城市污水处理厂污泥处理的能耗分析

WATER&WASTEWATERINFORMATION15给水排水动态4/20091污水厂污泥处理工艺及应用现状污水污泥通过减容、减量、稳定以及无害化的过程称为污泥处理。污泥处理工艺单元主要包括浓缩、消化、脱水和干化等过程。污泥处理消耗能量的设备主要有：浓缩池的驱动电机、消化池的污泥加热设备、污泥泵、沼气压缩机或螺旋桨的驱动电机、污泥脱水机械。对日本[1]和我国[2]污泥处理方法的调查结果如表1所示。2污泥处理主要单元过程的能耗分析污水处理厂规模越大，其单位污泥处理能耗就越低。对欧洲处理规模为10000~100000人口当量（cap，按德国的标准每人口当量相当于每天BOD60g或水量140L）的370座污水厂的能耗调查结果表明[3]，对于污水处理量大于1400m3/d的污水厂，污泥消化和脱水设施平均能耗在1.92~8.28kW·h/(cap·a)（即0.038~0.162kW·h/m3污水），约占总能耗的4.4%~18.78%。丹麦大型城市污水厂（处理水量大于6万m3/d）污泥处理电耗约为0.2~0.24kWh/m3污水（0.02~0.06kWh/kgDS，DS表示干污泥，下同），占总电耗的30%~40%，污泥处理费用占总运行费用（不含人工费用和税费）的40%~50%[4,5]。2.1污泥浓缩污泥浓缩去除的对象是自由水和部分间隙水。污泥浓缩的方法主要有重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓机械浓缩等。由表2常用污泥浓缩方法的能耗情况[6]比较可以看出，重力浓缩法比能耗最低，操作简单、经济，因而是国内外广泛采用的污泥浓缩方法。我国经济条件有限，而且污泥中有机物含量低，所以重力浓缩仍将是我国今后主要的污泥减容手段。但是，在要求除磷的场合下应避免选用重力浓缩池，防止含磷污泥水重新回流到进水泵前的集水池，致使部分总磷在系统内循环[7]。青岛市团岛污水处理厂采用机械转鼓浓缩机替代重力浓缩池，既节约占地，并且因剩余污泥得到及时浓缩（浓缩后污泥含固率为5%~6%），减少了磷释放的机会，也避免了剩余污泥浓缩过程中的污泥上浮[8]。2.2污泥稳定我国《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》中规定：城镇污水处理厂的污泥应进行稳定化处理，并达到控制指标的要求。在英国，污泥的厌氧、好氧和石灰处理分别占54.5%、1.9%和1.3%[10]。国内目前常用的污泥稳定技术是厌氧消化（占38.04%），好氧消化（占2.81%）和污泥堆肥（占3.45%）也有部分被采用，热解和化学稳定方法或是由于技术的原因或是由于经济、能耗的原因而很少被采用。但是仍有55.70%的污水处理厂没有污城市污水处理厂污泥处理的能耗分析赵庆良胡凯（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090）“十一五”国家科技支撑计划重点项目哈尔滨工业大学城市污水处理厂污泥处理处置节能降耗研究课题组表1日本和我国污水处理厂污泥处理现状污泥处理工艺日本所占比例（%）我国所占比例（%）脱水060.43浓缩0.015.04浓缩+脱水52.9717.98稳定011.51脱水+稳定—1.44浓缩+脱水+稳定45.683.6科研动态16给水排水动态WATER&WASTEWATERINFORMATION4/2009泥稳定处理，为后续的污泥处置带来极大的不便和危险。2.2.1高温厌氧消化高温消化所需热量较多，是中温消化的2倍。污泥加热所消耗的热量只与进料污泥温度和污泥质量流量有关，而与消化池容积无关，污泥质量流量又与污水厂规模有关。据此得出消化池污泥的加热能耗（表3）[11]。污泥加热的热量通常由热电联供系统（CHP）提供。Zupancic等[11]计算了不同规模水厂和不同水力停留时间下的消化池所产沼气通过CHP的发电量和产热量，结果如表4所示（标准温度和压力下的沼气热容取35700kJ/m3，热电联供系统中有35%转化为电能，55%转化为热能）。同时，对消化池热量损失的计算结果表明，消化池热量损失占总热量需求的百分比随着污水厂规模增大而减少（8.5%~2%），消化池热量损失对总热量需求的影响较小。这意味着对于一定规模的污水处理厂，可以兴建更大体积的消化池。这个结论也适用于两级或者多级消化工艺。由于污泥加热是主要的热量需求，多级或者更多座消化池并不会使总热量需求有明显增加。通过比较污泥加热所需热量与利用沼气获得的产热量，可以发现，CHP系统的产热量并不能完全满足高温消化的需要（表3中相应项目的数值均大于表4中对应项，其差值即为污泥加热的净能耗，忽略消化池的热损失）。这可以通过热量的回收再生得以解决，基本思路是：出流污泥的温度为55℃，通过对流式热交换器，可以预热进料污泥（进料污泥的最低温度为11.14℃），预热后的污泥再进入消化池，消化池对这部分污泥加热所需的热量减少，完全可以由热电联供系统提供。考虑到消化池容积更小、热再生设备投资相对较小，建设高温消化系统更加有利。2.2.2中温两相厌氧消化周志敏等[12]对某污水厂剩余污泥的中温两相厌氧消化处理的中试研究表明，VS和COD去除率分别为44.1%和45.7%，产气率为9.3m3气/m3污泥（0.72m3CH4/分解kgVS）。通过对电耗、热耗以及产气量的测定，得出中试表3不同规模污水厂和不同温度下的污泥加热所需热量污水处理厂规模（人口当量）污泥加热所需热量（kW）1月份4月份7月份10月份12月份1000041.6039.9833.8936.7342.64100000416.0399.8338.9367.3426.4300000124811991017110212795000002080199916951837232表4消化池沼气的产热量和发电量水力停留时间（d）污水厂规模（人口当量）135810沼气产热量（kW）100003.327.533.938.341.810000033.027533938341830000098.98261020115012605000001651380169019102090沼气发电量（kW）100002.1017.521.624.426.610000021.017521624326630000062.9526647730798500000105876108012201330表2污泥浓缩方法的能耗比较浓缩方法污泥类型浓缩污泥含固率(%)比能耗药耗(kgPAM/tDS)kW·h/tDSkW·h/m3污泥重力浓缩（71.50%）①初沉池污泥8~101.3~2.90.04~0.140剩余活性污泥2~34.4~13.20.02~0.100机械浓缩（21.40%）①离心浓缩剩余活性污泥5~7200~3000.8~1.20带式浓缩机6~81403000.5~1.20.3~1转鼓浓缩机3~530~1200.15~0.50.2~2螺压浓缩机4~850~1000.2~0.43~7.5气浮浓缩（7.10%）①压力溶气气浮剩余活性污泥3~5100~2400.4~1.004~650~1500.2~0.60.2~1.5生物气浮4~610~300.05~0.1216~30②①括号内数值为各种污泥浓缩方式在我国污水处理厂的应用比例[9]。②气浮去除单位重量的MLSS所需要投加的硝酸盐的量，以mgNO3-/gMLSS表示。科研动态WATER&WASTEWATERINFORMATION17给水排水动态4/2009系统的能量平衡情况（表5）。可见处理规模仅为1.5m3/d的两相消化工艺，产生的能量就足以补偿运转所消耗的能量（采用回流搅拌的厌氧消化系统所需的能耗为21.0kWh/m3污泥，采用沼气搅拌的厌氧消化系统所需的能耗为18.6kWh/m3污泥，污泥含水率97.3%）。整个系统若以回流搅拌形式运转，尚可剩余24%的能量；若按沼气搅拌形式运转，则可多余33%的能量。在总能耗中，加温所消耗的能量占77%~87%。在气温较高时，产甲烷罐基本上很少需要加温，产酸罐的加温时间也大大缩短，这样总能耗就可以大幅度减少。张格红[13]以西安市污水处理厂污泥为例，分析了中温两相和中温单相厌氧消化的热平衡。该厂的污水设计负荷为6万m3/d，进入消化池的污泥体积为450m3/d。对于单相厌氧消化系统，以年平均温度计算污泥消化所需热量为2123051.68kJ/h，以年极端温度计算污泥消化所需热量为2751806.74kJ/h，单相系统所产沼气可提供的热量为2694140.63kJ/h。对于两相厌氧消化系统，以年平均温度计算污泥消化所需热量为2128298.21kJ/h，以年极端温度计算污泥消化所需热量为2758121.98kJ/h，两相系统所产沼气可提供的热量为2905361.25kJ/h。由上述数据可以看出，两相厌氧法产生的热能完全可以维持自身运行，而单相法产生的热能较少，无法依靠自身完成消化过程。2.2.3中温单相厌氧消化不同停留时间下的美国北部中温消化池能耗如表6所示[14]。我国的厦门第二污水处理厂采用卵形消化池，日处理污泥量为1160m3，污泥含水率95%。经计算，污泥消化总的电耗为2916kW·h/d，即消化处理单位体积污泥的比能耗为2.5kW·h/m3，亦即50.3kW·h/tDS。需要指出的是，污泥厌氧消化的能耗除了热耗外，还包括电耗。厌氧消化的电耗主要用于混合搅拌和泵送，高温工艺和中温工艺的电耗大致相同[11]，约为50~100kWh/tDS[15]。Stroot等人[16]的实验证明，连续搅拌并不是保证厌氧消化效果的必需条件，当负荷率较高时，甚至会起不利作用，最低混合速率即可以满足反应要求。降低搅拌混合水平可以作为稳定消化池的操作手段之一。2.2.4好氧消化Suh等[15]通过LCA分析（影响类型权重不同的10种敏感度分析），认为在所研究的污泥处理方法中，厌氧消化对环境最为友好，因为厌氧消化释放的污染物最少。同厌氧消化相比，好氧消化通过对可生物降解有机物的氧化而产生稳定产物，通常适用于处理规模小于1.89万m3/d的污水厂，由于经常将初沉污泥与二沉污泥进行混合消化，故氧需求量较大[17]。例如，东莞某小型污水处理站的剩余污泥采用好氧消化，污泥产量4.32m3/d，利用一台功率11kW的风机给消化池供气，能耗为48kW·h/d[18]，即比能耗为11.11kW·h/m3污泥，大于厌氧消化的比能耗。2.3污泥脱水污泥经过浓缩和消化处理，减少了50%以上的体积（通常含水率由99%降至96%），但是消化污泥的体积仍很庞大，为了便于运输与处置，需要机械脱水。《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》要求污泥脱水后含水率小于80%。污泥特性不同，采用的机械脱水方式亦不相同。电耗是脱水机械运行成本的一个重要方面，但是决定运行费用的不仅是电耗，不同脱水机械对污泥调理剂使用量的要求，也将直接影响到运行成本。表7为污泥脱水时各种物质、能量耗费的情况[19]。可以看出，干化床、离心机总能耗较低。近年来，国外又开发出新型污泥脱水设备，在传统的压力梯度原理上，另外引入了直流电场的作用。Raats等[20]将重力式浓缩带和压带机组合，开发出实物大小的动电脱水设备，处理给水铝盐混凝沉淀后的污泥。利用能耗为60kWh/t干固体的电渗析作用可将污泥干固体含量从17%提高至24%m/m，并且由于电渗析的存在，滤带污染明显减轻，泥饼的固体颗粒损失得到彻底控制。实验室研究表明，动电脱水还可用于给水铁盐混凝沉淀的污泥、污水污泥等。Yuan等人[21]以含水率87.8%的污泥饼为对象，考查了动电工艺中处理时间和电位梯度对脱水效果的影响（两者越大，污泥脱水效率越高）。并且通过积分公式计算了该工艺的能耗，处理时间和电位梯度越大，能耗越大。实验范围内的电位梯度为2.5~5V/cm，处理表5两步厌氧消化中试系统能量平衡结果电耗（×103kJ）热耗（×103kJ）每天平均产能量（×103kJ）净产能量（×103kJ）回流搅拌沼气搅拌回流搅拌沼气搅拌77.9438.25271.58463.62114.10153.79表6