國產污泥熱水解裝置設備優化改造研究

朱 文

（湖南軍信環保股份有限公司，長沙 410000）

長沙市污水處理廠污泥集中處置工程采用“熱水解+高溫厭氧消化+深度脫水+熱干化”污泥處理工藝。其中，熱水解作為一種新興的污泥厭氧消化預處理技術，通過高溫破壁反應，可有效破壞污泥中微生物細胞結構，釋放其中的有機物及水分，尤其針對我國南方城市市政污泥普遍存在的含砂量高、有機質低的問題，該工藝可大大提高后端厭氧消化及污泥脫水性能[1]。目前，國外及國內污泥項目熱水解系統大部分采用挪威CAMBI公司技術，熱水解技術原理一般分三個階段：漿化階段-熱水解階段-釋壓階段，利用釋壓階段尾氣提供漿化罐預熱，熱水解罐污泥進入釋壓罐進行閃蒸釋壓。

本項目熱水解成套裝置作為國內首套自行研究開發的工藝與設備，通過吸收、消化國外技術并進行技術創新，實現了工藝核心裝置的本土化。其中，漿化階段由釋壓階段尾氣通過蒸汽支管對漿化罐污泥加熱，熱水解階段和釋壓階段集中于1個罐體內分不同時段進行，罐體尾氣依靠上部釋壓閥排放至漿化機蒸汽支管進行污泥漿化處理。釋壓尾氣中夾帶部分泥漿，易造成分布的釋壓蒸汽支管堵塞，而清堵費時費力，影響生產的連續性。同時，因釋壓不完全，排泥存有余壓造成排泥溫度高，排泥螺桿泵傳動部件頻繁磨損（見圖1），影響生產的連續性并導致操作維護不便。

圖1 排泥泵損壞照片

1 設備優化

1.1 熱水解釋壓管線系統的優化

圖2 氣液分離裝置工藝

國產熱水解反應罐的排泥壓力設計為常壓，設計溫度為100℃。實際運行高溫模式時，檢測的排泥溫度一般在110～140℃，嚴重超出排泥螺桿泵的額定工作溫度。由于國產熱水解系統缺少污泥閃蒸步驟，熱水解釋壓靠上部釋壓閥直接釋壓至漿化罐，而釋壓閥在釋壓時帶出大量的泥漿，釋壓蒸汽支管極易堵塞。一旦釋壓支管堵塞，在規定的時間內，熱水解反應罐就不能達到完全釋壓，釋壓后的余壓越高則排泥溫度也越高。

要降低熱水解排泥溫度，保證熱水解反應罐釋壓完全，人們需要優化釋壓管線的兩個環節。一是為釋壓蒸汽增加氣液分離功能，提純蒸汽，同時起到緩沖、閃蒸作用。二是改進分布的釋壓蒸汽支管連接，方便釋壓蒸汽支管在堵塞時快速進行疏通維護。

長沙市污水處理廠熱水解系統的反應罐有2組，每組由8個罐體組成，6用2備。利用其中的一個備用罐，將其改為釋壓蒸汽管線中的氣液分離器，分離釋壓蒸汽中的泥漿，有效減少漿化釋壓蒸汽支管的堵塞，同時為釋壓蒸汽提供緩沖，并增強熱水解反應罐的閃蒸作用，讓釋壓更完全。分離的泥漿在液位達到設定高度（與罐體原進泥要求高度相同）時，由原熱水解排泥泵排出。優化的工藝簡圖如圖2所示。

為方便漿化機釋壓蒸汽支管的疏通，減少清理及拆裝時間，將原設計的直連硬管改為高溫高壓橡膠蒸汽膠管連接，增加前后截止閥及止回閥，使其更便于拆裝清洗，并通過球閥調節來適當改變總釋壓管道的流通面積，使之適應生產需要，并實現實時在線維護。

1.2 熱水解排泥系統的優化

通過以上的改進，熱水解反應罐的污泥排出溫度基本控制在100～110℃。在此溫度下，用于輸送高溫污泥的螺桿泵工作環境得到了有效改進，但仍不能滿足其長期穩定運行要求。為此，人們可以從冷卻污泥工藝入手，將后段在儲泥池加入的稀釋水前移到熱水解排泥泵的進口，直接對高溫污泥進行加水稀釋冷卻。加水量計算如下。

熱水解反應罐泥位：設計值為1.8 m，不宜超過2.0 m，最大不超過2.2 m。也就是說，每個熱水解罐內的最大污泥體積：0.8×0.8×3.14×2.2=4.4 m3。

假設將120℃的污泥加入稀釋水，降溫至90℃，所需的用水量計算如下：

污泥從120℃下降至90℃，污泥量按2 m的液位計算：0.8×0.8×3.14×2=4 m3/次，每小時的流量為4×4=16 m3/h。

假定稀釋冷卻水溫度為20℃，計算稀釋冷卻水的使用量。

Q120℃=8.077×107kJ；Q90℃=6.028×107kJ；Q放=Q120℃-Q90℃=2.049×107kJ。

污泥從120℃下降至90℃，每小時放熱被稀釋水吸收，所需的水量為：

Q放=Q吸=2.049×107kJ=4.2×m×70℃

則m=6 967.76 kg=7 m3/h。

高溫模式運行15 min所需水量：7/4=1.75 m3；

排泥泵每小時的排泥量：4.4×4+7=24.6 m3/h；

重新選型的新型繞性桿螺桿泵確定流量為：Q=30 m3/h。

為保護螺桿泵，延長其定子的使用壽命，進一步對原設計的沉石罐進行改進，設計出了如圖3所示的帶有冷卻、緩沖罐效果的沉石罐。

圖3的冷卻水管安裝流量計、氣動閥，通過泵的啟停聯動控制氣動閥，對高溫污泥進行加水冷卻，冷卻水量根據冷卻后的污泥溫度及含固率要求，進行調節。改進后的排泥溫度控制在80～90℃，可減少后續的熱交換系統的使用，節約大量的電能。

圖3 熱水解排泥系統加水冷卻示意圖

積極與設備生產廠商聯系，為避免發生異常高溫損壞螺桿泵的橡膠密封元件，新泵選型時盡量減少橡膠零件，經過試用最終選用新型繞性桿螺桿泵來輸送高溫熱水解污泥，其輸送壓力0.6 MPa，輸送流量Q=30 m3/h，定子橡膠最高耐溫130℃。

2 效果分析

本項目熱水解系統的設備改進優化后，實現了較好的效果：漿化機蒸汽分布支管污泥堵塞情況大大降低，并實現了在線疏通管道功能；熱水解反應罐釋壓更加完全，系統運行更平穩；排泥螺桿泵運行溫度下降至90℃左右，其維修頻率大幅下降，實現了長周期穩定運行；將后端稀釋水移到排泥泵進口，對熱水解高溫污泥進行直接冷卻，極大地改善了熱水解高溫運轉設備的工作環境，并為熱水解換熱系統節約了大量電能。

3 結語

通過對國產熱水解工藝系統及設備的優化，系統運行中存在的罐體釋壓、釋壓支管堵塞及排泥溫度高等缺陷得到了較好的消除，高溫排泥螺桿泵易損壞的故障得到根治，熱水解系統運行更加穩定。運行結果表明，該系統達到了國外同類裝置的運行效果，為污泥處理核心裝備的國產集成化提供了良好的借鑒。