淺議某70%含水率市政污泥儲運系統(tǒng)設(shè)計思路及要點

沙永濤，李博，張潔欣，吳韻雯，蔣慧，梁家輝

（上海市機電設(shè)計研究院有限公司，上海 200233）

目前國內(nèi)的污泥產(chǎn)生單位，一般都做到了將自產(chǎn)污泥進行脫水處理，再進一步外運處置；對污泥處置單位來說，脫水污泥的接收、儲運成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。脫水污泥含水率80%居多，此狀態(tài)污泥一般呈現(xiàn)粥狀，尚具有一定（較差）的流動性；某項目市政污泥設(shè)計處置規(guī)模100t/d，含水率70%左右，呈現(xiàn)柔軟狀，基本沒有流動性，見表1。張曉斌采用平行板旋轉(zhuǎn)流變儀對污泥流變特性進行試驗研究，研究指出，表觀黏性與輸送的穩(wěn)定性密切相關(guān)，市政污泥含水率在60.12%～67.41%時，表觀黏度較大，不適合長距輸送；而含水率處于72.67%～87.4%時，表觀黏度較小，適合長距輸送。當然，具體項目的污泥具有各自的特性，與溫度、活性成分等因素有關(guān)；本項目的污泥含水率正好處于70%左右，具有一定的特殊性。這對儲存、輸送的可靠性提出了較高要求，本文主要針對此特性在工藝上進行了針對性設(shè)計。

表1 各種含水率污泥的物理狀態(tài)和流動性

1 濕污泥倉的設(shè)計要點

為了保證泵送系統(tǒng)進料穩(wěn)定，結(jié)合運營單位的運行班制，設(shè)置污泥接收倉和污泥儲存?zhèn)}兩級儲存系統(tǒng)，污泥接收倉有效容積不低于4h污泥處置量，實行兩班制，連續(xù)運行小時數(shù)不大于16h；污泥儲存?zhèn)}則24h連續(xù)運行，有效容積取值則按照CJJ131-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)規(guī)程》，“不小于干化系統(tǒng)3d生產(chǎn)能力的濕污泥儲存場地”。

濕污泥接收倉容積較小，外形尺寸主要考慮便于運輸車輛自卸傾倒和設(shè)備立面布置。由于濕污泥的黏性，儲倉下部設(shè)計成錐形很容易搭橋、起拱而堵塞，因此一般避免錐形而選擇平底；由于儲存?zhèn)}的容積比較大，相對來說出泥量又比較小，圓形截面和矩形截面差別不大，出于場地布置、制造成本的考慮選擇矩形截面，因此儲存?zhèn)}總體上是一個長方體；70%含水率污泥黏性相比80%濕污泥顯著增加，濕污泥儲存?zhèn)}3d的儲量意味著污泥在儲存?zhèn)}里至少要留存3d，污泥在較長時間的緩慢下行過程中，上方污泥的重量越來越大，不斷被壓實，又由于70%含水率的污泥黏性較強，很有可能導致結(jié)塊或搭橋，因此在確定濕污泥儲存?zhèn)}的外形時，應(yīng)盡量選取比較小的高度；而較大的橫截面和平底結(jié)構(gòu)則要求設(shè)置液壓滑架破拱裝置。限于條件，滑架破拱裝置的安裝寬度一般為3.5m以內(nèi)，不超過4m，因此一般儲倉寬度一般取3.5m左右。此外，為了保證儲存?zhèn)}的順利出料，考慮設(shè)置潤滑系統(tǒng)備用，潤滑劑可以采用高壓噴水。考慮充滿系數(shù)，本項目污泥接收倉的實際外形尺寸為：L×B×H=4500mm×3500mm×3450mm，V=54m3，V有效=40m3；儲存?zhèn)}的實際外形尺寸為：L×B×H=14000mm×3800mm×7000mm，V=372m3，V有效=300m3。

采用光滑的不銹鋼，在防腐蝕的同時可以減少污泥和壁面的粘附，但成本較高；由于儲存?zhèn)}的容積相對于出泥量大很多，不銹鋼壁面的優(yōu)勢并不明顯，因此本項目材質(zhì)采用碳鋼加防腐涂層的形式。

儲存?zhèn)}進料口位置的選取。目前污泥的泵送流程中，輸泥管道通常接到儲存?zhèn)}的頂部，污泥再從頂部落入倉內(nèi)，蘇志升認為“該泵送工藝導致泵送系統(tǒng)長期處于高揚程的反向負載狀態(tài)”，經(jīng)過分析認為倉體高度的1/3作為輸送管道接入口的相對標高比較合適，能減少不必要的泵送高度及能量消耗，同時有效降低從高處落料引起的動載荷，有利于儲倉的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。從這方面考慮，在儲存?zhèn)}倉體的強度計算時，也應(yīng)考慮到動載荷對計算厚度的影響。

2 濕污泥泵送設(shè)備的選擇

目前污泥輸送方式，主要有皮帶輸送、刮板輸送、螺旋輸送和泵送等幾種方式。皮帶輸送和刮板輸送屬于傳統(tǒng)的無壓、開放式輸送方式，更適用于半干化、干化污泥等含固量較高的污泥，且布置多受到現(xiàn)場條件限制，輸送過程中也容易外濺，對揮發(fā)性惡臭氣體很難收集處理。無軸螺旋輸送適用于有一定粘性的物料，輸送70%含水率污泥尚有待考證，而且布置也易受現(xiàn)場條件限制。污泥泵送設(shè)備目前主要有柱塞泵和螺桿泵兩種，泵送屬于帶壓輸送，特別適合黏性高、含固率高的污泥，由于采用密閉管道輸送，惡臭氣體便于收集處理，而且現(xiàn)場布置靈活，便于轉(zhuǎn)向和提升，便于設(shè)備銜接，屬于高效的輸送方式。

70%含水率的濕污泥，由于基本沒有流動性，有的項目甚至采用皮帶、刮板這些主要用于干污泥輸送的方式，但如上所述，不可避免形成二次污染，且布置不靈活，相比來說，有壓的、封閉的泵送具有明顯優(yōu)勢。理論上螺桿泵和柱塞泵都可以實現(xiàn)此功能要求。柱塞泵流量范圍和輸送距離往往要比柱塞泵小，且容易磨損，轉(zhuǎn)子定子更換周期通常為0.5～2年，但配套系統(tǒng)比較簡單，投資也省。兩者均廣泛用于80%含水率濕污泥的管道運輸，但螺桿泵用于泵送70%濕污泥的工程項目并不多見。

朱敏經(jīng)過研究指出，“螺桿泵輸送污泥的含水率不宜小于76%，否則需要適當投加潤滑劑”。蔣家安分別用螺桿泵和柱塞泵對60%含水率污泥進行了泵送試驗，結(jié)果表明，螺桿泵由于污泥經(jīng)常架橋而導致輸送不穩(wěn)定，而柱塞泵則具有可行性。鑒于此，為了保證系統(tǒng)可靠，接收倉與儲存?zhèn)}之間、儲存?zhèn)}與干化機之間均采用柱塞泵。

需要補充的是，由于污泥的黏性和高含固率，或多或少會出現(xiàn)結(jié)塊或架橋的現(xiàn)象，其結(jié)果是進入柱塞泵的污泥會混入較多的空氣，吸入效率會比較低。為了提高柱塞泵的吸入效率，儲存?zhèn)}下部需要配套安裝正壓給料螺旋，對進泵污泥進行一定程度地預(yù)壓，保證污泥盡可能充滿進料腔，蘇志升建議，在正壓給料螺旋出料口與泵體的進料腔之間安裝壓力傳感器，對預(yù)壓壓力值進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，根據(jù)經(jīng)驗，通過調(diào)節(jié)正壓給料螺旋的工作轉(zhuǎn)速將壓力值維持在20～30kPa范圍內(nèi)可以取得較好的效果。

為了給柱塞泵工作提供良好的條件，保證其穩(wěn)定的吸入效率，因此有必要將污泥倉分為接收倉和儲存?zhèn)}。接收倉容積較小，而污泥儲量波動比較大，可以滿足各種運行班制；而儲存?zhèn)}則容積大得多，高度相對較高，且應(yīng)保證料位相對穩(wěn)定，給予柱塞泵入口一個相對穩(wěn)定的重力預(yù)壓，有利于給料螺旋和柱塞泵的穩(wěn)定運行。

目前工程項目中廣泛應(yīng)用的柱塞泵有單缸柱塞泵和S擺柱塞泵：單缸柱塞泵更適合于污泥含水率低（60%左右）、且黏性較大的污泥；S擺柱塞泵則更適合于黏性較小、含水率70%以上的污泥。兩者在原理上的區(qū)別在于單缸柱塞泵是在“推”污泥，而S擺柱塞泵是在“吸”污泥，單缸柱塞泵推力較大，但處理量相對較小。同樣的70%含水率的濕污泥，要具體分析其性狀才能決定具體選哪一種。本項目選定S擺柱塞泵。S擺柱塞泵料缸直徑大，便于含水量低、粘度大的黏性污泥吸入；出口壓力大，可以實現(xiàn)遠距離輸送；泵送量可以根據(jù)要求無級調(diào)節(jié)；獨特的料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其內(nèi)部物料易于被料缸吸入，提高了污泥的吸入效率，并在兩側(cè)設(shè)有檢修門，便于快速更換、維修。

為保證柱塞泵的長期穩(wěn)定運行，一是要加強其耐磨性設(shè)計，包括輸送料缸鍍鉻，入口加裝合理規(guī)格的濾網(wǎng)或過濾器，減少大顆粒異物進入等措施；二是加強潤滑，安裝潤滑油泵，減少密封件之間的摩擦。

柱塞泵的排量至少應(yīng)高于設(shè)計處置量10%以上，但根據(jù)運行經(jīng)驗，輸送設(shè)備的設(shè)計輸送能力，一般為2～3倍的污泥設(shè)計處置量，方可滿足高含固率和黏性的波動，以及設(shè)備備用、負荷擴大的需要，本項目柱塞泵的輸送能力按10m3/h選型。

3 濕污泥的管道輸送

目前國內(nèi)設(shè)計規(guī)范里并沒有管道輸送污泥的推薦流速，可以參考的是《給水排水設(shè)計手冊》（城鎮(zhèn)排水）表9-6泥餅通過DN150管道的水頭損失中采用的流速為0.06m/s；國內(nèi)幾個污泥處置工程設(shè)計流速見表2。

表2 國內(nèi)污泥處置項目的設(shè)計平均流速對比

柱塞泵的出料壓力可以反映出系統(tǒng)的阻力特性，根據(jù)竹園污泥處理廠的運行經(jīng)驗，實際運行中的污泥黏度超出設(shè)計范圍時，輸送管道沿程阻力增加，導致柱塞泵出料壓力不斷增加，經(jīng)常由于壓力超標而導致柱塞泵跳機，另外也會發(fā)生由于管徑不夠大、異物進入后管道堵塞的情況；設(shè)計時應(yīng)充分考慮裕量，結(jié)合本項目實際情況，設(shè)計輸送量4.2t/h，管道規(guī)格選DN150，設(shè)計平均流速0.06m/s；需要指出的是，管徑片面取大，除了增加投資外，還會導致物料流量不穩(wěn)，影響輸送系統(tǒng)的正常工作。

需要指出的是，流速的選擇，除了考慮水頭損失的大小，還應(yīng)考慮含水率、含砂量等影響因素引起的磨損，含水率低、含砂量高時，流速應(yīng)該適當選取低值；在強度計算確定管壁厚度時，也應(yīng)留有足夠的壁厚裕量。

管道材質(zhì)一般選用無縫鋼管、塑料管等，本項目擬采用襯塑鋼管，既有足夠的耐壓強度，又可防腐蝕，而且能降低水頭損失；管道之間采用法蘭連接，便于沖洗和堵塞處理。

《給水排水設(shè)計手冊》（城鎮(zhèn)排水）表9-6同時給出了70%～80%的真空過濾脫水污泥，其通過DN150管道的水頭損失為0.68～1.13m/m；本項目按照上限1.13m/m進行柱塞泵的工作壓力估算。

作為對比的是，深圳某污水處理廠的泵送管道，設(shè)計輸送量18m3/h，采用DN200規(guī)格無縫鋼管輸送，污泥含水率75%～80%，平均流速達到0.16m/s，水頭損失值為2.5m/m，水頭損失偏大；可見0.06m/s的流速是一個比較經(jīng)濟合理的流速。

在具體管路布置上，應(yīng)盡量選擇簡短平直的管路，減少彎頭的使用，彎頭則盡量選擇45°彎頭；根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006,2016版）中第7.5.4條要求，“污泥輸送彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)小于5倍管徑，以降低泵送阻力及泵送換向造成的沖擊震動”；在彎管處和管道低點應(yīng)設(shè)置沖洗放空閥，便于管道放空沖洗及堵塞處理。

本文針對具體的70%含水率的濕污泥儲運系統(tǒng)，提出了工藝設(shè)計的思路和設(shè)計要點，具體來講包括：（1）采用大截面、低高度的長方體儲倉設(shè)計，并配套采取多種防堵塞措施；（2）泵送設(shè)備排除螺桿泵而選取柱塞泵；（3）管道采用襯塑鋼管，流速選取0.06m/s。希望能對污泥處置的工程設(shè)計提供一定的參考價值。