污泥处理的目标是使污泥减量化、稳定化、无害化及资源化。对于我国大型城市污水处理厂, 目前较为完善的污泥处理技术路线为污泥浓缩、厌氧消化、脱水。为进一步提高污泥有机物的降解, 使后续的污泥处置和综合利用能顺利进行, 需进一步完善污泥处理工艺, 如:采用污泥热水解技术改善污泥脱水性能, 提高污泥厌氧消化性能, 加大对有机物的降解, 产生更多的沼气。基于上述目的, 北京市清河第二再生水厂污泥处理系统采用了预脱水+热水解+厌氧消化+板框深度脱水的污泥处理工艺。

　　 本文通过分析清河第二再生水厂污泥处理系统中热水解污泥厌氧消化系统与普通消化系统的差异, 提出了热水解污泥厌氧消化系统的技术特点, 并提出在设计运行中需关注的相关问题。

　　 北京市清河第二再生水厂工程是根据《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案 (2013~2015年) 》的要求确定的解决朝阳区污水排除及处理问题、改善地区水环境质量的工程。建设规模为50万m³/d, 设计出水水质达到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB 11/890-2012) 中B标准的要求。

　　 该工程污泥处理采用预脱水+热水解+厌氧消化+板框深度脱水工艺, 如图1所示。

　　 剩余污泥经过浓缩机浓缩后, 与经过除砂的初沉污泥混合, 利用预脱水机脱水至含水率83.5%, 进入热水解系统。热水解处理后的出泥经过稀释至含水率92%, 并通过冷却至38~42℃后, 进入污泥消化池进行厌氧消化。消化后的污泥经板框机压滤脱水至含水率60%以下。

　　 污泥处理系统主要建 (构) 筑物包括污泥浓缩预脱水机房、热水解系统、污泥消化系统、板框脱水机房、沼气脱硫、沼气锅炉房、储气柜等, 平面布置如图2所示。

　　 清河第二再生水厂产生的污泥主要是初沉污泥和剩余污泥, 与初沉污泥相比, 微生物利用剩余污泥进行厌氧发酵产甲烷相对更困难。原因是剩余污泥中的有机物大多为微生物的细胞物质, 包裹在细胞壁内以不溶性状态存在。为了改善剩余污泥的厌氧消化性能, 需要预先进行细胞破壁处理。本次设计采用热水解方式, 即在一定温度和压力下, 将污泥在密闭的容器中进行加热, 通过高温高压蒸汽使污泥中的颗粒污泥溶解, 胞外聚合物水解, 提高污泥的流动性、污泥颗粒的分散度以及污泥可生化程度, 从而提高厌氧消化的效率和产气量。热水解流程如图3所示。

　　 经过热水解处理后的消化池进泥具有以下特性:

　　 (1) 消化池进泥的污泥浓度比普通污泥高1倍 (含水率由96%降至92%) , 相应减少污泥体积50%。

　　 (2) 改善污泥的可生物降解性能, 提高单位时间内的污泥发酵产气量, 降低污泥在消化池内的停留时间。

　　 (3) 降低污泥黏度, 改善了污泥流动性和管道水力条件。

　　 (4) 提高了所产沼气中的甲烷成分。

　　 (5) 对污泥中的病菌、寄生虫卵等有杀灭作用, 提高了无害化水平。

　　 (6) 改善了污泥的脱水性能, 减少脱水污泥泥饼的体积, 可节省运输费用和能量消耗。

　　 基于热水解污泥的特性, 热水解厌氧消化较普通厌氧消化工艺参数差异如下 (以清河第二再生水厂设计规模50万m³/d为基准) :

　　 (1) 消化池污泥含水率降低:普通厌氧消化工艺污泥含水率在94%~96%;热水解厌氧消化工艺污泥含水率在90%~92%。

　　 (2) 消化池停留时间缩短:普通厌氧消化工艺停留时间20~30d;热水解厌氧消化工艺停留时间15d左右。

　　 (3) 有机物降解率:普通厌氧消化工艺有机物降解率>40%;热水解厌氧消化工艺有机物降解率>50%。

　　 (4) 有机物负荷:普通厌氧消化工艺有机负荷1~3kgVSS/ (m³·d) ;热水解厌氧消化工艺有机负荷2~5kgVSS/ (m³·d) 。

　　 (5) 消化池数量减少:普通厌氧消化工艺需要8座消化池 (单池有效池容11 500m³) ;热水解厌氧消化工艺仅需要4座同等大小的消化池。

　　 (6) 沼气产量增加:普通厌氧消化工艺沼气产量约34 400Nm³/d;热水解厌氧消化工艺沼气产量约51 600Nm³/d。

　　 目前, 国内大中型污水处理厂中采用的消化池外形多为圆柱形、卵形或龟甲形, 大多为钢筋混凝土池体, 土建施工难度较大, 施工周期相应较长。清河第二再生水厂采用圆柱形钢制消化罐, 罐体材质为碳钢, 与传统消化池 (卵形池) 比较具有下列特点 (以单池有效容积12 000m³为基准) :

　　 (1) 地上结构, 逐层焊接拼装, 土建施工难度小, 施工周期 (4~5个月) 较短。

　　 (2) 内外壁防腐做法:钢制消化罐喷砂除锈, 富锌底漆+环氧煤沥青>300μm;混凝土消化池内壁需做防腐, 液相部分采用聚合物涂料, 气相部分采用H87涂料。

　　 (3) 保温做法:钢制消化罐外侧壁及顶部采用聚乙烯高发泡保温板保温, 外敷彩钢板;混凝土消化池外侧壁及顶部采用发泡聚氨酯保温, 外敷彩钢板或铝合金板。

　　 (4) 投资费用:钢制消化罐约600万元/池 (包括基础处理、基底及池体等) ;同体积卵形消化池约1 000万元/池。

　　 消化罐采用底部进泥、下部排泥与上部排泥相结合的运行方式 (如图4所示) 。通过控制消化罐底部排泥管路上流量计进行底部排泥, 从图4可看出, 污泥进入消化罐后, 在水平方向上沿顺时针流动一周后至底部出泥管, 从而避免发生短流, 有效排出罐底沉砂, 也可通过上部溢流出料口排泥, 溢流出料口同时具有水封功能, 使罐内保持恒定的液位, 在溢流出水的同时也能够保证罐内沼气不会泄漏到罐外产生危险。

　　 为了使消化污泥混合均匀并协助气液相尽快分离, 在消化罐内设有机械搅拌装置, 在顶部安装立轴式搅拌器, 轴上设有3层搅拌浆叶。其特点: (1) 搅拌器顶部采用水封, 密封水采用清洁自来水 (或再生水) , 用于防止沼气顺轴泄漏到大气中; (2) 安装比较简单, 底部不需要支撑, 避免了污泥在支撑点附近的淤积; (3) 设置3层桨叶, 液体流态为自液面中部向下、再沿周边向上, 整个罐内液体混合较好, 无死区, 运行稳定可靠。

　　 经过热水解处理后的消化罐进泥温度53~64℃, 而消化罐设计厌氧消化温度38~42℃, 需对消化污泥进行罐外冷却处理 (传统消化池正好相反, 需对消化污泥进行加热处理) 。热水解污泥经一次冷却, 温度降至60~64℃后, 送至消化系统;每座消化罐对应1套循环冷却单元 (包括污泥循环泵、泥水热交换器等设备) , 由污泥循环泵将消化罐内的热污泥送至泥水热交换器, 经过热交换降温后的污泥再回到消化罐, 热水解出泥也进入消化罐, 通过池内混合, 使消化罐内泥温稳定在40℃左右。

　　 污泥的降温采用了管腔式泥水热交换器 (如图5所示) , 具有以下特点: (1) 开放式回流腔结构, 热交换面积大, 热交换效率高, 结构紧凑, 相对套管式热交换器占地面积小, 易于安装; (2) 模块化圆形污泥通道, 横断面积大, 水头损失小且堵塞可能性小; (3) 污泥在回流腔内充分混合, 可以保证污泥温度均衡; (4) 回流腔布置在设备两端, 拆卸容易、需要的空间小, 为设备的检修、维护工作提供了便捷。

　　 消化池顶部有沼气收集装置, 收集装置作为沼气出口, 配有沼气放空口, 放空口用以调试阶段和后续沼气处理系统出现紧急情况时沼气放空;放空管道上装有阻火器, 以保证沼气放空过程安全。

　　 正常运行时, 消化罐内沼气压力为3kPa, 设计中在罐顶配置机械式高低压保护装置 (设定值0.3~4.50kPa) , 当罐内压力超过设定高压值时释放罐内压力, 当罐内压力低于设定负压值时破坏真空, 从而对罐体实行有效保护。此外, 在高低压释放管道上装有阻火器, 防止火源顺释放管道进入消化罐产生危险 (沼气收集装置及高低压保护装置见图6) 。

　　 为防止浮渣累积堵塞溢流出泥口, 消化罐设置了浮渣排放系统:包括浮渣排放口、浮渣排放管 (下端配有手动和气动阀) 以及配套观察检修设施。浮渣排放包括两方面工作内容: (1) 通过程序控制, 定时开启气动阀, 通过浮渣排放管将污泥表面的浮渣排入浮渣井; (2) 利用带刮板视镜 (设置于罐壁液面位置) 或池顶浮渣观察检修口观察罐内污泥表面浮渣的累积情况, 必要时可通过视镜上方冲洗口或池顶浮渣排放斗清理口对浮渣进行清理, 情况严重时还可由池顶浮渣观察检修口进入消化罐内部进行检修 (见图7、图8) 。

　　 消化罐罐体上设有3处采样管 (顶部、中部和底部) , 操作人员可以根据需要对不同高度的罐内物料进行取样, 随时掌握罐内工况, 中部采样管见图9, 顶部采样管与底部采样管均位于控制塔室内, 顶部采样管与消化罐溢流出泥管连接, 底部采样管与循环污泥出消化罐管连接。

　　 消化罐罐体上配备有顶部雷达液位计及侧壁静压式液位计, 以便在测试、调试、维护和运行阶段掌握池内液位高低 (见图10) 。

　　 由于进泥中含砂量较大, 去除效果不理想时, 大部分泥沙将沉淀在消化池底部, 沉积量过大一来会影响消化罐有效罐容, 二来堵塞底部管线, 因此需定期对消化罐进行卸空排砂。消化罐底部最低处设置3处排砂管, 必要时对消化罐进行清空排砂 (见图11) 。

　　 (1) 消化罐顶4m范围内均为防爆区域, 需采取防爆措施:防爆区域所有电气、自控及照明均须采用防爆设备, 配置沼气报警探头, 电气系统按防爆考虑等。

　　 (2) 消化罐体及循环管路上需配置温度、pH、沼气压力等在线监测设备, 随时提供池内工艺运行参数, 以便操作人员进行运行管理。

　　 (3) 热水解消化系统由于沼气产量较普通厌氧消化要高, 且随搅拌均匀程度会有较大变化, 因此, 消化罐顶部要预留合适的气相空间, 均衡产气量变化较大对沼气管路系统产生的影响。

　　 (4) 污泥含砂对污泥管道系统、热交换器系统、消化罐等均有较大影响, 因此污泥处理系统要采取有效措施, 尽可能降低污泥中的含砂量。

　　 (5) 热水解消化污泥消化后的滤液中COD、氨氮含量显著升高, COD多为难降解性质;该滤液直接排入处理厂污水管, 进入处理厂前端进行处理, 将加大处理厂运行负荷, 对处理过程有影响, 需加以关注。

　　 (6) 污泥中含渣量多对消化罐运行影响较大, 因此设计中对污泥除渣需加以关注。通常最好在污泥进入污水处理系统或污泥处理系统前端进行除渣, 同时在消化罐顶部要设置良好的排浮渣系统。

　　 (7) 钢制消化罐的气相设计压力较混凝土消化池低, 因而导致沼气系统运行压力偏低, 沼气系统设计时需考虑充分。

　　 (8) 污泥管路在运行过程中可能发生堵塞, 设计中要充分考虑污泥输送管路的疏通, 多设置疏通口和冲洗口。

　　 在清河第二再生水厂污泥处理工艺设计中, 预先对污泥进行热水解处理, 改善了污泥的厌氧消化性能, 相应提高了厌氧消化的固体负荷 (有机物降解率) 和产气量。与传统厌氧消化池比较而言, 钢制厌氧消化罐具有土建施工简便、投资费用省等优点, 具有良好的发展前景。