污泥高温热水解技术的工程设计应用

全国排水委员会２０１４年年会论文集

污泥高温热水解技术的工程设计应用

姜立安，孙卫东，汪泳

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津３０００７４）

摘要：污泥热水解工艺在国外是一种比较成熟的污泥预处理工艺，但在国内还没有大规

模应用，通过对污泥热水解工艺的特点分析可知，该工艺是十分适合我国目前污泥处理实现

资源化和节能减排需要的。本文对污泥热水解工艺进行深入的研究，了解并掌握该工艺的技术特点，并总结积累设计和运行的参数。

关键词：

污泥热水解设计应用

污泥热水解处理能够部分破坏污泥微生物的细胞壁，使原来的不溶性颗粒有机物转化为溶解性有机物，从而加速了污泥的水解酸化，缩短了污泥在厌氧消化反应器中的停留时间，并可提高厌氧消化过程中甲烷的产量，强化和改善污泥厌氧消化的效率。另外，在高温热水解的作用下，有效杀灭了病原

茵，实现了卫生化；有效提高了厌氧消化效率和处理产物的稳定化水平，处理产物不再发臭。

污泥热水解技术在国外已有较多应用实例，是一种比较成熟有效的污泥预处理技术，但国内应用

较少。本文依托长沙市污泥集中处置工程，介绍污泥热水解工艺的技术特点，并总结积累设计经验，总结该工艺在实际运行中的问题，以期对将来的设计上作起到借鉴作用，使污泥热水解工艺的设计更

加适合我国污泥处理情况。

１污泥热水解工艺概述

１．１污泥热水解工艺的特点

污泥厌氧消化可以回收沼气、有效杀灭病原菌、实现污泥的稳定化和减量化，因此厌氧消化技术在世界各国得到广泛应用。近年来，人们开始研究能有效破碎污泥细胞并提高污泥水解速率的物理化学预处理技术，以期改善污泥的厌氧消化性能、提高处理效率、增大甲烷产节。这些技术包括机械

破碎、超声波破碎、热水解、酶处理及酸、碱处理等。但目前有大规模产业化应用的且比较成功的当属

污泥热水解技术，污泥热水解即对污泥进行加温使污泥中的郁分细胞物质水解、从大分子转化为小

分子物质，从而便于后序污泥的消化。

污泥热处理过程可以细分为四个过程：污泥絮体结构的解体、污泥细胞破碎和有机物的释放、有

机物的水解和有机物发生美拉德反应。１１。

热水解工艺的主要作用为：

（１）提高消化速率，减小污泥消化时间（１５～１８ｄ），污泥的流动性更强，可提高进入消化池污泥浓

度（污泥浓度可超过１０％），减小消化池容积约１／３；

（２）污泥处于高温（１６０～１９０℃），高压（约ｌＭＰａ）环境下，细菌、病毒等基本均被灭活，因此经消化处理后的污泥细菌指标可达到美国ＥＰＡ５０３中Ａ级农用标准；

（３）由于提高了可溶解式ｃ０Ｄ（ｓｃＯＤ），因此污泥经消化后产生的沼气量得到较大的提高，沼气

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

中Ｈ：ｓ的含量更低（约４０～２００ｍ昏／Ｌ），更有利于沼气的利用，消化过程中泡沫的产生量极少；

媛泥

热水解

水解污泥

惰性ＳＳ

水解ＳＳ

细胞物质

不容易或不可生物降解物质———◆良好的可生物降解性能

图１—１热水解前后污泥中细胞变化图

（４）经高温处理后的污泥臭味极小，污泥地进一步处理环境更好，且处理后污泥可满足更多种污泥处置要求。

（５）热水解并消化后的污泥，经离心脱水后，其含固率可以达到３０～３５％，因此可以减小后序污

泥热干化处理的蒸发量，从而可以减小能源的消耗。１．２热水解技术在国外应用现状及发展趋势

污泥在国外已有较多应用实例，是一种提高污泥消化效果，提高沼气产量的一种比较成熟有效的污泥预处理技术，目前国外有成熟运行经验的有挪威的ｃＡＭＢＩ公司及法国的威立雅等公司，主要应用业绩为：

表１—１热水解工艺国外应用业绩

序号

１２

项目名称

ＨＩＡＳ（１）ＴｈａｍｅｓＷａｔｅｒ（２）

Ｎｊ龆Ｂａｙ

ＲｉｎｇｓｅｎｄＳｅｗａｇｅＴｒｅａｔｍｅｎｔＴｈｅＭｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ

ｏｆ

ＷＯＴｋｓ

城市哈马切特西阿伯丁都柏林弗雷德里克

新滹比得哥煦布里斯班布鲁塞尔米林基那斯诺里奇上尔库提兹谷

国家挪威英国英国爱尔兰丹麦日本波兰澳大利亚比利时英国英国芬兰英国意大利

处理能力（ｔＤＳ／ａ）

３６００９６００１６５００３６０００

８【Ｊ０１０１２（）０

反应器台数

１２４８２ｌ

运行时间

１９９６１９９９

２００】

——

３

４

２００２２００２２００２２００５２００７

２００７

５６７８９

１０】１１２

Ｆｒｅｄｅｒｉｃｉａ

ＫｏｂｅｌｃｏＥｃｏ—Ｓｏｈｌｔｉｏｎｓ

ｓｐ０ＪｋａｗｏｄｍＫａｐｕｓｃｊｓｋａ

０ｘｌｅｖＣｒｅｅｋＢｒｕｘｅｌｋｓＮｏｒｄＣｏｔｔｏｎＶａｌｌｅｖ

８０００１２９００２００００２ｃ｜０００１９０００１４０００３７（Ｘ）ｔ１

１０２００

２３５

４４３

２００８２００８２００８

——

ｗｂ埘主ｎｇｈａｍＷ＿弭呵ｗ

ＢｉｏｖａｋｋａＯｖ

Ｂｒａｎ

１３

１４

Ｓａｎｄｓ８

４

２００９２０１０

Ｍｏｎｚａ

由于国内污泥中有机物含量大部分都很低，对于污泥处理处置工程采用污泥消化和干化Ｔ艺时，缺少热源的问题将越发严重，因此为保证整个污泥处理系统的正常运行，提高亨亏泥的消化降解程度、并实现污泥的无害化和稳定化，将来存污泥处理工程增设污泥消化预处理装置将被越来越多的采用。

１．３

国内推广应用该工艺的主要技术问题

（１）对污泥热水解工艺较核心的技术，如污泥在水解装置中停留时间、温度及余热利用的设计及

控制，需要全面了解和掌握。

全国排水委员会２０１４年年会论文集

（２）污泥热解工艺后消化过程中产生的污泥上清液性质还未有较详细的资料，该种污水的处理目前国内还没有先例可寻，对于污水处理技术在污泥热水解中的应用还需进一步分析研究。

（３）污泥热水解工艺后对脱水污泥含水率和干化效果未有详细的数据资料，需对脱水和干化后污泥进行详细分析，以指导今后采用污泥热水解处理处置应采取的主要措施。

２应用该工艺需要面对的关键问题及解决方案

本节内容依托长沙污泥集中处置工程，对热水解应用过程中关键问题的解决方案进行论述，该项目建设规模为５００∥ｄ，考虑污泥中有机质含量较低，掺混部分餐厨垃圾，因此工程处理污泥量４３４∥ｄ、餐厨垃圾６６∥ｄ，处理后污泥用作填埋场覆盖土，项目的其他具体信息参见第三节相关内容。

２．１

污泥热水解装置的关键参数及控制模式

污泥热水解系统主要包括：污泥浆化罐、污泥热水解罐、污泥泄压闪混罐三部分组成。

‘ｊｊｃ蒜＾￡ｌ蠛炉

’。‘追。

餐骑蛙厮

逢曩

臼辩仓■烽矗柏

奋●｝矗

Ｓ：岑可筹觜

。ｃＩｌ薰纛汽

。冀

。

一１二》ｔ－＿内蠢■｛

图２一ｌ污泥热水解系统图

Ａ浆化设备

污泥从料仓柱塞泵提升至浆化设备，在浆化设备中利用闪蒸蒸汽加热浆化至７０～８０℃，然后泵输送至热水解反应罐。浆化设备运行时为连续进料、连续出料的形式，反应罐过来的闪蒸蒸汽通过浆化设备内部的分配管和阀门通至浆化设备的不同部位。通过压力表、安全阀、安全水封等措施保证浆化设备内的压力安全。

Ｂ热水解反应罐

热水解反应罐中利用锅炉蒸汽加热至１３０℃，保压一段时间后泄压，泄压蒸汽进入闪蒸蒸汽罐后再进入浆化设备预热生泥，泄压后反应罐内的污泥通过出浆泵排至热交换器。热水解反应罐一个周

期为９０ｍｉｎ，分为进泥（１５ｍｉｎ）、加热（１５ｍｉｎ）、保压（３０ｍｉｎ）、泄压（１５ｍｉｎ）、排泥（１５ｍｉｎ）５个过

程，８个反应罐联动形成连续工作。

ｃ闪蒸罐

闪蒸罐中蒸汽进气阀常开及释压阀常开，其余阀门全关。

Ｄ热交换器

反应罐的出泥通过螺杆泵输送至热交换器进行冷却降温后送入混合罐，热交换器采用套管式换热器，内管走污泥，外管通水，共有４套，串联运行，４套均设置可以超越，热交换器出口污泥温度控制在６８℃。冷却水封闭循环，通过密闭式冷却塔进行降温，损失补水来自水处理的反渗透出水。

Ｅ混合罐、储泥罐

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

热交换器冷却后的污泥进入混合罐（３ｍ３），与垃圾料仓来的餐厨垃圾进行混合，混合后温度降至５８～６０℃白流至下方的储泥罐（１５０ｍ３），储泥罐中设搅拌机防止污泥沉降，最终通过泵送至污泥消化池的循环管中与消化池循环污泥合流进入消化池。

混合罐、储泥罐各设２套，交替运行，结合消化池进泥要求可选择按时间交替或以储泥罐中液位控制进行交替（ＢＵ从Ａ储泥罐出泥时污泥和垃圾进入Ｂ混合罐，Ａ储泥罐降至低液位后切换至Ｂ储泥罐出泥，同时污泥和垃圾进入Ａ混合罐）。

２．２热水解后污泥脱水方式的选择

板框压滤机的脱水后污泥含水率搬在６０％以下，经计算本工程脱水后污泥含水率由７０％降至

印％，则可减小干化工段蒸发水量约６７ｔ／ｄ，按ｏ．８ｋｗｈ／ｋｇ蒸发单位水耗热，沼气利用效率按９５％计

算，每天可节省沼气量约８８１０Ｎｍ３／ｄ，相“｛于总产气量的３２．２％，因此设计采用了板框压滤机。

２．３热水解后污泥消化产生沼气热源的利用

由污泥处理目标分析可知，在要求占地小、干化后污泥量减少的情况下，要达到污泥含水率４４％，干化只能采用热干化的方法，最优的选择即为厌氧消化产生沼气作为干化热能源。经计算，污泥厌消

化每天可产生沼气２７３５８Ｎｍ３／ｄ，沼气热值按６．４ｋｗｈ／Ｎｍ３计算，污泥消化产生沼气可提供的热量为

１７５０９ｌ

ｋｗｈ／ｄ，污泥热水解需要的沼气量为１

１９５４

Ｎｍ３／ｄ，剩余的沼气量为１５４０４Ｎｍ３／ｄ，热水解产生

的可利用的废热为３７４６４ｋｗｈ／ｄ（泥温由１０４。Ｃ降至６２℃），相当于５８５４Ｎｍ３／ｄ沼气产生的热量，完全满足污泥热干化的要求，还有剩余部分用于沼气发电。２．４热水解后废水处理方案的选择

由于经污泥热水解消化脱水后消化液水质目前还没有准确的资料，需在污泥热水解及消化系统运行后经测定，日前暂参考国外了解到的相关资料得到如下进水水质，ＢＯＤ：２１００ｍｇ／Ｌ；ｃｏＤ：４７００

ｍ∥Ｌ；ｓＳ：２０００ｍｇ／Ｌ；ＴＮ：２４００ｍ∥Ｌ；ＮＨ４一Ｎ：１７００ｍｇ／Ｌ；ＴＰ：１８０ｍｇ／Ｌ。

污水处理装置的出水水质确定的前提是，一是要满足ＮＨ。一Ｎ等指标达到《生活垃圾填埋场污染

控制标准》ＧＢ１６８８９—２００８表２中现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值要求，其它指标经深度处理后达到该标准的要求。ＢＯＤ≤３０ｍｇ／Ｌ；ｃ０Ｄ≤４００ｍｇ／Ｌ；ｓｓ≤５０ｍ∥Ｌ；ＴＮ≤４０ｍ∥Ｌ；ＮＨ４一Ｎ≤２５Ⅱｌｇ／Ｌ；’ＩＰ≤３ｍｇ／Ｌ。

污水处理工艺采用的主体池型为ＳＢＲ池型的厌氧氨氧化工艺，优势菌种为浮霉菌，回收菌种采用了旋流回收装置。工艺流程如下，包括了厌氧氨氧化工艺和膜过滤工艺，前者可在小外加碳源的情况

下有效的削减氨氮的负荷，从而节省运行费用；后者充分保证出水能够达到处理目标。

其中虚线框内的部分为水处理站——生物池的工程范围，点划线框内的部分为水处理站——膜

处理系统的工程范围。

图２—２污水处理流程框图

全国排水委员会２０１４年年会论文集

３污泥热水解的工程设计应用

３．１项目背景信息简介

本文依托长沙污泥集中处置工程对热水解技术的设计应用进行详细介绍。项目建设单位是长沙市水务局、长沙市排水有限责任公司、湖南军信环保集团有限公司，项目自２００７年即开始着手项目的可研工作，历经多年的方案论证最终选择了：项目建设地点在长沙市黑糜峰垃圾填埋场内，污泥处理工艺热水解、污泥消化、污泥脱水及干化工艺。

长沙市目前运行的９座污水处理厂处理污水总量约为１０６万ｍ３／ｄ，日产８０％含水率的污泥５２３吨。目前脱水后污泥直接送往长沙市垃圾处理中转站，进行机械化整装后，送至长沙市黑糜峰垃圾填埋场进行填埋处置，给垃圾与污泥填埋压实带来困难。

本项目的建设规模为５００∥ｄ，考虑污泥中有机质含量较低，掺混部分餐厨垃圾，因此工程处理污泥量４３４∥ｄ、餐厨垃圾６６∥ｄ。该工程主要污泥指标为：进泥含水率８０％；进泥中有机物含量为４５％。餐厨垃圾指标如下：垃圾颗粒小于１０ｍｍ为浆状；餐厨垃圾中固体物中的有机物含量大于８０％；餐厨垃圾量为６６∥ｄ，含水率６０％。出泥含水率要求＜４５％，干化后作为垃圾填埋场覆盖土的添加料。污泥处理的主要技术路线为：污水处理厂脱水后的污泥经汽车运输至污泥处置厂，污泥经热水解、厌氧消化、板框脱水、污泥干化。

３．２污泥处理的工艺流程图

废水运至新港污水处理厂・

ｒ

ｒ………………‘１

二蹑生物处理出水（及剩余污混）＋

ｒ……“

画聱

黼

暴

Ｌ．………，一ｈ．……一

沼气・

图３—１长沙污泥处置工程工艺流程图

３．３污泥处置工程的总体布局及现场状况

目前项目已经全部建成，正处于试运行阶段（见图３—２、图３—３）。

３．４主要单元设计参数简介

（１）污泥接料仓站

接收车运污泥及餐厨垃圾，并把污泥输送至污泥稀释混合站内。设湿污泥料仓３套（其中１套接

收垃圾），垃圾仓Ｖ＝６０ｌＩｌ３，污泥仓Ｖ＝２００ｌＩｌ３，内设污泥输送泵。

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

图３—２总平面布置图

揍着鬻巍橐靛

““燃

１Ｉｆ番ｌ祷壕

整

图３—３热水解及消化系统现场实暴图

（２）污泥热水解站

污泥热水解的关键设施，主要设备包括

Ａ．污泥浆化罐２套，每套包括：污泥浆化罐ｌ套，Ｑ＝２０ｍ３／ｈ；污泥循环泵，４台２用２备用，Ｑ＝

２０ｍ３／ｈＮ＝２２

ｋＷ。

ｍ×４ｍ

Ｂ．污泥热水解罐８套，Ｄ×Ｈ＝１．６ｃ．热交换器：２套Ｎ：５．０ｋｗ

Ｄ．混合及储泥罐：１套，Ｎ＝７．５＋２２Ｅ．泥砂分离器：１套，Ｑ＝１００Ｆ．空压机系统：１台，Ｑ＝１．３Ｇ．污泥泵：２套，Ｑ＝６０

（３）污泥消化池

ｍ３／ｈ

ｋｗ

ｍ３／ｍｉｎ，Ｐ＝１．０ＭＰａ，Ｎ＝１１

ｋｗ

ｍ３／ｈ，Ｐ＝６

ｂａｒ，Ｎ＝３０ｋｗ

全国排水委员会２０１４年年会论文集

采用２座半地下式钢筋砼柱型消化池，消化温度３５～３８℃；消化时间２３ｄ；干污泥量１１３０００ｋ昏／

ｄ；污泥含水率８９％；单池池容Ｖ＝１２０００ｍ３；进泥中有机物含量５３％；纯污泥有机物分解率４８％；餐厨垃圾分解率７５％；混合污泥分解率５７％；消化后污泥含水率９２％；产气率ｏ．８ＩＩｌ３沼气／ｋｇ有机物；产

气量２７３５８Ｎｍ３／ｄ；搅拌方式沼气搅拌。

（４）脱水机房

脱水采用６台板框式压滤脱水机，进泥含水率９２．５２％；出泥含水率６０％。

（５）污泥干化车间

选择１套带式于化设备，最大蒸发量２．６Ｌ／ｈ，进泥５２吨／天，含水率为６０％，出泥含水率为４４％。

（６）污水处理单元

设计处理规模９００ｍ３／ｄ、最大处理规模１５００ｍ３／ｄ。工艺流程包括厌氧氨氧化工艺和纳滤工艺，前者可在不外加碳源的情况下有效的削减氨氮的负荷，从而节省运行费用；后者充分保证出水能够达

到处理目标。

生物处理构筑物设计参数为，厌氧氨氧化反应池共２座，每座有效容积１１００ｍ３，总水力停留时间

５８．６

ｈ。每个反应周期为８ｈ，其中反应７ｈ，沉淀Ｏ．５ｈ，出水０．５ｈ，设计水温：３０～３５℃；ＭＬｓｓ：３．ｏ

ｍ’／

ｇ／Ｌ；最大水深：６ｍ；最小水深：５．２“；需氧量：４８９０ｋ∥ｄ。两级Ａｏ反应池ｌ座，建设规模为９００ｄ。总水力停留时间４８．６

ｈ。

膜处理系统采用超滤＋纳滤＋反渗透的处理工艺。超滤处理每套出力３００Ｌ／ｄ，共５套；保证最大出水能力１５００ｔ／ｄ；纳滤装置进水量５００∥ｄ，回收率一８０％，共１套；反渗透装置进水量４００ｔ／ｄ，回收率～７５％，出水能力３００Ｌ／ｄ共１套。

产生的浓水根据环评要求由罐车运至新港污水处理厂处理。４结论

４．１

通过理论设计及应用得到热水解工艺应用的优点

（１）提高消化速率，减小污泥消化时间（１５～１８ｄ），污泥的流动性更强，可提高进入消化池污泥浓

度（污泥浓度可超过１０％），减小消化池容积约１／３—１／２；

（２）污泥处于高温（１３０～１５０。Ｃ），高压（约１ＭＰａ）环境下，细菌、病毒等基本均被灭活，因此经消

化处理后的污泥细菌指标可达到美国ＦＰＡ５０３中Ａ级农用标准；

（３）由于提高了可溶解式ｃＯＤ（ｓｃＯＤ），因此污泥经消化后产生的沼气量得到较大的提高，沼气

中Ｈ２ｓ的含量更低（约４０～２００ｍ∥Ｌ），更有利于沼气的利用，消化过程中泡沫的产生量极少；

（４）经高温处理后的污泥臭味极小，污泥地进一步处理环境更好，且处理后污泥可满足更多种污

泥处置要求。

（５）经热水解并消化后的污泥，在直接板框脱水后，其含固率可以达到３５～４０％，因此可以减小

后序污泥热干化处理的蒸发量，从而可以减小能源的消耗。４．２热水解工艺推广应用的建议

（１）按照国家目前的产业政策，污泥回归土地还是大势所趋。污泥经过高温／高压的热水解＋消化工艺，在不进行污泥焚烧的条件下最大限度的做到了污泥的“稳定化、无害化、减量化”，完全满足土地利用的要求，具有很高的推广价值。

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

（２）从项目的投资及运行费用对比来看：由于设备费用目前按照完全进口进行计算，一次性投资

较高。

表４—１投资及运行成本对比表

项ｆ＝＝ｉ单位增加热水解后

来增加热水解

数据对比

工程总投资万元３７７８５．３６３２０７６．９６５７０８．４１７．８０％年总生产成本力兀６３５０．８７５６８４．２７６６６．６１１．７３％单位生产成本元／吨湿污泥

３４７．９９３１１．４７３６．５２

１１．７３％年总经营成本万元２９４４．７４２９５９．２—１４．４６

—０．４９％单位经营成本

元／吨湿污泥

１６１．３６

１６２．１５

一Ｏ．７９

一Ｏ．４９％

由以上投资及运行成本分析可以看出：虽然增加热水解系统投资增加了１．１亿，但由于增加热水

解系统后消化／脱水／下化等系统的设计及运行负荷全都有所降低，故而工程总投资只增加５０００多万元，与不设热水解系统相比投资增加１７．８％；由于热水解增加了沼气产量，降低了热消耗量，故而实际经营成本不但未增加反而减少，总成本的增加主要源于投资增加引起的折旧等费用的增加。

由此可见增加热水解工艺投资虽偏高，但运行费用还是较为经济的，从环境效益讲污泥经热水解后细菌、病毒等基本均被灭活，实现了污泥的稳定化和无害化。同时由于目前国内开发研制的热水解处理装置如雨后春笋般迅猛发展，设备国产化后将对热水解部分的投资下降起到十分巨大的作用，因

此热水解工艺的优势也将越发明显。

（３）污泥消化和脱水后，脱水液中ＴＮ和ｃｏＤ都较高，可达２０００ｍｇ／Ｌ以上，以往常规的处理工艺很难降解，目前国内外多家单位广泛应用的厌氧氨氧化污水处理工艺极其适合此种水质，污水处理难度和处理费用都大幅度降低，由此产生的困难也迎刃而解。

（４）污泥热水解有以上较多优点，但也存在不足，目前国内大规模污泥厂运行实例较少，运行管理经验缺乏，且系统运行较为复杂，又同时涉及高温的压力容器，系统要求的运行管理水平较高。

（５）目前国内合流制系统的污泥中有机物含量低，不利于热水解工艺最大限度的发挥其作用，但随着城市雨污分流制的：［作不断进行，管网建设的不断完善，污水厂处理的城市生活污水量将逐步提

高，这样将有利于热水解和污泥消化工艺的广泛推广。

参考文献：

［１］牟艳艳，于鑫，郑正，等．《污泥厌氧消化预处理方法研究进展》．环境科学，２００５，２６（１）：６８—７１．

［２］

王治军，王伟．《污泥热水解过程中固体有机物的变化规律》．中国给水排水，２００４第２０期．

［３］郑伟，李小明，熊伟，等．《污泥热水解处理技术研究进展》．广州化工，第４０卷第７期２０１２年４月．

［４］

宫曼丽，划利，等．《污泥减量化处理新工艺Ｂｉｏｔｈｅｌｙｓ技术及其应用》．中国给水排水，第２６卷第２期，２０１０年１月．

［５］宫曼丽，赵欣，等．《污泥减最化处理新工艺Ｅｘｅｌｙｓ技术及其应用》．中国给水排水，第２９卷第１２期，２０１３年６月．

全国排水委员会２０１４年年会论文集

污泥高温热水解技术的工程设计应用

姜立安，孙卫东，汪泳

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津３０００７４）

摘要：污泥热水解工艺在国外是一种比较成熟的污泥预处理工艺，但在国内还没有大规

模应用，通过对污泥热水解工艺的特点分析可知，该工艺是十分适合我国目前污泥处理实现

资源化和节能减排需要的。本文对污泥热水解工艺进行深入的研究，了解并掌握该工艺的技术特点，并总结积累设计和运行的参数。

关键词：

污泥热水解设计应用

污泥热水解处理能够部分破坏污泥微生物的细胞壁，使原来的不溶性颗粒有机物转化为溶解性有机物，从而加速了污泥的水解酸化，缩短了污泥在厌氧消化反应器中的停留时间，并可提高厌氧消化过程中甲烷的产量，强化和改善污泥厌氧消化的效率。另外，在高温热水解的作用下，有效杀灭了病原

茵，实现了卫生化；有效提高了厌氧消化效率和处理产物的稳定化水平，处理产物不再发臭。

污泥热水解技术在国外已有较多应用实例，是一种比较成熟有效的污泥预处理技术，但国内应用

较少。本文依托长沙市污泥集中处置工程，介绍污泥热水解工艺的技术特点，并总结积累设计经验，总结该工艺在实际运行中的问题，以期对将来的设计上作起到借鉴作用，使污泥热水解工艺的设计更

加适合我国污泥处理情况。

１污泥热水解工艺概述

１．１污泥热水解工艺的特点

污泥厌氧消化可以回收沼气、有效杀灭病原菌、实现污泥的稳定化和减量化，因此厌氧消化技术在世界各国得到广泛应用。近年来，人们开始研究能有效破碎污泥细胞并提高污泥水解速率的物理化学预处理技术，以期改善污泥的厌氧消化性能、提高处理效率、增大甲烷产节。这些技术包括机械

破碎、超声波破碎、热水解、酶处理及酸、碱处理等。但目前有大规模产业化应用的且比较成功的当属

污泥热水解技术，污泥热水解即对污泥进行加温使污泥中的郁分细胞物质水解、从大分子转化为小

分子物质，从而便于后序污泥的消化。

污泥热处理过程可以细分为四个过程：污泥絮体结构的解体、污泥细胞破碎和有机物的释放、有

机物的水解和有机物发生美拉德反应。１１。

热水解工艺的主要作用为：

（１）提高消化速率，减小污泥消化时间（１５～１８ｄ），污泥的流动性更强，可提高进入消化池污泥浓

度（污泥浓度可超过１０％），减小消化池容积约１／３；

（２）污泥处于高温（１６０～１９０℃），高压（约ｌＭＰａ）环境下，细菌、病毒等基本均被灭活，因此经消化处理后的污泥细菌指标可达到美国ＥＰＡ５０３中Ａ级农用标准；

（３）由于提高了可溶解式ｃ０Ｄ（ｓｃＯＤ），因此污泥经消化后产生的沼气量得到较大的提高，沼气

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

中Ｈ：ｓ的含量更低（约４０～２００ｍ昏／Ｌ），更有利于沼气的利用，消化过程中泡沫的产生量极少；

媛泥

热水解

水解污泥

惰性ＳＳ

水解ＳＳ

细胞物质

不容易或不可生物降解物质———◆良好的可生物降解性能

图１—１热水解前后污泥中细胞变化图

（４）经高温处理后的污泥臭味极小，污泥地进一步处理环境更好，且处理后污泥可满足更多种污泥处置要求。

（５）热水解并消化后的污泥，经离心脱水后，其含固率可以达到３０～３５％，因此可以减小后序污

泥热干化处理的蒸发量，从而可以减小能源的消耗。１．２热水解技术在国外应用现状及发展趋势

污泥在国外已有较多应用实例，是一种提高污泥消化效果，提高沼气产量的一种比较成熟有效的污泥预处理技术，目前国外有成熟运行经验的有挪威的ｃＡＭＢＩ公司及法国的威立雅等公司，主要应用业绩为：

表１—１热水解工艺国外应用业绩

序号

１２

项目名称

ＨＩＡＳ（１）ＴｈａｍｅｓＷａｔｅｒ（２）

Ｎｊ龆Ｂａｙ

ＲｉｎｇｓｅｎｄＳｅｗａｇｅＴｒｅａｔｍｅｎｔＴｈｅＭｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ

ｏｆ

ＷＯＴｋｓ

城市哈马切特西阿伯丁都柏林弗雷德里克

新滹比得哥煦布里斯班布鲁塞尔米林基那斯诺里奇上尔库提兹谷

国家挪威英国英国爱尔兰丹麦日本波兰澳大利亚比利时英国英国芬兰英国意大利

处理能力（ｔＤＳ／ａ）

３６００９６００１６５００３６０００

８【Ｊ０１０１２（）０

反应器台数

１２４８２ｌ

运行时间

１９９６１９９９

２００】

——

３

４

２００２２００２２００２２００５２００７

２００７

５６７８９

１０】１１２

Ｆｒｅｄｅｒｉｃｉａ

ＫｏｂｅｌｃｏＥｃｏ—Ｓｏｈｌｔｉｏｎｓ

ｓｐ０ＪｋａｗｏｄｍＫａｐｕｓｃｊｓｋａ

０ｘｌｅｖＣｒｅｅｋＢｒｕｘｅｌｋｓＮｏｒｄＣｏｔｔｏｎＶａｌｌｅｖ

８０００１２９００２００００２ｃ｜０００１９０００１４０００３７（Ｘ）ｔ１

１０２００

２３５

４４３

２００８２００８２００８

——

ｗｂ埘主ｎｇｈａｍＷ＿弭呵ｗ

ＢｉｏｖａｋｋａＯｖ

Ｂｒａｎ

１３

１４

Ｓａｎｄｓ８

４

２００９２０１０

Ｍｏｎｚａ

由于国内污泥中有机物含量大部分都很低，对于污泥处理处置工程采用污泥消化和干化Ｔ艺时，缺少热源的问题将越发严重，因此为保证整个污泥处理系统的正常运行，提高亨亏泥的消化降解程度、并实现污泥的无害化和稳定化，将来存污泥处理工程增设污泥消化预处理装置将被越来越多的采用。

１．３

国内推广应用该工艺的主要技术问题

（１）对污泥热水解工艺较核心的技术，如污泥在水解装置中停留时间、温度及余热利用的设计及

控制，需要全面了解和掌握。

全国排水委员会２０１４年年会论文集

（２）污泥热解工艺后消化过程中产生的污泥上清液性质还未有较详细的资料，该种污水的处理目前国内还没有先例可寻，对于污水处理技术在污泥热水解中的应用还需进一步分析研究。

（３）污泥热水解工艺后对脱水污泥含水率和干化效果未有详细的数据资料，需对脱水和干化后污泥进行详细分析，以指导今后采用污泥热水解处理处置应采取的主要措施。

２应用该工艺需要面对的关键问题及解决方案

本节内容依托长沙污泥集中处置工程，对热水解应用过程中关键问题的解决方案进行论述，该项目建设规模为５００∥ｄ，考虑污泥中有机质含量较低，掺混部分餐厨垃圾，因此工程处理污泥量４３４∥ｄ、餐厨垃圾６６∥ｄ，处理后污泥用作填埋场覆盖土，项目的其他具体信息参见第三节相关内容。

２．１

污泥热水解装置的关键参数及控制模式

污泥热水解系统主要包括：污泥浆化罐、污泥热水解罐、污泥泄压闪混罐三部分组成。

‘ｊｊｃ蒜＾￡ｌ蠛炉

’。‘追。

餐骑蛙厮

逢曩

臼辩仓■烽矗柏

奋●｝矗

Ｓ：岑可筹觜

。ｃＩｌ薰纛汽

。冀

。

一１二》ｔ－＿内蠢■｛

图２一ｌ污泥热水解系统图

Ａ浆化设备

污泥从料仓柱塞泵提升至浆化设备，在浆化设备中利用闪蒸蒸汽加热浆化至７０～８０℃，然后泵输送至热水解反应罐。浆化设备运行时为连续进料、连续出料的形式，反应罐过来的闪蒸蒸汽通过浆化设备内部的分配管和阀门通至浆化设备的不同部位。通过压力表、安全阀、安全水封等措施保证浆化设备内的压力安全。

Ｂ热水解反应罐

热水解反应罐中利用锅炉蒸汽加热至１３０℃，保压一段时间后泄压，泄压蒸汽进入闪蒸蒸汽罐后再进入浆化设备预热生泥，泄压后反应罐内的污泥通过出浆泵排至热交换器。热水解反应罐一个周

期为９０ｍｉｎ，分为进泥（１５ｍｉｎ）、加热（１５ｍｉｎ）、保压（３０ｍｉｎ）、泄压（１５ｍｉｎ）、排泥（１５ｍｉｎ）５个过

程，８个反应罐联动形成连续工作。

ｃ闪蒸罐

闪蒸罐中蒸汽进气阀常开及释压阀常开，其余阀门全关。

Ｄ热交换器

反应罐的出泥通过螺杆泵输送至热交换器进行冷却降温后送入混合罐，热交换器采用套管式换热器，内管走污泥，外管通水，共有４套，串联运行，４套均设置可以超越，热交换器出口污泥温度控制在６８℃。冷却水封闭循环，通过密闭式冷却塔进行降温，损失补水来自水处理的反渗透出水。

Ｅ混合罐、储泥罐

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

热交换器冷却后的污泥进入混合罐（３ｍ３），与垃圾料仓来的餐厨垃圾进行混合，混合后温度降至５８～６０℃白流至下方的储泥罐（１５０ｍ３），储泥罐中设搅拌机防止污泥沉降，最终通过泵送至污泥消化池的循环管中与消化池循环污泥合流进入消化池。

混合罐、储泥罐各设２套，交替运行，结合消化池进泥要求可选择按时间交替或以储泥罐中液位控制进行交替（ＢＵ从Ａ储泥罐出泥时污泥和垃圾进入Ｂ混合罐，Ａ储泥罐降至低液位后切换至Ｂ储泥罐出泥，同时污泥和垃圾进入Ａ混合罐）。

２．２热水解后污泥脱水方式的选择

板框压滤机的脱水后污泥含水率搬在６０％以下，经计算本工程脱水后污泥含水率由７０％降至

印％，则可减小干化工段蒸发水量约６７ｔ／ｄ，按ｏ．８ｋｗｈ／ｋｇ蒸发单位水耗热，沼气利用效率按９５％计

算，每天可节省沼气量约８８１０Ｎｍ３／ｄ，相“｛于总产气量的３２．２％，因此设计采用了板框压滤机。

２．３热水解后污泥消化产生沼气热源的利用

由污泥处理目标分析可知，在要求占地小、干化后污泥量减少的情况下，要达到污泥含水率４４％，干化只能采用热干化的方法，最优的选择即为厌氧消化产生沼气作为干化热能源。经计算，污泥厌消

化每天可产生沼气２７３５８Ｎｍ３／ｄ，沼气热值按６．４ｋｗｈ／Ｎｍ３计算，污泥消化产生沼气可提供的热量为

１７５０９ｌ

ｋｗｈ／ｄ，污泥热水解需要的沼气量为１

１９５４

Ｎｍ３／ｄ，剩余的沼气量为１５４０４Ｎｍ３／ｄ，热水解产生

的可利用的废热为３７４６４ｋｗｈ／ｄ（泥温由１０４。Ｃ降至６２℃），相当于５８５４Ｎｍ３／ｄ沼气产生的热量，完全满足污泥热干化的要求，还有剩余部分用于沼气发电。２．４热水解后废水处理方案的选择

由于经污泥热水解消化脱水后消化液水质目前还没有准确的资料，需在污泥热水解及消化系统运行后经测定，日前暂参考国外了解到的相关资料得到如下进水水质，ＢＯＤ：２１００ｍｇ／Ｌ；ｃｏＤ：４７００

ｍ∥Ｌ；ｓＳ：２０００ｍｇ／Ｌ；ＴＮ：２４００ｍ∥Ｌ；ＮＨ４一Ｎ：１７００ｍｇ／Ｌ；ＴＰ：１８０ｍｇ／Ｌ。

污水处理装置的出水水质确定的前提是，一是要满足ＮＨ。一Ｎ等指标达到《生活垃圾填埋场污染

控制标准》ＧＢ１６８８９—２００８表２中现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值要求，其它指标经深度处理后达到该标准的要求。ＢＯＤ≤３０ｍｇ／Ｌ；ｃ０Ｄ≤４００ｍｇ／Ｌ；ｓｓ≤５０ｍ∥Ｌ；ＴＮ≤４０ｍ∥Ｌ；ＮＨ４一Ｎ≤２５Ⅱｌｇ／Ｌ；’ＩＰ≤３ｍｇ／Ｌ。

污水处理工艺采用的主体池型为ＳＢＲ池型的厌氧氨氧化工艺，优势菌种为浮霉菌，回收菌种采用了旋流回收装置。工艺流程如下，包括了厌氧氨氧化工艺和膜过滤工艺，前者可在小外加碳源的情况

下有效的削减氨氮的负荷，从而节省运行费用；后者充分保证出水能够达到处理目标。

其中虚线框内的部分为水处理站——生物池的工程范围，点划线框内的部分为水处理站——膜

处理系统的工程范围。

图２—２污水处理流程框图

全国排水委员会２０１４年年会论文集

３污泥热水解的工程设计应用

３．１项目背景信息简介

本文依托长沙污泥集中处置工程对热水解技术的设计应用进行详细介绍。项目建设单位是长沙市水务局、长沙市排水有限责任公司、湖南军信环保集团有限公司，项目自２００７年即开始着手项目的可研工作，历经多年的方案论证最终选择了：项目建设地点在长沙市黑糜峰垃圾填埋场内，污泥处理工艺热水解、污泥消化、污泥脱水及干化工艺。

长沙市目前运行的９座污水处理厂处理污水总量约为１０６万ｍ３／ｄ，日产８０％含水率的污泥５２３吨。目前脱水后污泥直接送往长沙市垃圾处理中转站，进行机械化整装后，送至长沙市黑糜峰垃圾填埋场进行填埋处置，给垃圾与污泥填埋压实带来困难。

本项目的建设规模为５００∥ｄ，考虑污泥中有机质含量较低，掺混部分餐厨垃圾，因此工程处理污泥量４３４∥ｄ、餐厨垃圾６６∥ｄ。该工程主要污泥指标为：进泥含水率８０％；进泥中有机物含量为４５％。餐厨垃圾指标如下：垃圾颗粒小于１０ｍｍ为浆状；餐厨垃圾中固体物中的有机物含量大于８０％；餐厨垃圾量为６６∥ｄ，含水率６０％。出泥含水率要求＜４５％，干化后作为垃圾填埋场覆盖土的添加料。污泥处理的主要技术路线为：污水处理厂脱水后的污泥经汽车运输至污泥处置厂，污泥经热水解、厌氧消化、板框脱水、污泥干化。

３．２污泥处理的工艺流程图

废水运至新港污水处理厂・

ｒ

ｒ………………‘１

二蹑生物处理出水（及剩余污混）＋

ｒ……“

画聱

黼

暴

Ｌ．………，一ｈ．……一

沼气・

图３—１长沙污泥处置工程工艺流程图

３．３污泥处置工程的总体布局及现场状况

目前项目已经全部建成，正处于试运行阶段（见图３—２、图３—３）。

３．４主要单元设计参数简介

（１）污泥接料仓站

接收车运污泥及餐厨垃圾，并把污泥输送至污泥稀释混合站内。设湿污泥料仓３套（其中１套接

收垃圾），垃圾仓Ｖ＝６０ｌＩｌ３，污泥仓Ｖ＝２００ｌＩｌ３，内设污泥输送泵。

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

图３—２总平面布置图

揍着鬻巍橐靛

““燃

１Ｉｆ番ｌ祷壕

整

图３—３热水解及消化系统现场实暴图

（２）污泥热水解站

污泥热水解的关键设施，主要设备包括

Ａ．污泥浆化罐２套，每套包括：污泥浆化罐ｌ套，Ｑ＝２０ｍ３／ｈ；污泥循环泵，４台２用２备用，Ｑ＝

２０ｍ３／ｈＮ＝２２

ｋＷ。

ｍ×４ｍ

Ｂ．污泥热水解罐８套，Ｄ×Ｈ＝１．６ｃ．热交换器：２套Ｎ：５．０ｋｗ

Ｄ．混合及储泥罐：１套，Ｎ＝７．５＋２２Ｅ．泥砂分离器：１套，Ｑ＝１００Ｆ．空压机系统：１台，Ｑ＝１．３Ｇ．污泥泵：２套，Ｑ＝６０

（３）污泥消化池

ｍ３／ｈ

ｋｗ

ｍ３／ｍｉｎ，Ｐ＝１．０ＭＰａ，Ｎ＝１１

ｋｗ

ｍ３／ｈ，Ｐ＝６

ｂａｒ，Ｎ＝３０ｋｗ

全国排水委员会２０１４年年会论文集

采用２座半地下式钢筋砼柱型消化池，消化温度３５～３８℃；消化时间２３ｄ；干污泥量１１３０００ｋ昏／

ｄ；污泥含水率８９％；单池池容Ｖ＝１２０００ｍ３；进泥中有机物含量５３％；纯污泥有机物分解率４８％；餐厨垃圾分解率７５％；混合污泥分解率５７％；消化后污泥含水率９２％；产气率ｏ．８ＩＩｌ３沼气／ｋｇ有机物；产

气量２７３５８Ｎｍ３／ｄ；搅拌方式沼气搅拌。

（４）脱水机房

脱水采用６台板框式压滤脱水机，进泥含水率９２．５２％；出泥含水率６０％。

（５）污泥干化车间

选择１套带式于化设备，最大蒸发量２．６Ｌ／ｈ，进泥５２吨／天，含水率为６０％，出泥含水率为４４％。

（６）污水处理单元

设计处理规模９００ｍ３／ｄ、最大处理规模１５００ｍ３／ｄ。工艺流程包括厌氧氨氧化工艺和纳滤工艺，前者可在不外加碳源的情况下有效的削减氨氮的负荷，从而节省运行费用；后者充分保证出水能够达

到处理目标。

生物处理构筑物设计参数为，厌氧氨氧化反应池共２座，每座有效容积１１００ｍ３，总水力停留时间

５８．６

ｈ。每个反应周期为８ｈ，其中反应７ｈ，沉淀Ｏ．５ｈ，出水０．５ｈ，设计水温：３０～３５℃；ＭＬｓｓ：３．ｏ

ｍ’／

ｇ／Ｌ；最大水深：６ｍ；最小水深：５．２“；需氧量：４８９０ｋ∥ｄ。两级Ａｏ反应池ｌ座，建设规模为９００ｄ。总水力停留时间４８．６

ｈ。

膜处理系统采用超滤＋纳滤＋反渗透的处理工艺。超滤处理每套出力３００Ｌ／ｄ，共５套；保证最大出水能力１５００ｔ／ｄ；纳滤装置进水量５００∥ｄ，回收率一８０％，共１套；反渗透装置进水量４００ｔ／ｄ，回收率～７５％，出水能力３００Ｌ／ｄ共１套。

产生的浓水根据环评要求由罐车运至新港污水处理厂处理。４结论

４．１

通过理论设计及应用得到热水解工艺应用的优点

（１）提高消化速率，减小污泥消化时间（１５～１８ｄ），污泥的流动性更强，可提高进入消化池污泥浓

度（污泥浓度可超过１０％），减小消化池容积约１／３—１／２；

（２）污泥处于高温（１３０～１５０。Ｃ），高压（约１ＭＰａ）环境下，细菌、病毒等基本均被灭活，因此经消

化处理后的污泥细菌指标可达到美国ＦＰＡ５０３中Ａ级农用标准；

（３）由于提高了可溶解式ｃＯＤ（ｓｃＯＤ），因此污泥经消化后产生的沼气量得到较大的提高，沼气

中Ｈ２ｓ的含量更低（约４０～２００ｍ∥Ｌ），更有利于沼气的利用，消化过程中泡沫的产生量极少；

（４）经高温处理后的污泥臭味极小，污泥地进一步处理环境更好，且处理后污泥可满足更多种污

泥处置要求。

（５）经热水解并消化后的污泥，在直接板框脱水后，其含固率可以达到３５～４０％，因此可以减小

后序污泥热干化处理的蒸发量，从而可以减小能源的消耗。４．２热水解工艺推广应用的建议

（１）按照国家目前的产业政策，污泥回归土地还是大势所趋。污泥经过高温／高压的热水解＋消化工艺，在不进行污泥焚烧的条件下最大限度的做到了污泥的“稳定化、无害化、减量化”，完全满足土地利用的要求，具有很高的推广价值。

姜立安，等：污泥高温热水解技术的工程设计应用

（２）从项目的投资及运行费用对比来看：由于设备费用目前按照完全进口进行计算，一次性投资

较高。

表４—１投资及运行成本对比表

项ｆ＝＝ｉ单位增加热水解后

来增加热水解

数据对比

工程总投资万元３７７８５．３６３２０７６．９６５７０８．４１７．８０％年总生产成本力兀６３５０．８７５６８４．２７６６６．６１１．７３％单位生产成本元／吨湿污泥

３４７．９９３１１．４７３６．５２

１１．７３％年总经营成本万元２９４４．７４２９５９．２—１４．４６

—０．４９％单位经营成本

元／吨湿污泥

１６１．３６

１６２．１５

一Ｏ．７９

一Ｏ．４９％

由以上投资及运行成本分析可以看出：虽然增加热水解系统投资增加了１．１亿，但由于增加热水

解系统后消化／脱水／下化等系统的设计及运行负荷全都有所降低，故而工程总投资只增加５０００多万元，与不设热水解系统相比投资增加１７．８％；由于热水解增加了沼气产量，降低了热消耗量，故而实际经营成本不但未增加反而减少，总成本的增加主要源于投资增加引起的折旧等费用的增加。

由此可见增加热水解工艺投资虽偏高，但运行费用还是较为经济的，从环境效益讲污泥经热水解后细菌、病毒等基本均被灭活，实现了污泥的稳定化和无害化。同时由于目前国内开发研制的热水解处理装置如雨后春笋般迅猛发展，设备国产化后将对热水解部分的投资下降起到十分巨大的作用，因

此热水解工艺的优势也将越发明显。

（３）污泥消化和脱水后，脱水液中ＴＮ和ｃｏＤ都较高，可达２０００ｍｇ／Ｌ以上，以往常规的处理工艺很难降解，目前国内外多家单位广泛应用的厌氧氨氧化污水处理工艺极其适合此种水质，污水处理难度和处理费用都大幅度降低，由此产生的困难也迎刃而解。

（４）污泥热水解有以上较多优点，但也存在不足，目前国内大规模污泥厂运行实例较少，运行管理经验缺乏，且系统运行较为复杂，又同时涉及高温的压力容器，系统要求的运行管理水平较高。

（５）目前国内合流制系统的污泥中有机物含量低，不利于热水解工艺最大限度的发挥其作用，但随着城市雨污分流制的：［作不断进行，管网建设的不断完善，污水厂处理的城市生活污水量将逐步提

高，这样将有利于热水解和污泥消化工艺的广泛推广。

参考文献：

［１］牟艳艳，于鑫，郑正，等．《污泥厌氧消化预处理方法研究进展》．环境科学，２００５，２６（１）：６８—７１．

［２］

王治军，王伟．《污泥热水解过程中固体有机物的变化规律》．中国给水排水，２００４第２０期．

［３］郑伟，李小明，熊伟，等．《污泥热水解处理技术研究进展》．广州化工，第４０卷第７期２０１２年４月．

［４］

宫曼丽，划利，等．《污泥减量化处理新工艺Ｂｉｏｔｈｅｌｙｓ技术及其应用》．中国给水排水，第２６卷第２期，２０１０年１月．

［５］宫曼丽，赵欣，等．《污泥减最化处理新工艺Ｅｘｅｌｙｓ技术及其应用》．中国给水排水，第２９卷第１２期，２０１３年６月．