污泥生物干化工艺的工程实践与分析＊

呼永锋，梁 梅，张永祥

（1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；2.北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044；3.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

1 工程背景概述

随着我国社会经济发展、人口增长与生活水平不断提高，城市污水处理量不断增加，污泥量通常占污水量的0.3%～0.5%［1］，常见污泥的处置和综合利用方法有土地利用、填埋、焚烧、投海等，但每种处置方法均存在一定的问题［2-4］。近年来，各国纷纷寻找其他的污泥综合利用途径，这对污泥进行无害化、资源化、减量化处理处置［5］，对环境保护和社会的可持续发展都有重要意义。污泥脱水干化是污泥进行资源化（土地利用、焚烧等）的前提，但常见的热干化工艺投资和运行费用都很高，相对而言，采用高温好氧发酵生物干化进行污泥脱水干化更经济、节能，消化程度越高，剩余消化污泥量越少［6-8］。郭松林等［5］对热干化、好氧堆肥、生物干化费用（以湿污泥计）进行对比，发现热干化（230～280 元/t）＞好氧堆肥（80～100 元/t）＞生物干化（60～80 元/t）。好氧发酵生物干化是在通风供氧条件下，污泥中的微生物利用易降解有机物进行好氧呼吸，满足自身生长繁殖需求的同时释放出大量生物能。这部分能量可使混合物温度显著升高，通常可达到55 ℃，最高可达到70 ℃以上。同时，微生物活动还能使剩余活性污泥细胞中的束缚水释放，更容易被加热蒸发脱除。污泥中的水分在生物能的加热下转化为水蒸气，通过自由扩散和强制对流进入物料中的孔隙，再被风机鼓入的干燥空气带出，从而实现连续不断地脱水干化。干化后污泥最终可用于绿化覆盖土、焚烧和填埋。

影响好氧发酵生物干化过程的因素复杂多样，最重要的因素有：碳氮比和有机质含量、污泥含水率、温度和曝气通风等。通风对生物干化具有重要作用，对混合物温度、供氧和含水率的变化均有影响，又是主要能耗单元，对污泥好氧发酵既有积极作用也有负面作用［5］。污泥混合物使用通风量范围较宽，Ekinci［9］在风量（以DM 计）为0.161 5～1.131 0 m3/（h·kg） 时进行污泥和木屑堆肥研究，发现混合物产热与风量有较大的相关性。Navaee-Ardeh 等［10］认为出气流的温湿度是影响脱水进程的重要因素，气体从混合物底部开始带走水分，在穿梭过程中达到饱和，在到达顶部时无法吸收更多水分，随着发酵的进行，干化的物料层不断向顶层推进，从而使含水率降低［9,11-12］。Wang 等［12］研究发现，在风量＞1 200 m3/d 时，混合物无法升温，而在风量＜1 200 m3/d 时，混合物含水率均下降至54%～55%。除了进气量，进气和出气的温湿度对混合物脱水进程也有较大影响。Adani 等［13］通过控制风量，维持堆体温度在70、60、45 ℃，而最终脱水效率分别达到40.9%、66.5% 和66.7%，故认为45 ℃为最佳温度。实践过程中可对混合物在不同温度阶段、不同辅料投加比例和自然气候等条件下对干化过程通风量进行动态调整。以某污泥无害化处理与资源化利用工程为例，详细介绍该工程封闭槽式（半静态）好氧发酵生物干化工艺、设备参数与运行效果，并分析不同条件时通风要求和优化建议，可为同类型项目提供案例和技术参考。

2 工艺流程与设计参数

2.1 污泥好氧发酵处理工艺流程

污泥好氧发酵处理工艺流程见图1。污水处理厂脱水后的剩余污泥运至污泥处理厂，将湿污泥、辅料和返混料等混合后进入发酵槽内进行好氧发酵生物干化。混合物含水率控制在55%～65%，碳氮比在20～30，混合物维持一定的孔隙率和碳氮比为水分脱除和微生物发酵提供良好的条件。

图1 工艺流程示意Figure 1 Schematic of process flows

湿污泥以该工程周边市政污水处理厂剩余污泥为主，污泥入厂处理时含水率不得高于80%，且不得含有大块、硬质杂物。返混料（污泥干化筛分后筛上大块产物）含水率须低于40%，粒径须大于15 mm。辅料（主要是稻壳、蘑菇渣、破碎后的秸秆等）含水率夏季不超过12%，冬季不超过15%，粒径不超过10 mm。工艺运行过程中返混料与湿污泥比例约为0.50∶1.00，辅料与湿污泥比例约为0.15∶1.00。污泥、返混料和辅料比例可根据外部环境和物料特性进行调整。为保证物料好氧发酵过程中所需氧量，每条发酵槽设两台曝气风机向发酵槽内混合物通风曝气，风机通过人工或者自动监测系统控制（设置温度、氧气探针监测物料实时状态反馈给自控系统）。生物干化后期，对混合物进行翻抛，以快速降低含水率、破碎混合物粒径。发酵槽溢出气体一部分经生物除臭工艺处理达标后排放，一部分经水洗-光催化处理后供曝气系统重复使用。

2.2 主要工艺设计参数

2.2.1 发酵槽工艺及主要设备设计参数

该工程采用封闭槽式（半静态）好氧发酵工艺，处理规模为100 t/d，生产周期为20 d。系统主要构筑物与设备设计参数见表1。

表1 主要构筑物与设备设计参数Table 1 Design parameters of main structures and equipments

2.2.2 辅助处理构筑物及设备主要设计参数

湿污泥生物干化前须与辅料、返混料按比例混合、破碎，使进入发酵车间的混合物具有适宜的含水率和孔隙度，保证好氧发酵过程顺利进行，避免厌氧发酵，减少发酵过程中的臭味产生。辅助处理构筑物由预处理系统（混料系统）、筛分系统、除臭系统等组成，其主要设备见表2。

表2 辅助系统主要设备Table 2 Main equipments of auxiliary system

1）预处理系统构筑物及设备设计参数。

良好的预处理是保证发酵、干化效果的关键，预处理系统需要储存备用辅料和返混料，对污泥与辅料、返混料进行混合，初步降低污泥含水率，提高混合物孔隙率。

2）筛分系统主要设备设计参数。

混合物经过20 d 发酵、干化缓存后送往筛分系统，筛分后将小粒径的筛下物装车外运，大粒径的筛上物送回预处理系统作为返混料储存使用，返混料同时为发酵系统提供丰富的微生物菌群。

3）除臭系统主要设备设计参数。

根据GB 3095—2012 环境空气质量标准［14］关于环境空气功能区的分类，该区域所处位置为一类区，即“其他需要特殊保护的区域”，一类区执行一级标准，对除臭要求标准较高，且除臭工艺应设置应急备用模式。该工程除臭采用3 种模式，即冬季模式（化学洗涤+植物液喷淋）、夏季及其他模式（化学洗涤+生物滤池）、应急模式（化学洗涤+植物液喷淋+生物滤池）。

3 测试指标与分析方法

总氮（TN），碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；总磷（TP），过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；pH，玻璃电极法；含水率，重量法、实验室蒸干测试；Cu、Cr、Pb、K 等金属离子，电感耦合等离子发射光谱法；温度（T），数显温度计；生产车间内设温湿度、氨（NH3）和硫化氢（H2S）浓度在线监测显示仪表［15］。

4 运行效果分析

4.1 工艺控制条件与物料参数

分别选取污泥处理厂内20# 、11#、15#发酵槽为监测对象，保持相同的工艺与通风条件，采用不同物料配比测定发酵槽内混合物污泥含水率、温度变化情况，工艺条件和物料混合参数见表3。

表3 工艺条件Table 3 Process condition

表4 物料混合参数Table 4 Material mixing parameters

4.2 含水率与温度变化特征

20#、11#、15#发酵槽内混合物含水率变化情况见图2。

图2 含水率变化特征Figure 2 Characteristics of moisture content variation

由于2 号翻抛机无法正常运行，采用翻斗车倒槽至1 号生产线后进行翻抛，后维持正常发酵工艺干化出槽。20#、11#、15#槽混合物污泥含水率在发酵初期第1～4 天时缓慢下降，到第5 天略微升高，从第6 天开始缓慢下降至发酵结束混合物出槽。入槽时3 个槽混合物平均含水率为66.4%，缓慢下降后至第4 天时平均含水率为62.7%，发酵第5 天时3 个槽内混合物平均含水率均升高至约70%。两次翻抛后平均含水率降低值大小为15#（4.5%）＞11#（4.3%）＞20#（3.4%）。

图3 温度变化特征Figure 3 Characteristics of temperature variation

入槽时20#、11#、15#槽内混合物平均温度为17.7 ℃，升温至60 ℃所用时间长短为11#（9 d）=20#（9 d）＞15#（8 d），所需时间基本一致。发酵高温期内3 个槽内混合物温度继续升高，经倒槽、翻抛后混合物内温度均下降，进入降温期。倒槽后混合物温度下降范围为20#（10 ℃）＞11#（8 ℃）＞15#（5 ℃），下降范围与辅料投加量成正比，可知较高辅料和返混料投加率有利于倒槽时混合物温度的迅速下降；翻抛后混合物温度下降范围基本一致，均为6 ℃，说明辅料对翻抛导致的温度下降影响有限。王春铭等［19］发现污泥堆肥工艺中、高温好氧菌在第6 天达到最大值，中、高温厌氧菌在第9 天达到最大值。第1～6 天以发酵时间为横坐标，20#，11#，15#槽内混合物温度为纵坐标，采用线性拟合后R2分别为0.991 5、0.995 3、0.996 1，在升温期内混合物温度梯度基本不变，说明此时可能是好氧菌对混合物温度升高起主要作用，从第7 天开始温度梯度缓慢降低，到第9 天开始出现明显拐点，说明在高温期内（第7～10 天），厌氧菌可能对混合物温度升高起主导作用，据此在高温期曝气频率和强度应低于升温期。

4.3 干化主要产物

生物干化后污泥主要监测指标见表5。与GB 4284—2018 农用污泥污染物控制标准［20］指标相比，其值均低于该标准要求限值，表明该工艺发酵后产物可应用于园地、牧草地等。干化过程中湿污泥水分脱除后湿空气中主要污染物为NH3、H2S，通过在线监测系统对气体污染物质浓度进行监测，除臭系统对气体脱臭处理。混合物发酵初期高浓度有机渗出液经厂内污水管进入再生水厂处理后回用。

表5 监测指标Table 5 Testing index

5 成本经济分析

以冬季某月运行数据核算该工艺运行成本，该月处理污泥量为3 043.0 t，主要运行费用包括电费、油费、辅料费、监测费，不含人工费，详见表6，经计算后污泥发酵运行成本约为308.6 元/t。

表6 某月运行成本Table 6 Operating cost in one month

该工程运行费用高于一般生物干化处理，其主要原因如下：①辅料费较之前大幅增长且全部依赖外运；②由于特定地理位置空气质量要求较高导致除臭风机的电费较高。该月处理费用中电费占29.0%，辅料费占66.5%，合计费用占比超过95%。臭气处理离心风机功率合计120 kW，生产过程中臭气处理离心风机为整体满负荷设计，且不得关停，否则严重影响周边空气质量，成为该工程运行过程中的主要固定成本。混合物通风曝气风机功率为150 kW（20×7.5 kW），通风风机为间隙曝气，干化后降温末期可停止曝气自然干化。升温期曝气采用间断曝气，时长可根据混合物特征、自然环境进行动态调整，曝气通风电费与除臭电费相比，除臭电费依然占主要比例。高温期曝气时长和频率均应小于升温期，降温初期曝气与升温期基本一致，在降温末期如含水率仍未达标可适当开启曝气风机快速降低含水率。生产过程中控制辅料投加以节约可变成本，提高生产负荷率以提高运行固定费用效率。辅料费、油费与产生量密切相关，为可变成本。夏季适当降低辅料比例可提高工程经济效益，冬季应以保证产品质量为主。

6 存在问题与建议

空气温度决定空气的绝对湿度，温度越高，湿空气的绝对饱和含水率也越高。在混合物种类和含水率确定的情况下，通风策略影响混合物温度和出口气体湿度，从而影响水分扩散和传递，是污泥发酵和脱水最重要的控制条件。增大新风量有利于水分扩散和对流，可以带走混合物中大量水分，但同时也会带走热量，导致混合物温度下降，空气温度和饱和湿度降低，影响脱水效率［21］。运行人员发现冬季（T<-5 ℃）夜间曝气时长超过5 min/30 min 时，混合物会存在结冰现象，夏季混合物曝气时长为15～30 min/30 min 时，混合物含水率快速下降，但夏季雨后由于湿度较大，曝气时间也不应过长，不然混合物会再次返潮。因此夏季曝气时长和频率可适当加大，冬季冷空气大量混入不利于混合物温度维持和干化进行，有必要对好氧发酵通风系统进行优化。

1）原通风系统的设计。维持混合物温度对脱除水分具有重要意义［8,10,13］，原通风系统剖面示意见图4 实线部分。冬季采用全新风曝气时混合物易结冰，减小通风量后重新发酵需5～7 d 才能使温度再次缓慢升高，发酵效率和脱水速率较低。

图4 通风系统示意Figure 4 Schematic of ventilation system

2）改造后通风系统。原除臭系统水洗-光催化去湿除臭后热风送入翻抛车间内，对混合物保温作用不大。改造后将热风送入鼓风机间，与自然风混合后对混合物进行通风曝气，提高通风温度，维持发酵槽内混合物温度，生产过程中可利用阀门开启度控制热空气流量。另外，冬季需加大辅料和返混料比例以增加混合物自身发热量，同时增大混合物孔隙率，通风时更易带走水分和热量。

7 结论

该污泥处置工程生产过程中返混料∶辅料∶湿污泥比例约为0.50∶0.15∶1.00 时可满足污泥干化需求。污泥生物干化过程中对混合物倒槽和翻抛可使含水率更快降低，最终含水率低于45%，达到干化出槽条件。提高辅料和返混料比例可使混合物水分更易脱除，也能使混合物温度快速升高与降低。工艺运行过程中冬季应以维持混合物温度为主，夏季可加大通风量以提高生产效率。混合物升温期曝气时长为冬季白天（8：00—17：00）10 min/30 min，夜间（17：00—24：00—8：00）5 min/30 min。夏季升温期，曝气时长和频率高于冬季有利于缩短生产周期，高温期曝气时长和频率应小于升温期，降温初期曝气与升温期基本一致，干化末期混合物翻抛时间间隔应大于3 d。干化后污泥产物主要监测指标均低于GB 4284—2018限值，可应用于园地、牧草地等。该项目运行费用约为308.6 元/t，高于一般生物干化工程，主要原因是辅料费用较之前大幅增长且全部依赖外运，以及特定地理位置要求导致除臭排风机电费的固定费用占比较高。通过改造排风管道使通风气体利于生产效率提高。