嵌入式热水解工艺Intermediate THP | 英国中试案例的技术与经济分析
热水解（Thermal Hydrolysis Process, THP）是近年来污泥领域的热词之一，THP作为厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）的预处理工艺，具有几个显著特点，例如可以产生 Class A类污泥、提高后续厌氧消化工艺处理能力、提高沼气产量等等。THP工艺的形式有很多种，目前应用最广泛的是CAMBI工艺（图1），据2016年底数据报道，CAMBI工艺在全球有60个应用案例。
▲ 图1 Simplified Process Flow Diagram for Cambi THP
但是，THP工艺本身仍然具有一些缺陷，例如THP需要高温、高压的环境，必然导致其耗能较高。目前学术界对THP工艺的研究主要集中在两个领域：提高沼气产量、降低THP能耗。
为改进THP工艺，泰晤士水务有限公司（Thames Water Utilities Limited）、英国萨里大学（Surrey University）和CAMBI公司共同研发了“嵌入式热水解工艺（Intermediate Thermal Hydrolysis Process，ITHP）”，并在英国贝辛斯托克污水处理厂（Basingstoke STP）开展了中试试验。ITHP的工艺路线是初级AD+THP+二级AD（所以称为嵌入式热水解工艺）。
该研究将从技术和经济的双重角度对四种工艺进行对比与剖析：ITHP工艺、只针对剩余活性污泥应用THP工艺（SAS only THP）、传统THP +AD、传统AD工艺。
ITHP中试装置搭建于贝辛斯托克污水处理厂污泥与能源研发中心（图2），工艺路线如图3。T1和T2分别接受不同来源的初沉污泥和剩余污泥，在T3进行混合，T4是初级中温厌氧消化罐，T6是缓冲罐，T6接收初级厌氧消化处理之后的污泥，经T6缓冲之后进行带式脱水，再进入料斗加水稀释，之后进入T9（THP罐），T10为释压罐，T11为储泥罐，经过热水解之后的污泥在T11里加水稀释，之后进入二级厌氧消化罐T5。T4和T5产生的沼气由同一个沼气收集罐进行收集，沼气收集罐采用浮顶罐，以保持罐体内部的恒定气体压力，如果内部压力过高，多余的沼气会转送到火炬进行燃烧，由气体流量计来监测沼气的总产量。厌氧消化之后的污泥分别通过Klampress®脱水机和Bucher®脱水机进行脱水。
▲ 图2 贝辛斯托克污水处理厂污泥与能源研发中心的ITHP中试装置
▲图3 污水厂布局图
研究人员每周在各个采样点进行三次采样，具体采样点与分析项目见表1。两级厌氧消化产生的沼气组分由气相色谱仪进行分析，污泥送至泰晤士水务公司实验室进行分析。
四种工艺的技术与能量流分析
（1）传统AD工艺
传统AD工艺的消化温度为37℃，水力停留时间为20~30天，挥发性固体去除率大约为40%，沼气产生量为350m3/TDS，脱水后污泥含固率为20%，之后可外运至农田利用。图4为传统AD工艺能量流桑基图。
▲ 图4 Energy Flows for Conventional AD with CHP and Land Recycling (1 kg DS/hour)
（2）传统THP+AD工艺
传统THP+AD工艺的沼气产量约为450 m3/TDS，挥发性固体去除率大约为60%，经过热电联产（CHP），产生的热量回用于热水解。消化后的污泥经过带式压滤机脱水，污泥含固率可进一步提升至32%。图5是传统THP+AD工艺的路线图。
▲ 图5 Simplified Process Flow Diagram for Conventional THP
传统THP工艺需要大约12bar的压力，工艺能耗大约为0.51~0.53MWh/TDS，但缺点是热电联产产生的热量不足以满足THP工艺对热源的需求。图6是传统THP+AD工艺的能量流桑基图。
▲ 图6 Energy Flows for Option A (THP AD with CHP and Land Recycling (1 kg DS/hour)) electricity input is not shown.
（3）SAS-only-THP
SAS-only-THP工艺是只对剩余活性污泥进行热水解，初沉污泥浓缩后直接送入厌氧消化罐。该工艺优点是热水解罐体积较小，所需蒸汽较少，但同时，厌氧消化的效果必然打折。除此之外，为确保杀灭病原体所需的停留时间，厌氧消化罐的结构会略微复杂，甚至需要在厌氧消化罐之后设置一系列小型消化罐，确保实现对污泥的灭菌效果。图7为该工艺的路线图。
▲ 图7 Simplified Process Flow Diagram for SAS only THP
该工艺的产气量大约为421m3/TDS，可挥发性固体去除率约为54%。污泥经带式脱水之后的含固率可达28%。能量流桑基图见图8。
▲ 图8 Energy Flows for SAS-only THP AD and Land Recycling (1 kg DS/hour) electricity input is not shown.
（4）初级AD+ITHP+二级AD工艺
因为污泥经过初级消化后体量减小，所以该工艺占地只有常规工艺的2/3，并且由于是两级厌氧消化，因而沼气产量更大，沼气总产量可达500m3/TDS，可挥发性固体去除率可达65%，电能产率为1200kWh/TDS。产能增加意味着通过热电联产工艺产生的热能将有可能满足热水解工艺本身的热量需求。图9为ITHP工艺路线图，图10为能量流桑基图。
▲ 图9 Simplified Process Flow Diagramfor ITHP
▲ 图10 Energy Flows for I-THP AD andLand Recycling (1 kg DS/hour) electricity input is not shown.
采用CapEX模型和OpEx模型，对ITHP工艺的资本性输出和运营成本进行分析比对。ITHP+两级AD、传统THP+AD、SAS-only-THP都优于传统AD工艺。相较于传统AD工艺，ITHP+两级AD工艺的沼气产量增加10%，净收益可达17%。
ITHP工艺的投资回收期最短，只需不到6年。传统THP工艺和SAS-only-THP工艺的内部收益率相同，但由于SAS-only-THP的工艺成本略低，所以其净现值相对优于传统THP工艺。如果厌氧消化的能力充裕，SAS-only-THP和ITHP工艺的资金回报还能进一步提高。
热水解是目前应用最广泛的厌氧消化预处理工艺，但由于高耗能等限制因素，导致其并没有被普遍接受。改进型热水解工艺是目前研究的热点之一。本研究中提到的嵌入式热水解工艺（ITHP）、只针对剩余活性污泥进行热水解的工艺（SAS-only-THP）等都属于改进型热水解工艺。ITHP工艺和SAS-only-THP工艺是通过对系统结构的调整和工艺路线的重置对传统THP工艺进行的改良与优化。
ITHP工艺可以显著提高沼气产量、降低能耗，但ITHP工艺需要嵌入在两级厌氧消化工艺之间，所以其投资成本相对略大。贝辛斯托克污水处理厂的研究表明，ITHP+两级厌氧消化工艺的沼气总产量大约为505+-81 m3/TDS，可挥发性有机物去除率为64+ -9%。经过Bucher®脱水之后，污泥含固率可达44%，都显著高于传统THP工艺+厌氧消化工艺。泰晤士水务集团目前拥有9座THP工艺的污泥处理中心，未来有可能逐渐被ITHP工艺接替。
SAS-only-THP工艺的投资成本低于传统THP和ITHP工艺，但沼气产量也有所降低。如果由于现有设施厌氧消化能力或者资金方面存在限制，SAS-only-THP工艺也是一个相对合适的工艺选择。
参考资料
E. Rus, N. Mills, A. Shana, A. Perrault, P. Fountain, R. B. Thorpe, S. Ouki, P. J. Nilsen,The intermediate thermal hydrolysis process: Results from pilot testing and techno-economic assessment, Water Practice & Technology. Vol 12, NO 2, 406-422, DOI:10.2166/wpt.2017.031