摘要：污泥是一種固體廢棄物，會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，應(yīng)進(jìn)行妥善處置。四川省某污泥處置項目，運(yùn)用了一種以“好氧發(fā)酵罐”作為核心設(shè)備的好氧發(fā)酵工藝，并且設(shè)備具有噸投資相對較低、成本節(jié)約、占地面積小、環(huán)境友好的特點，處置后的污泥產(chǎn)品滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）的標(biāo)準(zhǔn)要求，總能耗為138.12kWh/d·t濕污泥，單位電耗除水率為2.42kg/kWh。該工藝與目前國內(nèi)污泥處置工藝的能耗水平相當(dāng)，綜合來看工藝運(yùn)行穩(wěn)定、處置效果良好，具有推廣價值。

關(guān)鍵詞：污泥處置；罐式好氧發(fā)酵；工程應(yīng)用

引言

城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水過程中會產(chǎn)生污泥（0.3%～0.5%以含水率97%計）[1]，而未經(jīng)處理的污泥是一種固體廢棄物且會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。按照我國環(huán)境政策要求，污泥應(yīng)當(dāng)進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化和無害化處理，并以污泥無害化處理為核心[2]，在資源化利用為導(dǎo)向的前提下，積極進(jìn)行處置技術(shù)的探索。四川省某污泥處理項目，在立項前期進(jìn)行了積極探索，通過多次比選和論證工作，最終確定采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)處置污泥。本文對該項目進(jìn)行實例分享以供參考。

1工藝選擇的影響因素

《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》提出，“因地制宜合理選擇污泥處理路徑和技術(shù)路線。鼓勵采用厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、土地利用、建材利用等多元化組合方式處理污泥”[3]。因此，四川省某污泥處理項目在初期需要對多種工藝進(jìn)行比選，本文對比選過程中業(yè)主單位及專家重點關(guān)注的因素進(jìn)行了總結(jié)，本節(jié)主要對這些重點影響因素進(jìn)行介紹。

1.1 污泥含水率因素

根據(jù)污水處理廠污泥脫水工藝的不同，運(yùn)到污泥處置廠的污泥含水率有2種，即60%左右和80%左右。當(dāng)污泥含水率在60%左右的時候可以直接進(jìn)行處置，但當(dāng)污泥含水率在80%左右的時候，無論采用何種處理工藝都需要先對污泥進(jìn)行深度脫水預(yù)處理。常見的污泥深度脫水工藝包括板框壓濾、高壓壓濾等。其中，板框脫水成本較低，80%左右含水率的污泥無法直接進(jìn)入脫水系統(tǒng)，需先對污泥進(jìn)行稀釋，這種操作方式大大增加了污泥處理成本，因此要實現(xiàn)項目的安全穩(wěn)定及較低成本運(yùn)行，污泥含水率因素對工藝選擇的影響較大。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素

在實際方案比選的過程中，噸投資和成本指標(biāo)是被重點關(guān)注的2個技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其中，噸投資的高低是由業(yè)主建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求、土地費用等指標(biāo)共同決定的，通常污泥處置項目的噸投資在50萬元/t（含水率80%）左右，成本則重點關(guān)注直接運(yùn)營成本（不含折舊費用）約在200～300元/t（含水率80%）。

1.3 場地限制因素

現(xiàn)有場地規(guī)模大小也對污泥處理工藝的選擇有較大影響，如某場地僅5畝（1畝≈666.67m2），要求建設(shè)處理污泥量為100t的項目，因此成本較低的常規(guī)好氧發(fā)酵工藝就無法適用，只能選擇集成度較高且相對成本較高的工藝。通常情況下，污泥處置項目100t/d（含水率80%）規(guī)模，占地面積約在5～10畝。

1.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因素

受技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影響，在2021年前我國污泥處置是可以農(nóng)用的，并且制定了相應(yīng)的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)[4]。而2021年后《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）的出臺[5]，導(dǎo)致污泥無法農(nóng)用，限制了部分項目的工藝選擇，導(dǎo)致部分項目污泥產(chǎn)品消納困難。

1.5“雙碳”政策因素

污泥處置過程中會產(chǎn)生直接碳排放和間接碳排放。其中，直接碳排放包括處理過程中產(chǎn)生的CH4、CO2等，間接碳排放主要體現(xiàn)在處理過程中產(chǎn)生的電耗、藥劑消耗等。雖然目前對于污泥處置項目的碳指標(biāo)核算方法學(xué)還在建立和探索當(dāng)中，但受“雙碳”政策影響，未來污泥處置項目的碳排放應(yīng)當(dāng)是工藝選擇的重要影響因素。

1.6小結(jié)

綜合上述影響因素，針對四川省某污泥處理項目要求具有噸投資相對較低、成本節(jié)約、占地面積小、處置后污泥用于園林綠化及環(huán)境友好等特點，經(jīng)過多輪的論證比選，最終選擇了采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)處置污泥。

2工程概況

四川省某污泥處置項目，位于四川省攀枝花市某經(jīng)濟(jì)發(fā)展園區(qū)內(nèi)，是該園區(qū)內(nèi)餐廚和污泥處置中心內(nèi)的附屬項目，主要處理生活污水處理廠產(chǎn)生的污泥，處理能力30t/d（含水率60%），采用罐式好氧發(fā)酵技術(shù)，處理后污泥符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）標(biāo)準(zhǔn)[6]，產(chǎn)量約10t/d（含水率40%），產(chǎn)品主要作為營養(yǎng)土用于園林綠化。

2.1 工藝流程

四川省某污泥處置項目的主要工藝流程為污泥（含水率60%～70%）運(yùn)輸至卸料倉；卸料倉內(nèi)的污泥通過螺桿泵運(yùn)輸至混料機(jī)與處置后污泥（含水率40%）進(jìn)行混合，控制物料含水率在60%左右；混合好的物料進(jìn)入“好氧發(fā)酵罐”內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵（7～14d）；完成處置的污泥在產(chǎn)品料倉內(nèi)儲存。四川省某污泥處置項目具體工藝流程如圖1所示。

2.2 核心設(shè)備

罐式好氧發(fā)酵工藝的核心設(shè)備為“好氧發(fā)酵罐”，是一種立式的好氧發(fā)酵罐，采用連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料的方式運(yùn)行，罐體內(nèi)部無機(jī)械攪拌裝置，通過發(fā)酵罐四周的空氣管路鼓入高壓空氣，實現(xiàn)好氧發(fā)酵過程中的供氧。該好氧發(fā)酵罐設(shè)備具有不需要添加輔料、密封效果好、高度機(jī)械自動化等特點。好氧發(fā)酵罐設(shè)備工作原理如圖2所示。

2.3 工藝參數(shù)

罐式好氧發(fā)酵工藝的主要參數(shù)由進(jìn)料量、進(jìn)料含水率、出料量、出料含水率、發(fā)酵溫度、物料停留時間、發(fā)酵時間、曝氣量、返混料比例構(gòu)成，詳見表1。工藝的核心設(shè)備“好氧發(fā)酵罐”發(fā)酵溫度控制在60～70℃，發(fā)酵時間（物料停留時間）控制在7～14d，曝氣量約4000m3/h，可以通過好氧發(fā)酵，將污泥含水率由60%降低至40%。

物料停留時間的計算如式（1）所示。

式中 T—物料停留時間，d；m1—進(jìn)入“無機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的質(zhì)量，t；M—“無機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的總質(zhì)量，t。

返混料比例的計算如式（2）所示。

式中 w—返混料比例，%；m1—與式（1）同注；m2—由產(chǎn)品返回“無機(jī)械攪拌好氧發(fā)酵罐”內(nèi)物料的質(zhì)量，t。

3工程運(yùn)行情況

3.1 外觀狀態(tài)

進(jìn)入污泥處置系統(tǒng)前的物料，外觀整體呈黑色、塊狀（長度20～40cm）、致密、有臭味的固體，如圖3a所示。丁峰等[7]認(rèn)為污泥缺氧過久會導(dǎo)致污泥呈黑色。在水處理行業(yè)，污泥顏色呈黑色通常是污泥內(nèi)部溶解氧濃度低、泥齡老化、微生物活性差的特征，該類污泥不能再進(jìn)入污水處理系統(tǒng)中使用，需及時處理。塊狀和致密的特征主要是由于板框壓濾脫水導(dǎo)致的，雖然板框壓濾實現(xiàn)了污泥中部分水分的脫除，但污泥仍然存在有機(jī)質(zhì)含量高、易腐敗變臭的問題，因此仍需要進(jìn)一步處理。

臭味主要來源于污泥當(dāng)中硫酸鹽還原菌的生長，該菌種特別適合在厭氧或缺氧環(huán)境下生長，可將污泥當(dāng)中的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫釋放出來，翁煥新等[8]的實驗也證實了該觀點。經(jīng)過污泥處置系統(tǒng)后的產(chǎn)品，整體呈褐色、粉狀（粒徑1～5mm）、輕質(zhì)、無味的固體，如圖3b所示。胡佩佩等[9]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過深度脫水好氧發(fā)酵腐熟完成的污泥，會呈現(xiàn)灰褐色、深棕色，干燥疏松，腐熟后無明顯刺激性臭味的特征，這與本項目污泥處置系統(tǒng)后的產(chǎn)品外觀狀態(tài)一致。通過處理前后對比，本項目采用的罐式好氧發(fā)酵工藝達(dá)到了污泥處置外觀狀態(tài)的需求，效果良好。

3.2 理化指標(biāo)

污泥產(chǎn)品的主要用途為園林綠化用泥，為了驗證在罐式好氧發(fā)酵工藝下生產(chǎn)的污泥產(chǎn)品能否達(dá)到要求，參考GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)要求，詳見表2。在通常情況下，污泥好氧發(fā)酵會選擇添加鋸末、秸稈、活性炭等輔料，楊廣平等[10]的研究認(rèn)為添加輔料有助于好氧發(fā)酵進(jìn)行。而罐式好氧發(fā)酵工藝從實際生產(chǎn)出發(fā)，輔料的成本較高且來源不穩(wěn)定，很容易導(dǎo)致項目整體經(jīng)濟(jì)效益偏低甚至虧損，因此在工藝當(dāng)中沒有添加輔料。為了驗證在不添加輔料的情況下，污泥產(chǎn)品是否還能滿足GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)對理化指標(biāo)的要求，于是針對處置前后樣品進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示不添加輔料也能完全滿足GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中的要求。卜超等[11]對無輔料添加污泥好氧發(fā)酵進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果也證明無輔料添加污泥好氧發(fā)酵能夠達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 污染物指標(biāo)

根據(jù)GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)，污染物指標(biāo)主要包括重金屬及其它污染物，因此針對重金屬及其它污染物指標(biāo)進(jìn)行檢測，如表3所示的結(jié)果顯示均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，罐式好氧發(fā)酵工藝在好氧發(fā)酵過程中不會額外產(chǎn)生重金屬，但處理后產(chǎn)品在作為園林綠化用土的過程中可能會產(chǎn)生重金屬的富集。楊琨[12]在其研究中也持有相同觀點，認(rèn)為“通過施加好氧發(fā)酵污泥，植物根際土壤中重金屬含量會小幅升高”。因此，四川省某污泥處理項目采用罐式好氧發(fā)酵工藝應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)中5.1條、5.2條、5.3條的表述確定合理用量。同時，由于GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)未涉及具體施用量和施用方法的問題，因此在工程實踐中缺乏依據(jù)，鑒于此，可參考《污泥產(chǎn)品林地施用技術(shù)規(guī)范》（DB11/T 2124-2023）來輔助確定，最大程度上避免重金屬對環(huán)境的污染。由于其它污染物在本項目的污染物指標(biāo)檢測當(dāng)中未檢出，因此未作討論。

3.4 能耗分析

為了對罐式好氧發(fā)酵技術(shù)的能耗水平有一個全面的認(rèn)識，如表4所示對各個單元的能耗水平進(jìn)行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，四川省某污泥處理項目的總能耗為138.12kWh/d·t濕污泥。其中，發(fā)酵單元的能耗為107.57kWh/d·t濕污泥，占整個項目總能耗的77.88%，是項目能耗最高的工作單元。四川省某污泥處理項目的能耗水平與毛曉飛等[13]研究的泰安第一污水處理廠污泥好氧發(fā)酵工程能耗結(jié)果（101.24kWh/d·t濕污泥）相近。同時，參考式（3）計算四川省某污泥處理項目單位電耗的除水率為2.42kg/kWh，與裴鋒初等[14]研究的熱泵-循環(huán)風(fēng)工藝的單位電耗的除水率接近（2.66kg/kWh）。因此，通過能耗分析發(fā)現(xiàn)，四川省某污泥處理項目采用的工藝能耗水平與目前常見的污泥處置工藝能耗水平接近。

單位電耗除水率計算如式（3）所示。

式中" "k—單位電耗除水率，kg/kWh；m3—濕污泥（由含水率80%變?yōu)楹?0%）所脫去的水分質(zhì)量，kg/d·t濕污泥；W—系統(tǒng)的單位電耗，kWh/d·t濕污泥。

結(jié)論

①根據(jù)對四川省某污泥處置項目的分析，發(fā)現(xiàn)影響項目前期工藝選擇的因素很多，可將污泥含水率、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、場地限制因素、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求和“雙碳”政策作為重點關(guān)注因素。而以“好氧發(fā)酵罐”作為核心設(shè)備的好氧發(fā)酵工藝，具有噸投資相對較低、成本節(jié)約、占地面積小、環(huán)境友好的特點，能夠滿足上述因素要求。

②罐式好氧發(fā)酵工藝整體運(yùn)行穩(wěn)定、污泥的外觀狀態(tài)、理化指標(biāo)均達(dá)到GB/T 23486-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求，但由于針對園林綠化施用標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，為避免處理后的污泥產(chǎn)品在施用過程中產(chǎn)生重金屬累積效應(yīng)，應(yīng)同時參考DB11/T 2124-2023標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來輔助確定施用方法。

③罐式好氧發(fā)酵工藝的總能耗為138.12

kWh/d·t濕污泥，折算單位電耗的除水率為2.42kg/kWh，與目前國內(nèi)污泥處置工藝的能耗水平相當(dāng)。

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作者簡介

王星（1990—），男，漢族，甘肅蘭州人，工程師，碩士，主要從事有機(jī)固廢處理工作。

通信作者

郭清吉（1983—），男，漢族，山東東營人，副高級工程師，碩士，主要從事新能源環(huán)境科學(xué)與工程相關(guān)的工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-10