城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱調理深度脫水

《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱調理深度脫水技術規(guī)程》（征求意見稿）編制說明《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱調理深度脫水技術規(guī)程》編制組二〇二三年四月目次TOC\o"1-1"\h\u1任務來源 《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱深度脫水技術規(guī)程》編制說明任務來源2022年6月，中華環(huán)保聯(lián)合會下達了“中環(huán)聯(lián)字[2022]128號中華環(huán)保聯(lián)合會關于《乘用車整車制造業(yè)（涂裝工藝）揮發(fā)性有機物排放分級控制指標要求》《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥沼渣好氧處理技術規(guī)范》《城鎮(zhèn)污水廠污泥水熱深度脫水技術規(guī)程》三項團體標準立項的公告”，批準《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱深度脫水技術規(guī)程》團體標準立項。標準主要起草單位為同濟大學、長江經濟帶生態(tài)環(huán)境國家工程研究中心、長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司、上?？睖y設計研究院有限公司、深圳市環(huán)源科技發(fā)展有限公司、上海同濟普蘭德生物質能股份有限公司、北京漢能清源科技有限公司。標準制定必要性、編制依據(jù)、編制原則標準制定的必要性城鎮(zhèn)污水處理廠污泥深度脫水減量是污泥處理處置的關鍵。城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產量大、有機物含量高、具有一定生物活性，細小顆粒造成的可壓縮性強、有機質親水基團對水的高親和力使得污泥脫水性能較差，實現(xiàn)深度脫水存在困難。傳統(tǒng)的化學調理工藝，通過添加有機高分子絮凝劑、無機混凝劑、無機骨架材料降低污泥可壓縮性、釋放胞外聚合物中水分提高污泥的脫水性能，但要實現(xiàn)深度脫水，藥劑投加量大，不利于污泥減量，且大量加藥也會影響污泥的后續(xù)處置與利用。污泥水熱調理是一種污泥熱調理方式，通過高溫高壓反應，污泥破壁、絮體結構被破壞，有機質溶出、水解，污泥脫水性能得到極大改善，不需添加藥劑即可實現(xiàn)深度脫水，同時可實現(xiàn)殺毒滅菌效果，在污泥減量化、無害化及資源化方面具有較大優(yōu)勢。污泥水熱深度脫水工藝目前已實現(xiàn)工程應用，具有推廣價值。為了提升污泥水熱深度脫水工藝設計及運行管理水平，促進技術推廣應用，依據(jù)國家和行業(yè)相關法律法規(guī)和標準規(guī)范，編制本標準。編制依據(jù)本標準編制參考了國家及行業(yè)相關標準，編制依據(jù)如下：GB150.1~150.4壓力容器GB14554惡臭污染物排放標準GB24188城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質GB50014室外排水設計標準GB50243通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范GB/T23485城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質GB/T23486城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質GB/T24600城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質GB/T24602城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質GB/T25031城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質CJJ60城鎮(zhèn)污水處理廠運行、維護及安全技術規(guī)程CJJ/T243城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術規(guī)程CJ/T314城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置水泥熟料生產用泥質CJ/T362城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質JB/T4333.1~4333.4廂式壓濾機和板框壓濾機TSG08特種設備使用管理規(guī)則TSG21固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程08R418-1管道與設備絕熱-保溫編制原則統(tǒng)一性原則：標準內文體、術語保持一致。協(xié)調性原則：標準與現(xiàn)行基礎標準內容相協(xié)調；標準與上級或同級標準之間相協(xié)調；標準與非本專業(yè)、非本行業(yè)標準之間相協(xié)調。適用性原則：所制定標準條款考慮可操作性、易于實施；標準的內容便于被其他文件如其他標準、法律、法規(guī)或規(guī)章所引用。規(guī)范性原則：確定標準的整體結構、層次和相應內容，將相對獨立的技術內容用獨立的部分來規(guī)定，并應將每部分標準的名稱、內容、關系、順序等做好安排；按照標準制、修訂工作程序制定標準；符合有關的法律法規(guī)及標準編寫的規(guī)定。主要工作過程1）2022年4月成立標準編制組，2022年4月24日召開組內討論會，并形成標準編制框架，提交中華環(huán)保聯(lián)合會審查。2）2022年5月31日中華環(huán)保聯(lián)合會組織召開立項評審會，根據(jù)專家意見標準名稱修改為《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱深度脫水技術規(guī)程》。4）2022年6月10日，中華環(huán)保聯(lián)合會發(fā)布中環(huán)聯(lián)字[2022]128號文件，公告《城鎮(zhèn)污水廠污泥水熱深度脫水技術規(guī)程》通過立項審查，批準立項。5）2023年4月25日，編制組完成標準編制，召開專家審查會。國內外相關標準研究目前國內已發(fā)布的污泥深度脫水相關標準包括《室外排水設計標準》GB50014、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥深度脫水工藝設計與運行管理指南》TCECS20005-2021、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥隔膜壓濾深度脫水技術規(guī)程》TCECS537-2018。《室外排水設計標準》GB50014是住房與城鄉(xiāng)建設部與國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布的用于全面指導室外排水工程設計的國家標準。污泥處理和處置是污水處理的重要環(huán)節(jié)，標準第8章規(guī)定了污泥處理處置相關技術要求。其中8.5章節(jié)污泥機械脫水提出了壓濾機脫水、離心機脫水的設計規(guī)定、技術要求及相關參數(shù)，并特別強調用于深度脫水時壓濾機的設計參數(shù)?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥深度脫水工藝設計與運行管理指南》TCECS20005-2021是中國工程建設標準化協(xié)會發(fā)布的行業(yè)標準，用于指導城鎮(zhèn)污水廠污泥深度脫水工程的工藝設計和運行管理。該標準介紹了污泥深度脫水的原理、特點、主要技術和設備，并從污泥調理、深度脫水、濾液臭氣泥餅處置等方面提出了設計要求及運行管理規(guī)定。其中污泥調理分為化學調理、物理調理、生物調理三類主流技術，化學調理是應用較為廣泛、設計參數(shù)較為完善。物理調理中提到了高溫熱調理，即高溫高壓的水熱反應，標準中介紹了高溫熱調理的基本原理，對于高溫熱調理的工藝設計僅提供了反應條件、壓力，對于水熱深度脫水集成工藝的設計指導不足。《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥隔膜壓濾深度脫水技術規(guī)程》TCECS537-2018是由中國工程建設協(xié)會發(fā)布的行業(yè)標準，用于指導采用隔膜壓濾深度脫水工程的設計、施工驗收和運行管理。標準重點對隔膜壓濾環(huán)節(jié)的設計、施工、運行管理相關參數(shù)、要求做出規(guī)定，壓濾前采用化學調理方式調理污泥。目前國內已發(fā)布的涉及到水熱調理（熱水解）的相關標準包括《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術標準》（征求意見稿）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高級厭氧消化處理工藝設計規(guī)范》T/CSUS29-2021?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處理技術標準》（征求意見稿）給出了污泥熱水解反應溫度（160-200℃）、壓力（0.6-1.6MPa）、進泥含固率（14-16%）等參數(shù)，水熱調理后污泥進入?yún)捬跸亍！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥高級厭氧消化處理工藝設計規(guī)范》T/CSUS29-2021是中國城市科學研究會發(fā)布的團體標準，其中污泥高溫熱水解作為厭氧消化前的預處理工藝，旨在提升厭氧消化處理效率，因此相關設計規(guī)定以提升厭氧消化效率為目標。國際標準通過在ISO、HIS、BSI等標準檢索網站搜索“sludg”、“thermalhydrolysis”、“hydrothermal”、“dewater”等關鍵詞，檢索到目前國際上涉及到水熱調理的技術標準有ISO19388、ISO/TR20736，關于脫水的技術標準ISO/CDTR19995正在編制中還未發(fā)布。ISO19388是2023年發(fā)布的關于污泥厭氧消化設施操作的要求和建議。在厭氧消化預處理章節(jié)，ISO19388提到水解是厭氧消化的限速步驟，可以通過熱預處理的方式提升厭氧消化速率。其中高溫熱水解是在污泥水解池中通入熱蒸汽，使污泥升溫至140-170℃，反應壓力為4-6bar（0.4-0.6MPa），反應時間30min，反應通常包括三個反應器，分別為預熱均質、熱水解反應、冷卻和熱回收。此外還可以通過堿熱水解的方式調理污泥，70℃左右，調節(jié)pH10-12，也可達到提升厭氧消化速率的目的。ISO20736是污泥熱處理指南，其中熱水解作為一種熱處理方式，在7.3章節(jié)提供了該技術指南。該技術的優(yōu)勢在于提高厭氧消化速率、去除揮發(fā)性固體、改善脫水性能等技術指南提供了熱水解處理的工藝流程，包括污泥預熱漿化、泵送至水熱反應器、水熱反應（溫度不超過170℃）、閃蒸熱回收，系統(tǒng)產生的不凝氣體冷卻壓縮后通入?yún)捬跸M料系統(tǒng)管道中。綜上所述，目前國內、外已發(fā)布污泥水熱調理相關技術標準提供的流程方法、工藝參數(shù)是以提升厭氧消化效率為目標，而脫水相關標準，污泥預處理均以化學調理為主。本標準是以深度脫水為目標，通過水熱調理改善污泥脫水性能，無需添加化學藥劑實現(xiàn)深度脫水，利于后續(xù)處置與資源化利用。水熱脫水工藝目前已有工程應用，但尚未有針對該工藝全流程的技術規(guī)程，現(xiàn)編制本標準，提升污泥水熱深度脫水工藝設計及運行管理水平，促進技術推廣應用。本標準中關于水熱預處理的一般規(guī)定、機械深度脫水設備及相關設計要求與上述國內相關標準保持一致。同類工程現(xiàn)狀調研深圳鹽田污水處理廠污泥深度脫水項目（150t/d）采用水熱深度脫水工藝，工藝流程為污泥儲存—水熱調理—隔膜板框壓濾，該工藝已推廣應用至廣州海滔、深圳蛇口等項目。深圳鹽田項目占地1500㎡，總投資4300萬元。脫水壓濾液回流污水處理廠，脫水泥餅外運處置，用于園林綠化、電廠摻燒。項目采用漿化水熱一體化系統(tǒng)，80%含水率污泥直接通過螺桿泵泵送至水熱反應器，反應器內裝有大功率攪拌設備，同步實現(xiàn)漿化和水熱調理。蒸汽由反應器上部進入，與污泥充分接觸，水熱反應溫度為170-180℃，最高時可達到200℃。標準編制組于2022年3-6月采集了工程運行相關數(shù)據(jù)如下，脫水泥餅平均含水率低于40%，實現(xiàn)較好的減量化效果。采樣日期樣品來源檢測報告編號含水率（%）VS/TS（%）總氮含量mg/gTS總磷含量mg/gTS2022年3-6月原泥（離心污泥）ZYHJ2200657-182.1-82.740.1-46.731.4-32.216.19-168原泥（離心污泥）平均值82.443.431.892.12022年3-6月脫水泥餅ZYHJ2200657-229.8-38.630.6-33.418.5-19.139.5-216脫水泥餅平均值34.232.018.8127.3標準編制組還對脫水濾液、臭氣成分進行了檢測。濾液中CODCr濃度3.15×104mg/L、總氮3.40×103mg/L、總磷15.3mg/L。根據(jù)測算，濾液回流污水處理廠對進水CODCr、總氮、總磷的增加分別為17.4%、11.7%、0.4%，未影響污水廠出水水質達標。不凝氣體中含有高濃度甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、硫化氫等，采用化學洗滌+催化氧化技術可以實現(xiàn)較好的處理效果，達到臭氣處理要求。廣東東莞市污泥深度脫水項目也采用水熱深度脫水工藝，設計規(guī)模300噸/天，工藝流程為污泥儲存—水熱調理—離心脫水—干化熱解。項目采用序批式系統(tǒng)，漿化設備、水熱反應器、閃蒸釋壓反應器，反應溫度170-180℃，采用離心機脫水，需投加少量PAM，脫水泥餅含水率不能達到60%以下。該工程不凝氣體采用熱處理工藝，利用熱解系統(tǒng)進行處理。綜合上述兩項工程調研，為實現(xiàn)深度脫水效果，降低泥餅含水率，本標準提出水熱深度脫水應采用隔膜板框壓濾設備進行脫水。同時對工程脫水濾液、臭氣進行分析檢測，提出脫水濾液宜回流污水處理廠，對于水熱系統(tǒng)產生的不凝臭氣可采用化學洗滌+催化氧化、熱處理的處理工藝。主要技術內容及說明標準框架結構及主要內容標準分為12個章節(jié)，包括“1.范圍、2.規(guī)范應引用文件、3.術語和定義、4.工藝流程、5.總體要求、6.污泥儲存和輸送、7.污泥水熱調理、8.污泥換熱系、9.污泥深度、10.濾液收集與處理系統(tǒng)、11.臭氣處理、12.運行與管理”。第1章規(guī)定了標準適用范圍為新建、改建和擴建城鎮(zhèn)污水處理廠污泥水熱調理深度脫水項目的設計和運行管理；第2章列出了本標準引用的規(guī)范性文件；第3章定義了標準中提到的專業(yè)術語；4~5章提供了工藝流程及總體要求；6~11章提供了水熱調理深度脫水各工藝環(huán)節(jié)的技術要求，分為一般規(guī)定、工藝設計、設備構造，一般規(guī)定提供了工藝設計通用性的原則，工藝設計提供了工藝設計技術要求及參數(shù)，設備構造提出了工藝設備技術要求及參數(shù)；12章提供了項目運行管理方面的要求。主要技術內容說明5.1.1設計泥量：城鎮(zhèn)污水處理廠污泥包括初沉污泥、剩余污泥、化學污泥等，在設計時首先要考慮哪些污泥進入水熱深度脫水系統(tǒng)。此外，污泥水熱深度處理設施宜集中建設，可能處理一個或多個污水處理廠產生的污泥，應綜合考慮污泥處理工藝、進水水量和水質、季節(jié)性變化等因素對污泥產量的影響，設計泥量應綜合考慮并留有20%左右的安全系數(shù)。5.1.2水熱調理深度脫水工藝所處理的污泥有機質含量宜＞35%，有機質含量過低的污泥中含有大量砂石，易對水熱調理設備造成磨損，影響處理效果。5.1.3設計泥質：進入污泥水熱深度脫水的污泥一般是機械脫水后的污泥，比如采用疊螺脫水機、離心脫水機、帶式脫水機等，其含水率約80%~85%，如含水率過高，一是污泥脫水減量不明顯，集中處理時污泥運輸成本較高；二是水熱預處理時，蒸汽耗量高，不經濟。5.2.2污泥水熱深度脫水的濾液污染物濃度含量高，單獨建設濾液處理設施時投資和運行成本較高，可考慮利用現(xiàn)有污水處理廠處理余量處理濾液。5.2.4根據(jù)已建工程調研情況，采用漿化水熱一體化系統(tǒng)，設備布置緊湊，占地面積大約10㎡/t?？紤]到序批式系統(tǒng)包括漿化設備、水熱反應器、閃蒸釋壓反應器，系統(tǒng)占地面積稍大，同時隨著環(huán)保要求升高，應為臭氣、濾液儲存等環(huán)保設施預留足夠的空間，因此用地指標適當擴大。5.3.2水熱調理深度脫水工藝優(yōu)勢在于僅需少量化學藥劑或不需藥劑實現(xiàn)深度脫水，適宜土地利用，在污染物含量達標、有土地利用條件的情況下應優(yōu)先土地利用，在利用前應進行穩(wěn)定化處理。6.1.4根據(jù)項目情況，污泥可能通過管道泵送或車輛運輸至水熱調理深度脫水處理項目，如采用管道泵送，可采用流量計對污泥進行計量；如采用車輛運輸，可設置稱重磅進行計量。6.3.2脫水污泥的粘性較大，進入污泥料倉后，脫水污泥易板結、成團，在料倉與輸送泵連接口之前經常會出現(xiàn)污泥架空導致污泥無法順利落入輸送泵泵腔的情況，這種現(xiàn)象稱之為“架橋”，可通過設置刮板、螺旋的方式防止污泥架橋。7.1.1水熱反應的原理簡單來說類似高壓鍋，即污泥在高溫高壓的過程中，胞外聚合物和大分子有機物發(fā)生水解，污泥中微生物的細胞壁破碎，可有效改善污泥的脫水性能，利于后續(xù)的脫水。工程中，為確保污泥輸送系統(tǒng)、水熱反應系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、蒸汽供應系統(tǒng)等連續(xù)運行，一條水熱生產線可能配置多個水熱反應器，每個水熱反應器依次經歷進泥、加熱、保溫、閃蒸釋壓、排泥等工序，而整個水熱系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)進泥，連續(xù)反應，連續(xù)排泥等。7.2.1反應溫度是水熱預處理過程中一個非常重要的控制參數(shù)，根據(jù)編制組前期的研究結果，污泥脫水性能隨著反應溫度的升高而改善，溫度超過200℃，通過機械脫水，不添加藥劑可將含水率降低到40%以下。但過高的反應溫度（200℃以上）容易使水解出來還原糖的醛基和氨基酸中的氨基會發(fā)生美拉德反應(MaillardReaction)，生成難降解的褐色多聚氮，不利于脫水濾液的處理。此外，過高的反應溫度，對蒸汽壓力（蒸汽鍋爐）、水熱反應設備、管道、閥門、儀表等的壓力等級要求也相應較高，可能會增加設備系統(tǒng)投資以及操作運行難度。從項目整體的技術經濟角度考量，不追求更低的含水率情況下，推薦反應溫度為170~200℃。7.2.2水熱反應過程中，蒸汽需求量是波動的，前期污泥溫度低，反應器壓力也較低，蒸汽通入后，污泥快速吸收通入的蒸汽；隨著加熱過程的不斷進行，污泥溫度不斷升高，反應器內的壓力也不斷升高，污泥吸收的蒸汽速度也相應較低。為保證水熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，鍋爐的蒸汽供應量要有一定的富裕量。7.2.4單批次運行時間包括進泥、加熱、保溫、閃蒸釋壓、排泥等過程，保溫時間是指污泥達到設計反應溫度后的時間。設計反應溫度越高，保溫時間越短。當設計反應溫度為170℃時，保溫時間約為20-30min，當設計反應溫度為200℃時，保溫時間約為5min。7.2.9飽和蒸汽消耗量是衡量水熱調理能耗的重要參數(shù)。水熱調理深度脫水的優(yōu)勢之一在于不發(fā)生水的相變，調理后通過機械方式進行脫水，減少能耗。根據(jù)前期調研，水熱調理過程中回收閃蒸釋放的二次蒸汽熱量的情況下，1t污泥（含水率80%）消耗的蒸汽小于250kg，能耗低于熱干化工藝。污泥粘度表征了污泥的流動性能，它影響到污泥的熱傳導、輸送、攪拌、傳質等特性，高溫水熱會顯著降低污泥的粘度。水熱調理后污泥經過機械脫水，泥餅含水率可低于60%。7.3.1根據(jù)壓力容器設計壓力（p）大小分為四個壓力等級，其中低壓(代號L)容器0.1MPa≤p＜1.6MPa；中壓(代號M)容器1.6MPa≤p＜10.0MPa。當水熱反應溫度為200℃時，進入水熱反應器的蒸汽溫度約210℃左右，相應的蒸汽壓力約2.0MPa，此時，水熱反應器為中壓容器，需按II類壓力容器設計。8.1.2深度脫水系統(tǒng)一般采用隔膜板框壓濾機，當污泥溫度較高時，濾板、濾布在工作時容易發(fā)生變形，從而影響脫水效率。因此，水熱反應后的溫度應換熱降溫后進入后續(xù)脫水系統(tǒng)。9.1.1污泥最終處置包括填埋、焚燒及建材利用、土地利用等，不同的處置方式對污泥含水率有不同要求，污泥深度脫水設備應考慮污泥最終處置含水率要求。序號標準號標準名稱含水率備注1GB4284-2018農用污泥污染物控制標準≤60%2GB/T25031-2010城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質≤40%3GB/T24600-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質＜65%4GB/T24602-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質＜60%自持燃燒5GB/T23485-2009城鎮(zhèn)污水處理污泥混合填埋泥質＜60%混合填埋6GB/T23486-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質＜40%7CJ/T314-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置水泥熟料生產用泥質≤80%8CJ/T362-2011城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質≤60%9.2.2水熱調理過程中有機質溶出水解，會造成干物質減量，脫水設備設置時應予以考慮。9.2.3隔膜板框壓濾機過濾周期通常按照4h計算，水熱調理后污泥流動性好、更易脫水，過濾周期縮短。根據(jù)現(xiàn)有工程調研，水熱調理后用隔膜板框壓濾機進行脫水，過濾周期大約2小時。9.2.7對于有機質含量較高的污泥，脫水性能較差，可根據(jù)最終泥餅含水率的要求，水熱調理后少量添加藥劑，使其達到脫水目標。9.2.13隔膜板框壓濾機處理后的泥餅呈塊狀，為了方便運輸及后續(xù)利用或處置，可在壓濾機下方設置格柵或破碎裝置，對泥餅進行破碎。9.2.14設置脫水泥餅料倉或堆棚，臨時儲存脫水泥餅，以應對泥餅不能及時外運的情況；此外，由于經過水熱調理，污泥中的胞內水、結合水釋放，脫水泥餅短期堆置有利于含水率進一步降低。10.1.1設置濾液儲存池，用于緩沖調節(jié)濾液回流污水廠，較少對污水廠運行的影響，同時有利于氮磷回收。10.2.1根據(jù)對現(xiàn)有工程的跟蹤監(jiān)測，脫水濾液中COD濃度＞30000mg/L、總氮＞3000mg