汙泥熱水解+厭氧消化技術將佔據汙泥處理工程「C」位?

近年來，隨著我國汙泥問題的凸顯和國家對環境保護的日漸重視，城鎮汙泥的減量化、穩定化、無害化處理處置被提上了日程，一批汙泥處理處置設施得到了建設。在汙泥處理處置的各技術中，厭氧消化由於能在實現汙泥常規處理處置的同時，實現能源化(產甲烷)，被列入我國政府主推的幾種汙泥處理處置主導技術。在我國汙泥厭氧消化設施的實際運行中，汙泥處理處置設施運行效率受制於低有機質、高含砂量等泥質特性的影響，整體運行和產甲烷效率明顯低於歐美發達國家同等規模的厭氧消化設施。為保證汙泥厭氧消化系統的高效運行，實現汙泥的穩定化和無害化，合理的預處理技術勢在必行。汙泥熱水解技術作為汙泥厭氧消化主要的預處理技術之一，能夠實現汙泥的破壁、有機物的溶出和病原體的殺滅，在實際工程中得到了廣泛應用。

本文在綜述汙泥厭氧消化和高溫熱水解技術特徵的基礎上，對當前工業中主流的裝備進行了分析，並結合實際案例對裝備運行效能進行了分析，以期為實際汙泥厭氧消化設施的運行提供技術支撐。

1  技術原理及特點

1.1汙泥熱水解技術

汙泥熱水解技術的工作原理是將脫水汙泥(一般含水率在85%~90%左右)和溫度為150~260℃、壓力為1.4~2.6MPa的飽和蒸汽加入密閉的反應釜，通過蒸汽對汙泥進行間接加熱，使汙泥菌膠團、內部微生物和有機物水解破壁，從而使細胞失活，同時胞內部分有機物如蛋白質和多糖等，得以釋放並進入上清液。

該技術起源於20世紀30年代，起初用於改善汙泥脫水性能;70年代末開始用於汙泥預處理，以提高汙泥厭氧消化性能;90年代後被開發用於反硝化碳源的獲取和活性汙泥的減量研究;1995年Cambi公司在挪威哈馬爾的HIAS汙水處理廠首次建造熱水解裝置作為汙泥處理工藝的一部分，在此基礎上形成了汙泥熱水解——厭氧消化技術體系。需要說明的是，熱水解技術自身能夠實現汙泥的無害化、減量化、穩定化：熱水解使汙泥含固率提高、脫水性能增強，從而實現汙泥處理的減量化;高溫高壓過程使病原菌滅活，實現汙泥處理的無害化;熱水解後有機物通過固液分離轉移至濾液中，使得幹汙泥中可生化降解的有機物減少50%以上，從而達到穩定化。

汙泥熱水解過程包括固體物質溶解液化和有機物水解兩個過程。汙泥經熱水解處理後，汙泥上清液中的溶解性物質濃度大幅提高，尤其以汙泥中蛋白質和糖類的溶出最為突出，能改善汙泥的脫水性能和厭氧消化性能。相較於傳統的超聲和臭氧氧化法，熱水解技術對汙泥有機物胞外聚合物的破壁能力更強，有利於後續的汙泥生化處理，熱水解後汙泥通過固液分離裝置分離為幹化汙泥和濾液。

1.2汙泥厭氧消化技術

汙泥厭氧消化是指利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解汙泥中有機質的一種處理工藝。厭氧消化一般包括水解、酸化和產甲烷等階段。通過厭氧消化，汙泥體積減少為原來的30%~50%，脫水效果提高，水分與固體易於分離，穩定性增強，無明顯的惡臭;同時厭氧消化過程能有效減少有毒病菌並產生大量的甲烷氣體。衡量汙泥的厭氧消化性能和產氣性能的2個指標：單位質量揮發性固體(VS)產氣量和分解單位質量揮發性固體產氣量，美國汙水處理廠設計手冊中這2項指標的最佳範圍分別為0.5~0.75L/g和0.75~1.12L/g，國內無明確規定。雖然汙泥厭氧消化過程具有有效降解汙泥有機物、殺死汙泥中病原體、減小汙泥體積及回收能源等優勢，但厭氧消化系統在運行過程中存在著水力停留時間長(10~20d)和有機物去除率較低(20%~40%)等缺陷。

2  工藝配套裝備

2.1汙泥熱水解裝備

目前汙泥熱水解常用的裝備為水熱反應釜，水熱反應釜大多為圓柱形罐體，內部設換熱裝置和機械攪拌裝置等。長沙市汙泥處理處置工程採用汙泥熱水解-厭氧消化系統，其中熱水解的關鍵設施為汙泥漿化裝備，主要包括1套汙泥漿化罐、8套汙泥熱水解罐(圖1(a))、1套混合及儲泥罐和2套熱交換器。各裝置規格如下：汙泥漿化罐流量為20m3/h;汙泥循環泵4臺，流量為20m3/h(2用2備);汙泥熱水解罐直徑1.6m，高4m;熱交換器2套，電機功率為5.0kW，混合及儲泥罐電機功率為7.5+22kW。

各裝備運行示意如圖2所示，具體運行過程及參數如下。

(1)漿化裝備——汙泥從料倉柱塞泵提升至漿化裝備，在漿化裝備中利用閃蒸蒸汽加熱漿化至70~80℃，然後泵送至熱水解反應罐。漿化裝備運行時為連續進料、連續出料，反應罐產生的閃蒸蒸汽通過漿化裝備內部分配管和閥門通至漿化裝備的不同部位。在漿化裝置內部，通過壓力表、安全閥、安全水封等動態調整保證漿化裝備內的壓力安全。

(2)熱水解反應罐——熱水解反應罐中利用鍋爐蒸汽加熱至130~150℃，保壓一段時間後洩壓，洩壓蒸汽進入閃蒸蒸汽罐後再進入漿化裝備預熱生泥，洩壓後反應罐內的汙泥通過出漿泵排至熱交換器。熱水解反應罐一個周期為90min，分為進泥(15min)、加熱(15min)、保壓(30min)、洩壓(15min)、排泥(15min)5個過程，各反應罐可聯動工作。

2.2汙泥厭氧消化裝備

汙泥厭氧消化裝備主要包括汙泥厭氧消化池(罐)主體(圖1(b))、進料系統、攪拌系統、沼氣收集裝備、沼氣淨化裝備和沼氣安全裝備。各裝備的主要特徵如下。

(1)消化池(罐)——可分為常規混凝土建造設施和一體化裝備。

常規的混凝土建造設施一般由池底、池體和池頂三部分組成，池底為倒圓錐形;池體主要有圓柱形、卵形和龜甲形等幾種(圓柱形應用最廣泛);池頂可分為固定蓋式和浮動蓋式兩種。整體而言，柱形消化池的反應罐直徑在6~40m之間，罐體內有一坡度為15%的錐底以及一個位於反應罐中心的排泥出口，運行時需保證罐體的汙泥深度最低達到7.5m，以保證反應器內物料的充分混合，部分消化池也會配置格子狀的底部來減少罐體底部的不均勻沉砂，進而減少反應器的清洗次數。相對應的，卵形汙泥消化器是一種改進的池形，該形狀的池體可降低砂石和浮渣積累，缺點為基建費較高，且缺少足夠的氣體貯存空間。

編輯：汪茵