近年來，隨著我國污泥問題的凸顯和國家對環境保護的日漸重視，城鎮污泥的減量化、穩定化、無害化處理處置被提上了日程，一批污泥處理處置設施得到了建設。在污泥處理處置的各技術中，厭氧消化由于能在實現污泥常規處理處置的同時，實現能源化(產甲烷)，被列入我國政府主推的幾種污泥處理處置主導技術。在我國污泥厭氧消化設施的實際運行中，污泥處理處置設施運行效率受制于低有機質、高含砂量等泥質特性的影響，整體運行和產甲烷效率明顯低于歐美發達國家同等規模的厭氧消化設施。為保證污泥厭氧消化系統的高效運行，實現污泥的穩定化和無害化，合理的預處理技術勢在必行。污泥熱水解技術作為污泥厭氧消化主要的預處理技術之一，能夠實現污泥的破壁、有機物的溶出和病原體的殺滅，在實際工程中得到了廣泛應用。

本文在綜述污泥厭氧消化和高溫熱水解技術特征的基礎上，對當前工業中主流的裝備進行了分析，并結合實際案例對裝備運行效能進行了分析，以期為實際污泥厭氧消化設施的運行提供技術支撐。

1  技術原理及特點

1.1污泥熱水解技術

污泥熱水解技術的工作原理是將脫水污泥(一般含水率在85%~90%左右)和溫度為150~260℃、壓力為1.4~2.6MPa的飽和蒸汽加入密閉的反應釜，通過蒸汽對污泥進行間接加熱，使污泥菌膠團、內部微生物和有機物水解破壁，從而使細胞失活，同時胞內部分有機物如蛋白質和多糖等，得以釋放并進入上清液。

該技術起源于20世紀30年代，起初用于改善污泥脫水性能;70年代末開始用于污泥預處理，以提高污泥厭氧消化性能;90年代后被開發用于反硝化碳源的獲取和活性污泥的減量研究;1995年Cambi公司在挪威哈馬爾的HIAS污水處理廠首次建造熱水解裝置作為污泥處理工藝的一部分，在此基礎上形成了污泥熱水解——厭氧消化技術體系。需要說明的是，熱水解技術自身能夠實現污泥的無害化、減量化、穩定化：熱水解使污泥含固率提高、脫水性能增強，從而實現污泥處理的減量化;高溫高壓過程使病原菌滅活，實現污泥處理的無害化;熱水解后有機物通過固液分離轉移至濾液中，使得干污泥中可生化降解的有機物減少50%以上，從而達到穩定化。

污泥熱水解過程包括固體物質溶解液化和有機物水解兩個過程。污泥經熱水解處理后，污泥上清液中的溶解性物質濃度大幅提高，尤其以污泥中蛋白質和糖類的溶出最為突出，能改善污泥的脫水性能和厭氧消化性能。相較于傳統的超聲和臭氧氧化法，熱水解技術對污泥有機物胞外聚合物的破壁能力更強，有利于后續的污泥生化處理，熱水解后污泥通過固液分離裝置分離為干化污泥和濾液。

1.2污泥厭氧消化技術

污泥厭氧消化是指利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機質的一種處理工藝。厭氧消化一般包括水解、酸化和產甲烷等階段。通過厭氧消化，污泥體積減少為原來的30%~50%，脫水效果提高，水分與固體易于分離，穩定性增強，無明顯的惡臭;同時厭氧消化過程能有效減少有毒病菌并產生大量的甲烷氣體。衡量污泥的厭氧消化性能和產氣性能的2個指標：單位質量揮發性固體(VS)產氣量和分解單位質量揮發性固體產氣量，美國污水處理廠設計手冊中這2項指標的最佳范圍分別為0.5~0.75L/g和0.75~1.12L/g，國內無明確規定。雖然污泥厭氧消化過程具有有效降解污泥有機物、殺死污泥中病原體、減小污泥體積及回收能源等優勢，但厭氧消化系統在運行過程中存在著水力停留時間長(10~20d)和有機物去除率較低(20%~40%)等缺陷。

2  工藝配套裝備

2.1污泥熱水解裝備

目前污泥熱水解常用的裝備為水熱反應釜，水熱反應釜大多為圓柱形罐體，內部設換熱裝置和機械攪拌裝置等。長沙市污泥處理處置工程采用污泥熱水解-厭氧消化系統，其中熱水解的關鍵設施為污泥漿化裝備，主要包括1套污泥漿化罐、8套污泥熱水解罐(圖1(a))、1套混合及儲泥罐和2套熱交換器。各裝置規格如下：污泥漿化罐流量為20m3/h;污泥循環泵4臺，流量為20m3/h(2用2備);污泥熱水解罐直徑1.6m，高4m;熱交換器2套，電機功率為5.0kW，混合及儲泥罐電機功率為7.5+22kW。

各裝備運行示意如圖2所示，具體運行過程及參數如下。

(1)漿化裝備——污泥從料倉柱塞泵提升至漿化裝備，在漿化裝備中利用閃蒸蒸汽加熱漿化至70~80℃，然后泵送至熱水解反應罐。漿化裝備運行時為連續進料、連續出料，反應罐產生的閃蒸蒸汽通過漿化裝備內部分配管和閥門通至漿化裝備的不同部位。在漿化裝置內部，通過壓力表、安全閥、安全水封等動態調整保證漿化裝備內的壓力安全。

(2)熱水解反應罐——熱水解反應罐中利用鍋爐蒸汽加熱至130~150℃，保壓一段時間后泄壓，泄壓蒸汽進入閃蒸蒸汽罐后再進入漿化裝備預熱生泥，泄壓后反應罐內的污泥通過出漿泵排至熱交換器。熱水解反應罐一個周期為90min，分為進泥(15min)、加熱(15min)、保壓(30min)、泄壓(15min)、排泥(15min)5個過程，各反應罐可聯動工作。

2.2污泥厭氧消化裝備

污泥厭氧消化裝備主要包括污泥厭氧消化池(罐)主體(圖1(b))、進料系統、攪拌系統、沼氣收集裝備、沼氣凈化裝備和沼氣安全裝備。各裝備的主要特征如下。

(1)消化池(罐)——可分為常規混凝土建造設施和一體化裝備。

常規的混凝土建造設施一般由池底、池體和池頂三部分組成，池底為倒圓錐形;池體主要有圓柱形、卵形和龜甲形等幾種(圓柱形應用最廣泛);池頂可分為固定蓋式和浮動蓋式兩種。整體而言，柱形消化池的反應罐直徑在6~40m之間，罐體內有一坡度為15%的錐底以及一個位于反應罐中心的排泥出口，運行時需保證罐體的污泥深度最低達到7.5m，以保證反應器內物料的充分混合，部分消化池也會配置格子狀的底部來減少罐體底部的不均勻沉砂，進而減少反應器的清洗次數。相對應的，卵形污泥消化器是一種改進的池形，該形狀的池體可降低砂石和浮渣積累，缺點為基建費較高，且缺少足夠的氣體貯存空間。

污泥厭氧消化一體化罐體在國內應用較多的為利浦(Lipp)罐，其具有施工周期短、造價相對較低、占地小等優點。該一體化裝備建造過程中薄鋼板(2~4mm厚)通過上下層之間的咬合形式螺旋上升，按“螺旋、雙折邊、咬合”工藝可建造成體積為100~5000m3的罐體。罐基礎底板為鋼筋混凝土結構，同罐體嵌固式連接，并密封處理。Lipp罐一體化厭氧消化設施宜建成地上式，基礎底板為淺埋式;在一體化厭氧罐運行過程中，罐內泥位相對較高，罐體及底板受力都較大;另厭氧罐下部設有的人孔、進料管、排渣管、循環管等工藝管道接口將使得罐底結構處于不利條件，因此在厭氧罐底部通常會設置一道環形圈梁，以限制罐體的變形。

(2)進料裝備——投配池中的污泥經污泥泵抽送到消化池，目前主流的污泥厭氧消化進料系統為間歇進料。近年來，隨著自控系統的逐漸重視，基于污泥流量質量控制的自動閥門廣泛用于消化系統自動進料控制。溢流管一般與進料裝備配套建設，以保證厭氧消化系統中液面的平衡，溢流管的直徑至少為25mm。

(3)攪拌裝備——通常用于維持消化系統的持續運轉和避免砂石和浮渣沉積。攪拌裝備一般置于池中心，當池子很大時，可設若干均布于池中的攪拌裝備。攪拌方法一般有泵攪拌和沼氣攪拌等。

泵攪拌通常指用泵將消化污泥從池底抽出，經泵加壓后送至浮渣層表面或者消化池的不同部位進行循環攪拌，常與進料系統和池外加熱系統合建，適用于小型消化池。沼氣攪拌是將消化池自身產生的一部分沼氣經過壓縮機加壓后通過豎管或池底的擴散器再送入消化池，達到混合攪拌的目的。沼氣攪拌有氣提式、豎管式、氣體擴散式和射流器抽吸沼氣式等四種形式。氣提式攪拌是將沼氣壓入消化池導流管的中部或底部，使沼氣與消化液混合，含氣泡的污泥即沿導流管上升，起提升作用，使池內消化液不斷循環攪拌達到混合的目的;豎管式攪拌根據消化池直徑大小，在池內均勻布置若干根豎管，經過加壓的沼氣通過配氣總管分配到各根豎管，從下端吹出后起到攪拌作用;氣體擴散式攪拌器是使經過壓縮的沼氣通過氣體擴散器與消化池內污泥混合，起到攪拌作用;射流式抽吸沼氣攪拌是用污泥泵從消化池直筒壁的三分之二處抽吸污泥，污泥抽出后壓入水射器的噴嘴，當污泥射入水射器的喉管時，形成很大的負壓，經過射流器抽吸池頂的沼氣，然后將混合污泥與沼氣射入消化池底，形成攪拌循環。

(4)沼氣收集裝備——用于收集存儲厭氧消化過程產生的沼氣，其有效容積可按日均產氣量的25%~40%來計算。大型污泥消化系統取低限，小型污泥消化系統取高限。按照儲氣壓力的大小可分為低壓式和中壓式兩種。

(5)沼氣凈化裝備——通常情況下包括沼氣的脫水、脫硫、脫二氧化碳過程。

沼氣脫水常見的方法有兩種：氣水分離器和凝水器。氣水分離器一般安裝在輸送氣系統管道上、脫硫塔之前，沼氣從側向進入氣水分離器，經過氣水分離器后從上部離開進入沼氣管網;沼氣凝水器類似于城市煤氣管道的凝水器，一般安裝在輸送氣管道的埋地管網中，按照地形與長度在適當的位置安裝。

沼氣中的硫化氫可通過脫硫洗滌塔去除，其可分為干式和濕式兩種。在常用的干式洗滌塔中一般裝填有飽和三氧化二鐵，俗稱海綿鐵。濕式洗滌塔一般用堿性液體來吸收硫化氫，該方法具有可長期連續運行、運行費用低、需要專人值守、裝備需要保養的特點。沼氣中的二氧化碳則主要通過堿液吸收去除。

(6)沼氣安全裝備——包括消焰器、安全閥、廢沼氣燃燒器、滴漏閥、氣壓指示表、冷凝液和沉渣貯存器、引火燃燒室和低壓逆止閥等。空氣中的沼氣達到一定濃度時具有毒性，達到一定的濃度比例后遇到明火有爆炸的風險，因此必須對沼氣安全裝備予以高度重視。

3  單元技術優勢及組合的必要性

3.1污泥熱水解技術的優勢

污泥熱水解技術具有如下優勢：

(1)安全性：污泥熱水解在反應釜中完成，無粉塵產生，運行狀況良好的裝備不存在爆炸危險;

(2)環保性：污泥熱水解反應在密閉反應器中進行，能迅速完成殺菌和除臭過程，后續污泥處理不會產生異味問題;另污泥處于高溫(160~190℃)高壓(約1.5MPa)環境下，細菌、病毒等基本均被滅活，因此經消化處理后的污泥細菌指標可達到美國EPA503中A級農用標準;

(3)資源化：熱水解過程中，污泥中的有機物得到釋放，增加了污泥中有機質(特別是可溶性有機物)的含量，強化了污泥的可生化性能，能很好地解決我國污泥中有機質含量較低的問題;

(4)高效性：通過蒸汽對污泥間接加壓加熱，可破壞污泥有機物高分子結構、膠體絮體等固相物質的持水結構;污泥熱水解預處理也可提高消化速率，減少污泥消化時間(15~18d);另熱水解后污泥的流動性更強，可提高進入消化池的污泥濃度(含固率可>10%)，減小約1/3的消化池容積。

3.2污泥厭氧消化技術的優勢

污泥在厭氧消化過程中，能夠實現污泥中有機物的高效能源化轉化，其主要的優勢在于：

(1)無害化：污泥在厭氧消化過程中，較高的溫度(中溫37℃，高溫75℃)能夠實現污泥中病原體的殺滅，并使得部分重金屬鈍化，處理后的污泥泥質明顯改良;

(2)減量化：污泥經良好的厭氧消化后，有機物去除率將達到40%~50%，體積也將減少為原來的30%~50%，減量化效果明顯;

(3)能源化：污泥在厭氧消化過程中單位質量揮發性固體(VS)產氣量可達0.5~0.75L/(gVS)。如大連夏家河污泥厭氧消化工程每日產氣量達3萬m3，經濟效益顯著。

3.3污泥熱水解和污泥厭氧消化技術結合的必要性

由于我國污泥中有機質含量的平均值低于歐美等發達國家，傳統的厭氧消化技術在處理污泥的過程中存在產氣率較低、運行效率低下等問題，部分污泥厭氧消化設施存在穩定運行難、系統易崩潰等現象。我國已建成的污泥厭氧消化裝備近50座，這些已經存在的污泥厭氧消化裝備正常運行的不足20座，與國外有明顯的差距。為了保證整個污泥厭氧消化系統的高效運行，實現污泥的穩定化和無害化處理處置，采用合理的預處理技術勢在必行。目前常用的污泥預處理技術主要包括堿處理、熱水解、超聲等。

熱水解由于其良好的污泥破壁能力、高效的脫臭能力、優良的污泥病原體殺滅功能等，被廣泛應用于污泥的厭氧消化技術的預處理過程。污泥經過熱水解預處理之后，微生物絮體解體，微生物細胞破碎，胞外聚合物(EPS)中呈聚合結構的有機物大量釋放并進入上清液，進入上清液中的該部分有機物分子量較小、易于生物降解;因此，熱水解提高了污泥的可生物降解性，將使得污泥厭氧消化的有機物去除率提高，甲烷產量增加，污泥的脫水性能改善。第二，該工藝對污泥餅中病原菌的殺滅使得處理后污泥的處置途徑趨于多樣化。此外，熱水解將提升污泥的脫水性能，有效提高消化反應池的含固率，減少消化池的土建投資和運行費用。

4  實際處理工程應用

長沙市污水處理廠污泥集中處置工程近期(2015年)建設規模為500t/d，遠期(2020年)建設規模為1000t/d，采用“熱水解+污泥厭氧消化+脫水+干化”工藝。干化后污泥按照《城鎮污水處理污泥處置混合填埋用泥質》(GB/T23485—2009)的要求，作為垃圾填埋場覆蓋土的添加料。近期工程處理污泥量為434t/d，餐廚垃圾處理量為66t/d。污泥指標：進泥含水率為80%，進泥有機物含量為45%。上述處理處置后的污泥在后續板框脫水中，含固率可將至40%以上。工程總投資37785.36萬元，單位生產成本為347.9元/t濕污泥。

5  工程建設展望

隨著我國污泥處理處置工作的不斷推進，污泥熱水解+厭氧消化技術有望在污泥治理工程中扮演重要的角色。為了更好地發揮上述組合工藝的優勢，本文為今后污泥熱水解+厭氧消化工程的建設提出如下建議：

(1)充分重視我國污泥泥質特性，做好污泥除砂和運行過程中的砂沉降防治工作，建議通過加強沉砂池運行效能和強化攪拌的方式對上述問題進行解決;

(2)結合不同地域的污泥特性，構造多形式的污泥水熱裝置;

(3)充分利用熱水解余熱，探索污泥熱水解+厭氧消化工藝能源梯級利用的新模式，做到能源的高效回收;

(4)探索污泥熱水解和堿處理等其他預處理技術的結合，實現污泥中有機物的進一步溶出。

作者：薛重華1，孔祥娟1，呂蘊哲2，薛茂2，魏亮亮2，宋旭剛2

(1.住房和城鄉建設部科技發展促進中心，北京100835;2.哈爾濱工業大學環境學院，黑龍江哈爾濱150090)

原文標題為《城鎮污泥熱水解與厭氧消化聯用技術的原理、效能及應用》，發表在《凈水技術》2018年第8期