国家污泥处理处置产业技术创新战略联盟专家委员会
全国污泥处理处置促进会专家委员会
1 襄阳污泥处理工程基本情况
襄阳市污泥处理厂位于湖北省襄阳市鱼梁洲，紧邻设计规模为30万m3/d的鱼梁洲污水处理厂,于2011年建成投运，设计规模为300 t/d（以含固率20%计）该污泥处理厂项目由某公司采用特许经营模式投资建设和运行管理，占地30亩(1亩≈667m2)，工程直接投资1.2亿元。
这是我国目前第一座采用高温热水解预处理和厌氧消化工艺技术，并投入商业化运行的污泥处理厂。按处理每万m3污水产含固率20%的污泥量6～7 t计，该处理规模可以满足1座40万～50万m3/d污水处理厂的污泥处理之需，图1为该污泥处理厂平面布置图。
图1 襄阳鱼梁洲污泥处理厂平面布置
鱼梁洲污水处理厂污泥产量为150～200 t/d（以含固率20%计），在该污泥处理厂建成之前，由于污泥未能得到处理，导致近15万t的污泥（以含固率20%计）堆积在厂内，所以该污泥处理厂除了要处理污水处理厂每日脱水的新鲜污泥外，在近期还要承担原有堆积污泥的处理任务。目前每天约处理堆积污泥100 t（以含固率20%计）。新鲜脱水污泥与原有堆积污泥的有机质含量分别为40%～60%（受季节影响）和35%～45%。
2 襄阳污泥处理工艺技术
2.1高温热水解工作原理
污泥高温热水解预处理技术是21世纪初开始在欧洲用于工程实践的，目前全球范围已有50多个项目使用了这项技术，每年处理污泥974 000 t（以污泥干基计），相当于每天处理含固率20%的脱水污泥13 340 t。
高温热水解预处理的目的是：利用高温和高压迫使污泥结构和性状发生变化，并有效提高污泥卫生化水平。这一预处理过程能够促使后续厌氧消化过程加速，提高厌氧消化效率、稳定化水平和脱水性能；能够促使污泥中转化为生物质能源（沼气）的有机物质比例得到改善，提高沼气产量。借助于污泥粘滞性的改善，可以提高消化池进泥含固率，在传统消化设备不改变的条件下，实现原有消化设施处理能力的翻番。国外目前许多案例，就是依靠增加高温热水解预处理设施，实现了原有消化设施扩容目的。
热水解处理设施一般主要包括预热罐、热水解罐和闪蒸泄压罐，工艺过程包括以下阶段：
(1) 为提高热能利用效率，污水处理厂脱水污泥（含固率15%～20%）首先进入混合预热罐，与从闪蒸泄压罐回收的蒸汽混合，将污泥预加热至100 ℃左右。
(2) 预热后的污泥进入高温热水解罐进行热水解反应，反应压力和反应温度分别为0.6～0.7 MPa和150～170 ℃，热水解反应时间30 min。
(3) 热水解后的污泥被急速送到闪蒸泄压罐，由于压力的释放，在压力差的作用下，使污泥结构发生变化。
(4) 污泥经热水解和在闪蒸泄压罐内释放压力后，污泥温度为100～105 ℃，再经热交换器进行冷却，换热后污泥温度在40～50 ℃，以满足后续厌氧消化的要求。整个热水解过程一般需要3～4 h，因与蒸汽的混合，高温热水解后污泥的含固率降至10%～12%。
2.2污泥处理工艺
襄阳污泥处理工艺由高温热水解车间、厌氧消化池、脱水车间、污泥干化车间、沼气储存罐和沼气提纯处理等设施组成，工艺流程详见图2。
图2 污泥处理厂工艺流程
来自污水处理厂的新鲜脱水污泥和原有堆积污泥（含固率20%左右），送入高温热水解车间。该车间的高温热水解系统，由预热罐、高温热水解罐和闪蒸泄压罐组成。其中4个热水解球罐采用序批式方法工作，反应热媒采用压力0.7 MPa，温度 170 ℃的蒸汽。热水解后的污泥，进入闪蒸罐，温度降至100～105 ℃（所收集的热能用于污泥预热罐），高温热水解车间内景详见图3。
图3 高温热水解车间内景
经高温热水解处理后污泥含固率降至11%左右。该污泥经换热冷却至40～50 ℃后，进入2座单池容积为6 000 m3的柱形消化池，停留时间15～18 d，厌氧消化的有机物降解率为55%～65%。高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）有机物降解率大于40%的要求。
厌氧消化后的污泥，经离心脱水机脱水至含固率30%左右，因脱水性能得到改善，故不需再投加化学药剂进行调理。
脱水后污泥进入干化车间，干化车间为阳光棚结构，利用闪蒸泄压后污泥冷却得到的热水，通过污泥层下的热水盘管加热污泥，同时借助阳光热能的作用，将脱水污泥干化至含固率60%左右，干化车间详见图4。
图4 干化车间内景
2.3污泥处理后产物的利用情况
2.3.1生物质能源（沼气）
能够在污泥处理的过程中得到生物质能源——沼气，是厌氧消化处理工艺与其他所有污泥处理工艺最大的不同。但是经高温热水解后，沼气量不仅能够确保自用，而且还有向社会提供能源供应的余量，所以它是绿色处理技术。现襄阳污泥处理工程每天产生沼气8 000～10 000 m3，其中约70%用于自身污泥处理加热系统，其余2 000～3 000 m3 的沼气进行提纯处理，提纯后为1 000～2 000 m3。提纯的目的是去除沼气中的CO2与H2S等杂质，将CH4的含量由原沼气的60%～65%提高到99.9%，达到国家压缩车用天然气标准，供社会车辆使用，售价4.5元/ m3，每标立方米车用沼气的动力效率与每升93号汽油的动力效率是相同的。
2.3.2生物质炭土
经过高温热水解、厌氧消化、脱水和热干化一系列处理后，其污泥处理产物与原污泥相比，无论是数量、外观上，还是性状、成分组成上都发生了根本性的变化。首先，由于有机物的分解和水分的减少，产物重量（干化后）仅为原污泥的1/4左右；其次，消灭了病原菌，实现了卫生化；再之，由于有机物分解率和沼气产量提高，使产物的稳定化水平得到提高，产物不再发臭。
传统厌氧消化后产物，由于有机酸含量较高和卫生化水平不高，其产物在用于苗木栽培和其他土地利用时，还需要适当处理，如有文献提出，应在厌氧消化后再接好氧发酵处理［1］，以进一步降解有机酸、杀灭病原菌。高温热水解厌氧消化，在英国被称为高级厌氧消化（advanced anaerobic digestion）；并规定，只有经过高级厌氧消化处理后的污泥产物才能够直接用于土地，详见表1。
表1 英国对污泥处理方法和土地利用的规定
污泥经过上述过程的处理后，不应该再称之为污泥。笔者认为这种产物，称为“生物质炭土”更贴切。襄阳通过将“生物质炭土”以“可移动式”苗木栽培和苗木移栽的方式，将这种“生物质炭土”在环境中进行消纳，解决了产物的处置问题，这是襄阳污泥处理工程的最大亮点之一，“可移动式”苗木栽培情况见图5。污泥处置是处理产物在环境中消纳方式［2］，把污泥处置改为处理后的产物处置，将更加有利于对污泥处理处置的正确理解。
图5 “可移动式”苗木种植情况
3 襄阳污泥处理处置工程特点总结
襄阳污泥处理处置工程注重与当地污泥实情相结合，注重能源的有效利用，注重不断优化生产过程，注重生物质产物的利用方式创新。主要特点可概括总结为：
（1）球形高温热水解罐减轻了砂子对设备的磨损。襄阳采用的高温热水解罐为可转式球形罐，因球罐自身的缓慢转动，实现了污泥与蒸汽的混合和搅拌，这种结构较国外的立式罐，较好地解决了污泥中砂子对设备的磨损，适合于我国污泥中含砂量高的现实情况。
（2）阳光棚干化提高了热利用效能。为了便于厌氧消化处理后产物“生物质炭土”的利用，襄阳工程利用闪蒸泄压罐出泥冷却释放出的热量以“地暖”的形式干化“生物质炭土”，充分利用了系统的热能，并借助阳光的作用使“生物质炭土”进一步减量，布设在阳光棚壁下部的风机向“上物质炭土”表层吹、吸风，又直接加速了热量和水分的交换；这种干化方式也有效解决了砂子对机械干化设备的磨损问题，降低了投资和运行成本。
（3）消化液的高pH降低了沼气中硫化氢含量。国外和襄阳工程的实践都证明，经高温热水解后，消化液中的NH4+浓度高于传统厌氧消化，使得消化液为弱碱性，为消化液提供了较强的缓冲能力，为甲烷菌生长提供良好的条件。H+浓度低了，也就降低了形成硫化氢的可能性，使得沼气中硫化氢含量较低。襄阳工程沼气的硫化氢含量为50～100 mg/L（消化池出泥pH平均为7.8），而无高温热水解的上海市白龙港污水处理厂沼气的硫化氢含量为350～800 mg/L（消化池出泥pH平均为7.34）；pH=7.3意味着比pH=7.8的溶液H+的摩尔浓度高3倍以上。由于硫化氢是沼气利用的一个很大障碍，所以硫化氢含量越低，沼气脱硫措施就越简单。同时由于氢离子浓度的降低，又促使S2-与重金属离子结合为难溶的硫化物，这些硫化物的溶度积常数仅为硫酸盐溶度积的百亿分之一或以下，对比情况详见表2。
表2 几种常见重金属化合物的溶度积常数
（4）“可移动式”苗木栽培术解决了产物出路。襄阳污泥处理厂采用的“可移动式”苗木栽培技术具有三大特点，一是“菠萝皮”状塑料壳容器具有透气性好、可拆卸、可拼接、可重复使用、可控制辅根的生长等性能，也为苗木生长提供了良好的条件，苗木根系生长情况详见图6，栽培中采用水和营养液（利用离心机脱水的沼液）的滴灌技术，节水效果明显，详见图7；二是由于移栽时，不需要采挖，且带“皮”运输，所以就会不伤及根系，保证了苗木移栽的高成活率；三是襄阳污泥工程就是通过这种“卖树带炭土”的创新方式，成功解决了“生物质炭土”的资源化利用问题。几年来由襄阳污泥处理工程提供的苗木已达6万多棵，美化了襄阳市。不但解决了“生物质炭土”的出路，而且经济效益十分可观。可谓：不挖山川一棵树，不损环境一方寸，苗木移植带炭土，园林走出生态路，借用一块沙荒地，建成一片绿世界。
图6 苗木根系生长情况
图7 “菠萝皮”状容器照片
国家林业局近日下发了《关于切实加强和严格规范树木采挖移植管理的通知》（林资发〔2013〕157号），文件倡导以苗木绿化为主，以大苗木栽植代替大树移植；文件确定采挖树木，必须办理采伐许可证，胸径5 cm以上的树木必须纳入采伐限额管理。随着国家对山林采挖的严格管控，襄阳污泥处理工程这种苗木栽培和苗木移栽的优势将更加凸显。城镇污水处理厂污泥经高温热水解厌氧消化，或者好氧发酵处理后的“生物质炭土”进行苗木栽培，为我国城镇绿化提供了可靠的苗木来源的同时，解决了污泥处理产物的出路，一举双赢。
（5）实现了餐厨垃圾的同步处理。餐厨垃圾处理也是我国面临的紧迫任务和难题，襄阳污泥处理工程尝试将收集的餐厨垃圾直接送入厌氧消化池与污泥同步厌氧消化处理，目前日处理餐厨垃圾量约为15 t左右。餐厨垃圾的加入有效提高了消化物的有机质含量，有助于沼气产量的提高。随着堆积污泥量的减少，直至消除，将为该工程承接襄阳市的餐厨垃圾提供了设施能力上的保证。为了确保餐厨垃圾不含有影响消化池运行的杂物，在餐馆源头安装了自主开发的收集器（见图8），可有效避免杂物的混入，为后续的处理和设施的安全运行提供了保障，图9为将餐厨垃圾直接接入消化池的照片。
图8 餐厨垃圾源头收集器
图9 餐厨垃圾接入消化池
4 襄阳工程经验总结
整个襄阳污泥处理工程体现了：污泥全处理，过程全绿色，能源全平衡，资源全利用，利用有得益，成本可接受。验证了高温热水解厌氧消化对传统厌氧消化技术的提升作用；验证了污泥处理必须满足产物处置要求的原则，也就是说，只有把处理产物的出路解决好了，处理才能够按照产物的出路要求进行，处理才是有效的；验证了“污染治理，重在资源利用，赢在资源利用”的实效。赢在资源利用就“绑架”了污染的治理，让污染治理从被动进行，转为主动进行。襄阳污泥处理工程为我国污泥处理处置探索出了一条新路，这一工程案例在2013年7月联合国华沙气候大会上，也向全世界做了分享。
襄阳污泥处理工程为我国污泥处理处置提供的经验可以概括为：
（1）提升了厌氧消化技术水平。高温热水解厌氧消化与传统的厌氧消化（包括未经热水解处理的高浓度厌氧消化）相比，从如下五个方面提升了厌氧消化技术：一是由于污泥经过高温热水解改性，使高浓度污泥的粘滞性和流动性得以改善，可在不增加传统消化搅拌能量的前提下，实现污泥的高浓度厌氧消化，加之消化温度的提高，消化时间缩短，使得消化池容积负荷得到成倍增加，消化效率大幅度提高，也让已有厌氧消化设施的老厂在不扩建消化池的前提下，实现处理能力和处理产物品质的双提高；二是由于沼气中H2S含量的降低，使得沼气脱硫措施大为简化，与此同时，沼气产量也得到提高，不但能够实现自足，而且还可实现沼气的社会化利用，让污泥处理厂成为能源制造厂；三是由于氢离子浓度的显著降低，促使重金属离子形成更加难溶的重金属硫化物，降低了离子态重金属的毒性；四是由于污泥经过高温、高压的“蒸煮”，加之经过热干化处理，原污泥中的病原菌被有效杀灭，产物的卫生化水平得到保证；五是由于高温热水解后，用于厌氧消化分解的有机成分比例升高，在沼气产量得以提高的同时，处理后产物的稳定化程度也得到充分提高，使处理产物不再发臭。德国DIN 4045对稳定化处理的定义是：“稳定化处理是指减少气味物质和有机物含量的处理，与此同时改善脱水性能，减少病原菌的污泥处理过程。”简而言之，稳定化的实质是：污泥经过处理后，使其中的微生物不再具备发生作用的条件。襄阳污泥处理工程中的阳光干化棚，并没有设置除臭设施，也从另一个侧面说明了处理后产物的稳定性。
国外高温热水解厌氧消化工程和我国襄阳工程的实践说明，这种高温热水解加厌氧消化技术将成为今后厌氧消化技术发展的主流，其与传统消化的相关参数对比详见表3。
（2）实现了资源的有效利用。我国污泥处理处置面临的瓶颈之一就是，厌氧消化或者好氧发酵处理后的产物仍然“走投无路”，或甚至不得不再加石灰后去填埋场填埋，使污泥处理的意义大打折扣。生物质能源——沼气的社会化利用和“生物质炭土”的“可移动式”苗木栽培、苗木移植是对污泥处理产物处置的创新，走出了我国污泥生物质资源利用的
表3高温热水解消化与传统消化参数对比
新路，让污泥处理的作用和功能得到充分体现，诠释了污泥有效处理和产物安全处置的全过程。同时，厌氧消化作为一种稳定化处理过程，在降解有机物的同时，也让处理后“生物质炭土”中含有了珍贵的腐殖酸［3］，所以资源的利用体现了对弥足珍贵的生物质的重视。
（3）保障了污染治理主动进行。襄阳污泥处理工程处理后产物的资源化利用,解决了污泥处理产物的出路问题，与此同时，通过部分沼气和苗木的出售，让资源化利用有了经济效益，让治污投入有了经济效益的产出。这一“污染治理，重在资源利用，赢在资源利用”的模式，为污染治理持续进行、有效进行提供了机制上的保障，促成了治污的良性循环。
参考文献
1Hupe K,Heyer K U.Stegmann R. IFAS ? Ingenieurbüro für Abfallwirtschaft，Biologische Bioabfallverwertung:Kompostierun kontra Verg?rung
2唐建国.对城镇污水处理厂污泥处理处置技术路线选择的思考.给水排水，2011,37(9):54～57
3卓桂华.活性污泥厌氧可生化性和稳定化过程研究:［学位论文］.上海：同济大学，2013
（本文刊登于《给水排水》杂志2014年第4期）
注重资源利用的污泥处理处置工程实践
