隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)生量逐年增加，但環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益提高，開發(fā)并完善符合“四化”要求（無害化、穩(wěn)定化、減量化和資源化）的市政污泥處理技術(shù)是解決“重水輕泥”問題的關(guān)鍵。采用熱水解+厭氧消化工藝處理污泥，可殺滅污泥中的病原菌，并將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，實(shí)現(xiàn)污泥的無害化、穩(wěn)定化、減量化和資源化處置，已成為目前常用的處置技術(shù)之一，并得到了相關(guān)政策的鼓勵。我國市政污泥存在有機(jī)質(zhì)含量低、含砂量高等問題，而熱水解+厭氧消化工藝存在耗熱量大、影響因素多和設(shè)計準(zhǔn)確性不夠等問題，容易出現(xiàn)工藝熱能無法自持平衡的情況。筆者以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，分析了污泥泥質(zhì)的變化趨勢和熱能利用與分布情況，總結(jié)了工程熱能特性與供熱環(huán)節(jié)中存在的問題，明確了工藝的熱能平衡點(diǎn)，并提出了供熱控制與維護(hù)優(yōu)化的建議。
1、工程概況
1.1 工藝流程及運(yùn)行參數(shù)
某市政污泥集中處置工程設(shè)計處理污水廠剩余污泥及餐廚垃圾，采用的主體工藝為熱水解+高溫厭氧消化+板框脫水+帶式干化，工藝流程如圖1所示。該工程于2014年年初啟動調(diào)試，同年10月厭氧罐全部投入運(yùn)行。因餐廚垃圾一直未進(jìn)入，因此該工程在未摻混餐廚垃圾的情況下已連續(xù)運(yùn)行約8年。
該工程的處理規(guī)模為500t/d（含固率為22.4%，VSS為53%），其中生活污水處理廠剩余污泥量為434t/d（含固率為20%），餐廚垃圾為66t/d（含固率為40%）。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣用于鍋爐及污泥干化。鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于熱水解系統(tǒng)、厭氧消化保溫及辦公樓冬季供暖，污泥干化則利用沼氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?jīng)板框脫水的污泥進(jìn)行深度干化處理。各工藝段設(shè)計及實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表1。
1.2 分析項目及方法
污泥含固率采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（GB24188—2009）進(jìn)行測定，有機(jī)質(zhì)含量采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）進(jìn)行測定，鍋爐灰的灰分采用《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T212—2008）進(jìn)行測定，鍋爐積灰中的硅元素采用《鉛精礦化學(xué)分析方法第14部分：二氧化硅含量的測定鉬藍(lán)分光光度法》（GB/T8152.14—2019）進(jìn)行測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 進(jìn)泥泥質(zhì)
工程實(shí)際進(jìn)泥為污水處理廠經(jīng)脫水后的剩余污泥，各月的日均進(jìn)泥量和泥質(zhì)情況如圖2所示�？芍こ痰倪M(jìn)泥量全年基本穩(wěn)定，進(jìn)泥含固率呈先升高后降低的趨勢，月度最高值與最低值分別出現(xiàn)在8月與1月；污泥有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先穩(wěn)定再降低最后升高的趨勢，月度極大值與極小值分別出現(xiàn)在3月與8月。全年含固率極大值與有機(jī)質(zhì)含量極小值同時出現(xiàn)在8月，造成上述情況的原因是生活污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)受季節(jié)性降雨的影響，導(dǎo)致污泥有機(jī)質(zhì)含量波動，進(jìn)而造成脫水后污泥的含固率變化。整體泥質(zhì)情況與王磊及陳思思等結(jié)論相似。
2.2 工程熱能消耗分布分析
工程熱能消耗單元包括熱水解、污泥干化、汽水換熱器及鍋爐除氧器4個部分。年內(nèi)各單元不同月份熱能消耗占比表明，各單元不同月份熱能消耗占比基本穩(wěn)定，其中熱水解單元各月份的占比最高，達(dá)到48.43%~60.09%；其次是污泥干化，為34.39%~39.55%；汽水換熱器的占比較小，為1.52%~9.09%，受不同時段氣溫及厭氧消化罐保溫作用的影響，其呈現(xiàn)夏季占比小、冬季占比大的季節(jié)性波動；鍋爐除氧器的占比最低，僅為1.54%~3.23%。
2.3 整體熱能平衡性分析
為保證工程正常運(yùn)行，以鄰近填埋場的填埋氣發(fā)電余熱鍋爐作為安全補(bǔ)充熱源。以當(dāng)月沼氣耗量為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)月沼氣鍋爐蒸汽的沼氣耗量換算補(bǔ)充蒸汽量，在有補(bǔ)充蒸汽工況和折算熱能（無補(bǔ)充蒸汽）工況下，工程全年熱能產(chǎn)耗盈虧情況見圖3。
由圖3可知，在無補(bǔ)充蒸汽工況下，工程熱能無法使用自持。為確保工程運(yùn)行熱能平衡，扣除汽水換熱器（非必需）能耗，在進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量為46.16%時，1t干污泥（DS）可產(chǎn)生沼氣約為201m³，生產(chǎn)耗氣量為220m³，需補(bǔ)充沼氣約為19m³；當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量為40%~45%時，工程可產(chǎn)生的沼氣約為147~182m³/t，生產(chǎn)耗氣量為191~214m³/t，需補(bǔ)充沼氣約為25~49m³/t；當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量為30%~40%時，工程可產(chǎn)生的沼氣約為89~131m³/t，生產(chǎn)耗氣量為187~234m³/t，需補(bǔ)充沼氣約為55~92m³/t。綜合污泥泥質(zhì)全年的變化情況，建議后續(xù)工程在剩余污泥進(jìn)行單獨(dú)消化時，充分分析擬接收污泥有機(jī)質(zhì)含量的變化，在設(shè)計階段提前規(guī)劃潛在補(bǔ)充熱能來源或根據(jù)項目地點(diǎn)建立多項目間的協(xié)同供熱機(jī)制，以保障工程熱能平衡。
2.4 核心熱能模擬消耗分析
因部分類似污泥處理工程未設(shè)置干化單元，同時將厭氧系統(tǒng)的保溫?zé)崮芘c熱水解降溫?zé)崮苓M(jìn)行綜合利用。為模擬類似工程工況，以無補(bǔ)充蒸汽熱源為前提，對同時去除本工程污泥干化與汽水換熱器熱能消耗的工況進(jìn)行模擬熱能平衡分析。當(dāng)熱能消耗僅為熱水解及鍋爐補(bǔ)水除氧單元時，工程月度熱能模擬消耗情況如圖4所示。可知，模擬工況下存在兩個熱能平衡點(diǎn)。5月—6月，當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量在33.14%~33.43%之間時，熱能已實(shí)現(xiàn)結(jié)余；12月，當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到36.88%時，熱能實(shí)現(xiàn)基本平衡。推測出現(xiàn)該情況的原因為，5月—6月的環(huán)境氣溫較高，而12月較低，熱水解單元向外散熱損失受外界氣溫影響差異較大。
相較包含干化的工況，模擬工況中熱能平衡所需的污泥有機(jī)質(zhì)含量已可由實(shí)際污泥泥質(zhì)滿足，建議后續(xù)類似聯(lián)合處理工程應(yīng)著重保障餐廚垃圾的收運(yùn)工作。當(dāng)剩余污泥需單獨(dú)處理時，建議強(qiáng)化對厭氧消化后泥水混合物的化學(xué)調(diào)理，以期進(jìn)一步降低脫水污泥的含水率。
2.5 熱水解能耗特性分析
設(shè)計兩套熱水解系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，加熱方式為蒸汽直通，由兩臺設(shè)計蒸發(fā)量為5t/h的鍋爐負(fù)責(zé)提供所需蒸汽。熱水解運(yùn)行參數(shù)設(shè)定加熱時長為15min，單線和雙線兩種運(yùn)行工況下，加熱過程中蒸汽耗量情況見圖5。系統(tǒng)中蒸汽耗量以15min為1個周期，兩種工況下1個周期內(nèi)蒸汽耗量均存在快速陡升與緩慢下降的過程，初始蒸汽耗量遠(yuǎn)超出單臺或兩臺鍋爐的設(shè)計蒸發(fā)量。分析造成該現(xiàn)象的原因，熱水解蒸汽加熱方式為直通加熱，起始加熱階段罐內(nèi)為常溫常壓，加熱閥門開啟后蒸汽快速進(jìn)入罐內(nèi)。隨著熱水解溫度升高，罐內(nèi)壓力上升，受背壓升高的影響，蒸汽流量緩慢下降。上述現(xiàn)象導(dǎo)致在雙線并聯(lián)運(yùn)行時，加熱階段鍋爐汽包壓力快速下降，同時出現(xiàn)假高水位。在單沖量鍋爐補(bǔ)水調(diào)節(jié)下，若人工干預(yù)不及時，極易出現(xiàn)假高水位后的真低水位報警聯(lián)鎖停爐。同時，蒸汽耗量反復(fù)大幅超出鍋爐設(shè)計的蒸發(fā)量易出現(xiàn)因汽化不均而引起的鍋爐受熱面溫度分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致波紋爐膽變形。
因該類加熱方式在短時間內(nèi)引起蒸汽耗量的極大波動，鍋爐火力與單沖量補(bǔ)水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法及時響應(yīng)，必須人工提前對鍋爐火力及補(bǔ)水流量進(jìn)行多次干預(yù)，不僅存在較大安全隱患，且不利于整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。后續(xù)工程可考慮采用錯時錯峰的運(yùn)行方式來避免蒸汽耗量的同時疊加，緩解鍋爐短時間的高低負(fù)載波動。同時，建議將鍋爐補(bǔ)水控制改為三沖量調(diào)節(jié)，以優(yōu)化假高水位時鍋爐補(bǔ)水控制，緩解汽包水位的大幅變化。
2.6 鍋爐運(yùn)行特性分析
2.6.1 鍋爐積灰影響分析
設(shè)計兩臺蒸發(fā)量為5t/h的三回程火管鍋爐，分別于1月初和6月底進(jìn)行清灰作業(yè)。以1月沼氣中甲烷濃度為基準(zhǔn)，換算鍋爐全年各月噸蒸汽燃料單耗，結(jié)果如圖6所示�？芍�，鍋爐在使用厭氧沼氣作為燃料時，運(yùn)行6個月后燃料單耗上漲約8.4%，對沼氣耗量的影響顯著，但可通過定期清除爐膛及火管積灰的方式予以消除。
為進(jìn)一步確定積灰成分，對鍋爐積灰進(jìn)行取樣分析。積灰為灰白色粉，積灰溶水后pH為1.82，呈強(qiáng)酸性，成分含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）：灰分為78.9%、硅為27.25%、硫酸鹽為0.11%、總鐵為0.69%、總硫為0.95%。推測積灰中的灰分來自空氣，硅來自厭氧消化產(chǎn)生的沼氣。因其中含有少量硫與鐵元素，說明受熱面存在一定酸腐蝕現(xiàn)象。
鍋爐受熱面積灰使其在短期內(nèi)熱效率降低，排煙溫度與噸蒸汽燃料單耗明顯上升。同時，因積灰水溶后pH呈強(qiáng)酸性，鍋爐尾部煙道低溫受熱面（如煙氣換熱器）易出現(xiàn)酸露點(diǎn)腐蝕問題。建議類似工程定期檢查低溫受熱面腐蝕情況，鍋爐清灰作業(yè)時段宜避開濕度較高的季節(jié)，以防因積灰回潮導(dǎo)致受熱面整體腐蝕。
2.6.2 鍋爐負(fù)荷分析
鍋爐負(fù)荷取決于燃燒器功率。受空氣灰分及燃料氣特性影響，燃燒器穩(wěn)焰盤極易積灰。穩(wěn)焰盤積灰后，火焰在旋流燃燒的情況下容易因內(nèi)部氣場變化而產(chǎn)生脫盤熄火。因沼氣成分中甲烷含量低于天然氣，在以沼氣為燃料氣時，相同燃料流量下熱值偏低且火焰長度明顯大于天然氣，導(dǎo)致鍋爐實(shí)際最大穩(wěn)定蒸發(fā)量為4.1t/h。因此。在后續(xù)類似工程設(shè)計中，鍋爐設(shè)計負(fù)荷除應(yīng)考慮整體蒸汽耗量外，仍需進(jìn)一步考慮生產(chǎn)負(fù)荷的變化，并適當(dāng)預(yù)留部分蒸發(fā)量，以避免因瞬時負(fù)載變化及燃料特性差異導(dǎo)致實(shí)際鍋爐負(fù)荷小于設(shè)計或運(yùn)行要求值的問題。
3、結(jié)論
①污泥的有機(jī)質(zhì)含量呈夏季低、冬季高的規(guī)律性變化。
②采用熱水解+高溫厭氧消化+板框脫水+帶式干化工藝處理市政污泥時，在不考慮厭氧罐二次保溫的情況下，當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量為30%~46.16%時，處理1t干污泥需補(bǔ)充的沼氣量約為19~92m³，工程可實(shí)現(xiàn)熱能平衡。
③采用熱水解+高溫厭氧消化+板框工藝處理污泥時，在不考慮厭氧罐二次保溫和行政辦公取暖的情況下，當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)含量高于36.88%時，工程可實(shí)現(xiàn)熱能平衡。
④熱水解蒸汽負(fù)載特性對鍋爐蒸發(fā)量的影響極大，宜采用錯峰錯時方式降低鍋爐負(fù)荷，并考慮三沖量進(jìn)水調(diào)控模式進(jìn)行鍋爐補(bǔ)水調(diào)節(jié)。
⑤空氣灰塵及厭氧沼氣中硅含量是鍋爐熱效率的關(guān)鍵限制因素，受熱面清灰周期不宜高于6個月。負(fù)載端的變化特性及燃料燃燒特性是影響沼氣鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，在進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮并適當(dāng)提高鍋爐余量。（來源：湖南軍信環(huán)保股份有限公司）
