污泥高固体厌氧消化与热干化联合系统能效评估

张玉瑶，李 欢，李忱忱，郭 昉，吴毅晖

(1.深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，清华大学深圳研究生院，深圳 518055;2.清华大学深圳研究生院—格林美城市资源循环利用工程技术研究中心，深圳 518055;3.昆明滇池水务股份有限公司，昆明 650100)

随着城镇污水处理系统的完善和处理标准的提高，污泥产生量不断增加，成为典型城市废弃物。根据城镇社会经济状况以及污泥性质特点，污泥处理可以采用不同的处理流程。污泥厌氧消化与热干化联合处理工艺可以利用沼气干化污泥，能以较低能耗实现污泥的减量化和资源化［1］。例如，我国上海白龙港污泥处理工程［2～4］基于系统热量自平衡的考虑，采用全部消化与部分干化相关联技术，实现干化热量零补给的目标;德国汉堡等污水处理厂采用了污泥消化、干化与焚烧系统的联合［5］，实现了外加燃料需求量为零的预期效果。在这一系统中，存在污泥流 (物质流)与能量流的关联，如何实现最优耦合以提高系统能效水平是设计工艺参数的主要目标，其中，污泥的厌氧消化表现是影响系统能效的关键。

昆明市主城区污泥处理处置工程计划采用污泥高固体厌氧消化与热干化的联合系统，其主要特点在于采用了高固体厌氧消化工艺，进泥含固率设计为15%。相关研究发现应用高含固污泥进行厌氧消化可显著提高有效容积产气率，但受到挥发性脂肪酸与氨氮等中间产物积累等因素的影响［6］，有机质降解效率与甲烷产率有可能下降［7～10］。此外，高含固污泥粘度增加，还会增加搅拌和输送能耗。因此，需要综合评估采用高含固污泥对消化干化联合系统的能效影响。本文在中试实验数据的基础上，对该系统不同处理单元物质流与能量流进行了计算，分析了进泥浓度与有机质含量对系统物料平衡和能量产出的影响，评估了高含固污泥厌氧消化与传统低浓度污泥厌氧消化在能效上的差异。

1 项目基本工艺流程

项目设计处理污泥量为100 t DS/d，脱水污泥首先在预反应池稀释至含固率15%，然后泵入柱形消化池进行中温消化。设计污泥停留时间(SRT)为22.5 d。脱水污泥有机质含量约40%～50%，除进行高固体厌氧消化 (HLAD)外，也可以调节至含固率5%进行普通厌氧消化 (CAD)。这两种模式下污泥厌氧消化池总容积分别需要15000 m3和45000 m3。消化污泥离心脱水后进入双桨叶干化机，排泥含固率70%。热媒采用导热油，采用沼气加热，同时用天然气作为启动和补充能源。热油锅炉内进油温度200℃，出油温度225℃。干化尾气通过风扇抽吸入洗涤塔，释放的冷凝热被循环水吸收，用于加热消化污泥。工艺流程具体如下图所示。

图 污泥处理处置工艺流程Fig.The process flow of sludge disposal

2 污泥厌氧消化系统的性能

2.1 污泥厌氧消化的沼气产能

该项目面临的关键可变参数是进泥含固率和有机质含量的变化。根据中试研究，高含固污泥在强化搅拌条件下，其有机质降解率与低浓度污泥接近，但随进泥有机质含量降低而成比例降低。在SRT为 22.5天时，进泥有机质为 40%，45%，50%时，有机质降解率分别为20%，28%和35%。不同浓度污泥去除单位有机质的产气量 (Yre)基本保持不变，平均约为1.0 m3/kgVSre。根据这些情况，可以对沼气产量和消化污泥产量进行估算，结果如表1所示。

表1 污泥厌氧消化系统的沼气产能Tab.1 The biogas production of sludge anaerobic digestion

从表1中可以看出，进泥浓度对厌氧消化的沼气产能没有影响 (良好搅拌条件下)，但进泥有机质含量对沼气产能具有巨大影响。因此，在昆明市主城区十余座污水处理厂中，应尽量选择高有机质含量的污泥作为消化罐的进泥，或者将污泥与其它高有机质含量的废物，如餐厨垃圾等进行共消化。

2.2 污泥厌氧消化的能耗

在进泥含固率分别为5%和15%时，用于污泥混合与加热的预反应池数量分别需要6座和2座。单个预反应池高度7.5 m，直径5.5 m。池顶、池壁、池 底 的 导 热 系 数 分 别 为 2.9、2.5、1.9 kJ/(m2·h·℃)。按昆明市气象水文条件，冬季进泥温度约15℃，夏季约25℃，加热后污泥温度为38℃。冬季室外温度4.9℃，土壤温度10℃，夏季室外温度23.1℃，土壤温度25℃。考虑换热效率，需热量放大20%计算。在进泥含固率分别为5%和15%时，污泥消化池数量分别需要9座和3座。单池圆柱部分高度30 m，其中地上部分25 m，地下部分5 m，直径16 m。池盖为半椭球体，高度1 m，池底为椎体，斜面高度8.06 m，池体总高度为32 m。其余条件与预反应池相同。据此，可以计算厌氧消化所需要的保温加热能耗，如表2所示。

表2 污泥厌氧消化的能耗Tab.2 The energy consumption of sludge anaerobic digestion

比较表1和表2的结果可以发现，昆明污泥在高固体厌氧消化条件下，产生的热量可以完全满足自身对热能的需求。随季节和进泥有机质含量的变化，其能效比 (产生能量/消耗能量)在2.4～9.8范围内波动。进泥升温是最主要的能耗来源，约占全部能耗的83%～88%。当采用传统低浓度厌氧消化时，由于进泥含有大量水分，其进泥升温能耗成倍增加，因此在冬季且进泥有机质含量偏低时，其能耗甚至要高于产沼生成的能量。要维持系统的能量平衡，要尽量采用高有机质含量污泥。

值得注意的是，含固率的增加会显著增加污泥的搅拌能耗。本研究表明，搅拌功率与污泥粘度正相关，而与污泥浓度成指数关系。对高固体厌氧消化而言，如参考大连夏家河项目［11］，采用20 W/m3的功率，则搅拌能耗为26 GJ/d，平均占加热保温能耗的44%。传统低浓度厌氧消化所需消化池体积更大，但所需功率较低 (约1～3 W/m3)，因此其搅拌能耗仍明显低于高固体厌氧消化，以较低值计算，仅4 GJ/d，平均占加热保温能耗的2%。

综合上述因素，对低有机质含量污泥而言，采用高固体厌氧消化的能效比远大于传统低浓度厌氧消化，说明提高进泥含固率可以显著增加污泥厌氧消化单一系统的经济效益。

3 污泥热干化系统的性能

根据污泥厌氧消化过程的有机质降解率，可以计算消化污泥产量，进而计算污泥干化所需热量。干化机吨水蒸发能耗按2700 MJ计，考虑导热油锅炉换热效率90%，可以计算蒸发水分需热量;从蒸发水分中回收热量 (2260 kJ/kg)加热循环水，其热效率设为90%，循环水用于加热污泥，其热效率设为90%，则可计算可回收加热污泥的热量，如表3所示。

表3 消化污泥热干化的能耗和可回收热量Tab.3 The energy consumption and recycling heat of digested sludge in thermal drying unit

由表3可知，对于昆明低有机质污泥而言，采用高固体厌氧消化和低浓度厌氧消化时，污泥减量效果类似，因此进泥浓度对热干化的能耗基本无影响，而有机质含量有一定影响。从干化尾气中回收的热能超过实际污泥消化加热保温所需热量，因此，厌氧消化产生的沼气可以全部用于污泥热干化。在厌氧消化与热干化联合系统中，污泥干化所用热量是系统的最主要能耗环节，沼气供热不能满足其需求，必须采用其它热源进行补充。该项目采用天然气作为补充能源，如按昆明工业用气价格上限4.8元/m3计算，仅天然气成本就达到130～217元/t(80%含水率污泥)。相对于低浓度厌氧消化，采用高固体厌氧消化并没有减少消化干化联合系统的天然气消耗，但从搅拌能耗增加角度，高固体厌氧消化增加电耗6120 kWh/d，意味着污泥处理成本增加6元/t(昆明工业用电价格按0.5元/kWh计)。因此，对于消化干化联合系统而言，采用高固体厌氧消化后能效水平并未提升，而处理成本有所增加。

4 总结

4.1 无论对于污泥厌氧消化系统还是消化干化联合系统，进泥有机质含量对消化性能特别是沼气产能具有巨大影响，应尽量采用高有机质污泥。

4.2 对于污泥厌氧消化系统而言，进泥加热是系统的主要能耗环节，采用高固体厌氧消化，可以显著降低进泥加热和消化保温的能耗，从而保证厌氧消化系统的能量自持能力，增加沼气产出，提高经济效益。

4.3 对于低有机质污泥的消化干化联合系统而言，由于污泥热干化是系统的主要能耗，且远超过沼气供能，干化余热可满足厌氧消化过程的加热保温能耗需求，而采用高固体厌氧消化并不能提高沼气产率，因此不能提高系统的能效水平。

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