行调试进行了总结。

　　 该污水处理厂为新建, 采用MBR工艺, 设计污水处理量60万m³/d。自2016年10月开始投入运行, 其污泥处理工艺采用污泥浓缩+污泥预脱水+热水解+厌氧消化+板框脱水, 其工艺流程见图1。厂内设计有4条热水解线, 最大处理能力为244t DS/d, 除本厂产泥可全部处理外, 还可协同处置其他污水处理厂产生的湿泥。消化池采用钢制柱型结构, 共5座, 单座有效容积11 450m³。消化池进泥全部为剩余污泥。

　　 热水解技术是指污泥在密闭容器中进行物理、化学反应, 将微生物细胞壁进行破碎, 加快固体有机物的溶解及水解速率, 同时可杀灭污泥中病原菌及蛔虫卵, 实现污泥的无害化处理^[2]。污泥热水解过程作为厌氧消化的预处理过程, 首先污泥进入浆化罐, 利用工艺的废热对污泥进行加热, 通常污泥会加热到90℃然后进入反应罐。反应罐的数量根据处理规模大小而有所不同 (厂内单条线设4个反应罐, 每个反应罐有效容积12m³, 固相空间8m³, 气相空间4m³) , 在反应罐内通过锅炉产生的蒸汽将污泥加热到165℃左右, 压力维持在0.65 MPa, 反应30min左右;反应之后的污泥通过压差进入闪蒸罐进行闪爆, 细胞壁大量破碎, 释放出细胞内的蛋白质、矿物质等, 使之成为易降解的氨基酸、挥发性脂肪酸及碳水化合物等小分子物质^[3]。反应罐和闪蒸罐的废气返回浆化罐预热下一批污泥, 闪蒸罐出泥温度通常在110℃, 需经过稀释、冷却后再进入消化池。

　　 厌氧消化技术可以分解有机物产生大量沼气, 同时可对沼气进行回收再利用, 可以实现污泥的稳定化、减量化。因此, 污泥厌氧消化技术在世界各国得到广泛应用。按照三阶段理论, 传统厌氧消化需经历水解、产酸、产甲烷3个阶段, 在水解阶段, 污泥中有机物在微生物细胞壁的保护下, 很难被水解酶水解, 造成水解周期相对较长, 使得污泥停留时间相应增加。为解决传统厌氧消化技术处理效率不高问题, 国内外进行了大量研究, 且发明了很多采用物理、化学、生物等细胞破壁技术方法, 以提高污泥厌氧消化处理效率。热水解技术作为厌氧消化的预处理过程, 可以有效提高厌氧消化效率^[3]。

　　 该污水处理厂厌氧消化系统为中温厌氧消化, 进排泥采用底部进泥、顶部溢流排泥方式;搅拌方式采用机械搅拌;前端设有两级换热系统, 一级换热为热水解出泥经过一级板式换热器进行水、泥换热, 将热水解后污泥降温至60℃左右通过进泥泵注入消化池, 二级换热为消化池内污泥经过二级板式换热器进行自身内循环换热, 达到控制池内温度目的;后端设有沼气脱硫系统、沼气存储系统、沼气利用系统, 沼气利用系统主要为沼气锅炉燃烧产生蒸汽供热水解使用以及冬季采暖使用, 为充分利用沼气能源, 后期会加入沼气发电项目。

　　 由于该污水处理厂为新建厂, 未经历传统厌氧消化向高级厌氧消化的转换过程, 采用污泥接种培养直接启动的方式。首先启动1#、2#、5#3座消化池, 利用冷却水泵向3座消化池各注入5 000m³再生水, 完成清水联动以后, 开始对3座消化池、气柜及沼气管线气相空间进行氮气置换, 直到消化池内氧气含量降到5%以下。在清水联动及氮气置换期间通过锅炉采暖系统对3座消化池进行加热, 当池内温度达到35℃时开始进行污泥接种操作。3座消化池稳定运行后再启第4座 (3#) 消化池, 第4座启动过程未经氮气置换, 采用现有3座消化池向其直接排泥的方式, 使其迅速达到工作液位以最短时间避开沼气爆炸极限区。第5座 (4#) 消化池启动方式同第4座。

　　 本次污泥接种培养采用北京某污水处理厂热水解厌氧消化后的污泥进行接种, 单池接种4 000m³, 接种后继续补水至工作液位, 接种期间每天监测池内温度、pH及甲烷含量变化, 接种后第8天甲烷含量超过30%开始对沼气管线进行并网操作, 接种第10天沼气管线内甲烷含量达到45%可燃烧状态。历经14天完成3座消化池接种培养工作。图2为3座消化池接种期间甲烷含量变化情况。

　　 污泥接种培养工作结束后, 启动热水解系统向消化池内进热水解后污泥, 第1天热水解处理泥量按照消化池内污泥绝干量的10%设置运行批次, 第2天以后按照上一天进泥绝干的5%增加负荷, 并合理分配至3座消化池。首先启动2条热水解生产线, 当2条生产线达到满负荷运行后启动第3条生产线。

　　 酸碱比即VFA/TAC和沼气中CH₄含量是判断消化系统运行是否稳定重要指标, 正常运行时, VFA/TAC一般<0.3。当VFA/TAC>0.3并继续升高时, 预示系统运行可能出现异常, VFA将会不断增高, 随之pH出现下降^[3]。图3为1#、2#、5#3座消化池VFA/TAC变化情况。3座消化池VFA/TAC基本维持在0.1左右, 未出现>0.3的情况, 表明调试运行期间系统运行比较稳定。

　　 沼气中CH₄含量变化也可预测系统运行是否稳定, 当CH₄含量突然下降时, 说明进泥中存在有毒物质造成甲烷菌中毒, 当CH₄含量逐渐下降时, 表明消化池进泥有机负荷超负荷。自消化系统投加热水解污泥后池内甲烷含量基本维持在50%~62%, 表明池内微生物环境健康, 热水解厌氧消化系统整体运行稳定。

　　 通过对消化系统沼气产量随消化池进泥量变化分析表明, 如图4所示, 经过热水解后的污泥可以有效缩短水解周期, 从而提高厌氧消化性能, 使得消化池内产气速率较快, 随着进泥负荷的提升, 沼气产量也随之增加。目前, 所产沼气主要用于厂内沼气锅炉燃烧产生蒸汽供热水解利用, 多余沼气通过废气燃烧器处理。

　　 通过对调试阶段运行数据的分析, 各项数据基本符合设计要求, 表明系统总体运行稳定, 同时也存在后续在成本及系统稳定性、沼气利用等方面需改进优化的问题 (见表1) 。

　　 由于热水解厌氧消化系统在国内运行稳定水厂相对较少, 采用污泥接种培养直接启动的方式也是全国首例。因此, 在启动调试运行过程中难免会遇到一些问题, 影响到系统的整体效率以及安全性和稳定性。

　　 由于热水解系统是一套封闭的全自动系统, 对进泥泥质要求较高, 一旦泥中含有石子、螺旋衬板等坚硬杂质, 将会造成进、出泥泵出现堵塞或损坏情况, 严重影响热水解工作效率。

　　 热水解系统对进泥含水率要求也较高, 通常进泥含水率控制在83.5%为最佳运行工况, 当含水率过低时会造成热水解进泥管线压力偏高甚至堵塞情况, 当含水率过高会使得整个系统运行效率较低, 成本相应增加。

　　 消化池能否稳定运行, 温度控制至关重要。由于热水解系统出泥温度较高, 需经过换热器降温至合适温度再排至消化池内, 才能避免消化池温度上升过快。由于污泥粘性较大会在换热器内壁形成粘结, 使得换热器换热效率下降, 从而致使进入消化池内污泥温度偏高, 池内温度逐渐上升, 不易于控制。

　　 需定期对换热器进行清洗, 同时在设计阶段对换热器选型及换热方式需重点考量。

　　 热水解在运行过程中会产生工艺废气从浆化罐排至消化池内, 工艺气内含有强烈刺激性气味的有毒有害气体, 在排放过程工艺气会形成冷凝水回收至冷凝水收集罐。在运行过程中可能会出现因工艺气管线设计坡度、管径不够问题导致冷凝水不能顺利回收至收集罐而存在管线内, 造成工艺气很难顺利排放至消化池, 从而使得浆化罐内压力不断升高, 最终导致热水解系统停机, 影响系统工作效率。

　　 (1) 通过污泥接种的方式可以有效缩短热水解厌氧消化系统启动时间, 产气速率较快, 可以迅速避开沼气爆炸极限。

　　 (2) 热水解技术可以有效缩短固体有机物水解周期, 提高厌氧消化效率。

　　 (3) 分析了启动调试过程需重点关注的问题并提出了改进措施。