大型污泥干化焚燒廠除臭工程技術與設計要點

何 進

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

污泥是污水處理過程必然產生的副產物,聚集了大量的污染物,同時也蘊含著豐富的資源。隨著我國城鎮化的推進和污水處理設施的完善,我國污水污泥產生量已突破6 000萬m3/a(以含水率為80%計)。根據調研,目前國內超過半數的污泥處理處置仍以衛生填埋為主,該方式不僅消耗大量的土地資源,還會對環境造成二次污染。污泥干化焚燒具有快捷、集中、占地小、污泥減量化、穩定化、無害化等特點,特別適用于土地資源寶貴、經濟發展水平較高的城市。上海中心城區已經建設完成3座污泥焚燒廠;南京、成都、香港等地均已建設污泥焚燒處置中心;廣州、深圳等地也在規劃之中,預計國內以干化焚燒處置污泥的比例將會越來越高。

污水處理廠處理污水和污泥過程中會釋放惡臭污染物到周圍空氣中形成惡臭氣體,而其中污泥處理車間是除臭的重點區域,其產生的惡臭氣體具有惡臭污染物組成復雜、氣體濃度變化大等特點。白龍港污水廠周邊居民區較多,之前也因為臭氣問題遭到居民投訴,加之上海對于大氣環境控制標準的日益嚴苛,本次污泥干化焚燒項目的除臭設計乃重中之重。

污泥處理設施除臭設計會存在關鍵臭氣散發源分析不足、隔斷不到位、惡臭氣體收集效率低等問題。本文旨在對污泥儲存運輸、離心脫水、流化床干化、流化床焚燒設備的臭氣源全面分析,通過可靠的物理隔斷、送風和吸風對側布置的除臭管路設計、離子發生器分散布置、四級組合式除臭工藝等設計理念,克服以上問題,為同類污泥干化焚燒項目的除臭設計、建設和運行提供借鑒經驗。

1 工程概況

上海市白龍港污水處理廠污泥干化焚燒工程位于白龍港污水處理廠北側的污泥處理處置預留用地,建設規模為486 t DS/d (2 430 t/d,含水率為80%),包括白龍港污水處理廠448 t DS/d的污泥量和虹橋污水處理廠38 t DS/d的污泥量[1]。工程于2018年3月動工,2020年底完成調試運行。

白龍港污泥干化焚燒廠建成后,為亞洲最大的污泥獨立干化焚燒項目,工程分為2個地塊,共設置6條污泥干化焚燒生產線。污泥處理處置總體工藝方案采用“現狀設施利用+脫水+干化焚燒”,工藝流程如圖1所示。

圖1 白龍港污泥干化焚燒工程工藝

廠內污泥經現狀濃縮和部分經厭氧消化處理后,進入儲泥池。污泥濃縮脫水設施采用離心脫水;污泥干化工藝選用流化床干化;污泥焚燒工藝采用鼓泡流化床污泥焚燒爐;焚燒煙氣處理達標后排放。本工程接收的外來虹橋污水處理廠污泥含水率為30%,進廠前污泥處理采用“機械濃縮+板框低溫真空脫水干化”工藝。本工程設置01和02地塊,2個地塊采用的污泥處理工藝完全相同,主要區別體現在設備處理能力上。01和02地塊污泥脫水車間分別設置7臺和10臺離心脫水機,單臺能力相同;污泥干化焚燒車間分別設置2條和4條干化焚燒生產線,單線能力相同;全廠外來脫水污泥接收設置于02地塊污泥接收車間。本次除臭工程為該工程的配套系統。

2 除臭標準及設計思路

2.1 臭氣排放標準

該工程臭氣排放標準同時滿足上海市地方標準《城鎮污水處理廠大氣污染物排放標準》(DB 31/982—2016)、《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025—2016)和國標《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)。其中,《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025—2016)為上海市目前最嚴格的惡臭污染物排放標準,也是國內較為嚴格的標準之一[2],包括了污水處理廠常規的幾種主要惡臭污染物在內的共22種污染物指標,相較于國內外現行標準,在指標數量和限值上提出更高的要求[3]。本項目常規的幾種惡臭污染物排氣筒執行的排放標準如表1所示。

表1 排氣筒惡臭污染排放控制限值

本項目常規的幾種惡臭污染物廠界監控點執行的標準如表2所示。

表2 廠界監控點惡臭污染物標準值

2.2 臭氣源分析

該項目的工藝全流程包括原生稀污泥儲存、污泥離心脫水、脫水污泥流化床干化、干污泥焚燒和煙氣處理,此外還有外來脫水污泥和干污泥接收系統。污泥干化焚燒工程涉及的工藝單元較多,污泥在進入焚燒爐燃燒之前,均存在臭氣散發源,包括儲泥池、污泥離心脫水機及其附屬設備、污泥中間緩存料倉、污泥流化床干化機及其附屬設備,干污泥輸送設備、焚燒爐進料倉等。除了污泥本身,污泥干化系統產生的不凝載氣也是容易散發臭氣的源頭,其中包括載氣換熱器和載氣循環風機。本工程需除臭的建(構)筑物及主要臭氣源如表3所示。

表3 主要區域臭氣源分析

2.3 臭氣源強

該項目設計污泥脫水、接收、干化系統的臭氣源強參考上海市某污泥處理工程,參考工程污泥處理采用離心脫水+干化焚燒,干化段同為熱干化工藝,同時接收外來脫水污泥,工藝上與本工程較為類似。現場實際測試中各區域惡臭污染物和臭氣濃度如表4所示。

表4 上海某污泥處理工程各區域臭氣污染物濃度

同時,參考《城鎮污水處理廠臭氣處理技術規程》(CJJ/T 243—2016)中臭氣污染物濃度,確定本工程最終污泥處理區域臭氣污染物濃度參考值:硫化氫質量濃度為5～30 mg/m3;氨質量濃度為1～10 mg/m3;臭氣濃度(無量綱)為5 000～10 000。

2.4 除臭設計要點及思路

鑒于本項目較為嚴格的臭氣控制標準、較為分散和復雜的臭氣散發源,本工程總體的除臭設計要點及思路如下。

(1)加強臭氣散發源的密閉,如儲泥池、污水池設置土建蓋板加蓋,干化載氣風機、載氣換熱器單獨布置于獨立的小房間內,污泥接收車間設置雙重隔斷等措施。

(2)以各污泥處理車間作為獨立除臭單元,通過加強除臭吸風量以及設置離子風幕門,保證車間大空間微負壓狀態。

(3)通過送離子新風,一方面即時凈化車間空氣,另一方面以送風和排風形成對流的形式有效收集臭氣。

(4)重點的污泥接收車間以及干化區域鋼平臺下部輔以植物液噴淋裝置,加強除臭效果。

(5)干化車間物流大門設置離子風幕機,形成風幕隔斷,進一步控制車間臭氣外溢。

(6)末端除臭采用“生物濾池+化學洗滌+活性炭吸附”多級工藝,確保惡臭污染物排放濃度滿足標準要求,并設置旁路系統,靈活運行。

(7)臭氣產生較為嚴重的設備單獨接入除臭風管,包括脫水污泥料倉、半干污泥料倉、離心脫水機等,并在抽風管上增設管道風機,保證臭氣的抽取壓力。

本工程除臭設計與國外案例相比,首先除臭標準上,上海地標《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025—2016)已經達到國際水平[2],涵蓋了22種臭氣污染物指標,提高了臭氣處理的可控性。其次,不同于國外采用單級生物法或者化學除臭,本工程采用先進多級組合式除臭工藝,確保了對不同臭氣污染物、外界寒冷氣溫條件、某級除臭設備檢修工況下排放濃度都能夠達標。

3 除臭工程設計

3.1 除臭風量計算

除臭風量的計算參照《城鎮污水處理廠臭氣處理技術規程》(CJJ/T 243—2016)中規定的計算公式。儲泥池區域按單位水面面積臭氣風量指標[3 m3/(m2·h)]計算,并增加2次/h水面上空間換氣量。為保證車間微負壓環境,離子新風系統送風量應略低于除臭排風量[4],因此,大空間離子送風換氣量取10次/h,大空間除臭排風換氣量取12 次/h。具體風量計算結果如表5所示。

表5 除臭風量計算結果

3.2 除臭設備

3.2.1 工藝流程選取

污泥脫水、干化車間前端通過送離子新風,產生的負氧離子能在極短的時間內氧化分解除臭空間內的甲硫醇、氨、硫化氫等污染因子,即時凈化車間空氣[5],經過初步降解處理的臭氣再送入末端組合式除臭設備。

“生物除臭+化學洗滌”的組合式工藝在市政污水、污泥處理廠中應用廣泛[6-7],并且技術成熟。生物濾池利用微生物的新陳代謝活動將惡臭物質分解轉化為無臭或少臭物質,具有適應各種類臭氣、可處理氣量大、運行成本較低的優勢;而化學洗滌利用呈堿性的苛性鈉和次氯酸鈉溶液,去除污泥工程臭氣中常見的硫化氫等酸性物質以及甲硫醇、胺類、酚類等有機臭氣物質,具有去除效率高、適應高濃度臭氣、針對性強的優勢。為了確保處理后的臭氣各項指標滿足《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025—2016)的要求,在末端增加一級活性炭吸附除臭裝置,作為兜底和應急處理措施。

收集的臭氣首先進入生物除臭單元,在這里生長著大量的除臭微生物。除臭微生物以臭氣成分為食物,通過新陳代謝作用,把臭氣成分分解掉,從而使排出的氣體基本不臭。除臭微生物產生的代謝產物,通過排水帶出系統。在此階段可以去除大部分硫化氫及其他易生物分解的臭氣成分。

生物段后續設置有化學洗滌單元,為了確保處理效果,設置2種藥劑:氫氧化鈉和次氯酸鈉。當進氣濃度較高時候,可以通過開啟化學洗滌系統的加藥裝置,進一步提升除臭效率。同時為了確保最終排風口穩定的除臭效果,在化學洗滌除臭之后設置活性炭系統一套,主要起保障作用。當外部條件不利時,可開啟活性炭除臭裝置,確保組合式除臭設備出口完全達到設計標準。本工程除臭工藝流程如圖2所示。

圖2 除臭工藝

考慮到臭氣源強較高,而排放標準嚴格,本工程組合式除臭設備共有2種運行工況,一種是生物除臭+化學洗滌,另一種是生物除臭+化學洗滌+活性炭除臭。活性炭除臭裝置的開啟與否,根據2個參數來判斷:①生物除臭設備總進口的硫化氫質量濃度超過過去24 h的2倍以上,或者大于288 mg/m3,此時對應臭氣濃度約為30 000;②化學洗滌設備出口的硫化氫質量濃度大于4.33 mg/m3,排氣筒出口排放要求不高于5 mg/m3。

3.2.2 設備設計參數

組合式除臭設備的風機位置設在化學除臭設備之后,每套除臭設備配備風機數量不少于2臺。

根據《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)規定的相關參數:生物除臭填料區停留時間不小于15 s,洗滌塔停留時間可取1～3 s,活性炭停留時間宜為2～5 s。適當延長臭氣在除臭設備內部的停留時間可以提高除臭效果,本工程除臭設備空塔流速(即臭氣經生物除臭設備的平均流速)≤400 m/h,臭氣在生物除臭設備內的空床停留時間不小于30 s;在化學洗滌塔填料區停留時間不小于5 s;在活性炭除臭設備中的空床停留時間不小于3 s。與本工程類似,為應對目前全國較為嚴格的上海市地方排放標準要求,如上海石洞口污泥處理工程[5]和上海某污泥干化廠[8]的除臭設計,均選取了與本工程較為一致的停留時間參數。

所有除臭設備排氣筒高度均高于廠區地坪標高15 m,并按照《固定源廢氣監測技術規范》(HJ/T 397—2007)的要求,設置取樣平臺和取樣口。

3.2.3 設備布置

該工程室外的組合式除臭設備布置面臨2個難題,第一為項目建設選址位于白龍港污水廠內,平面用地十分緊張;第二為除臭裝置的布置應滿足廠外雷達部隊的限高規定,其中01地塊限高為12 m,02地塊限高為22 m。

因此,部分除臭設備布置采用疊放的形式,主體為鋼結構形式。其中,下層為生物濾池以及化學洗滌加藥罐區,上層為化學洗滌塔、活性炭吸附裝置以及排氣筒,上層利用鋼平臺支撐,多套設備共用一套排氣筒,減少設備占地面積。同時,將部分除臭設備放置于室外儲泥池頂部以及污泥接收車間的屋頂上,以解決用地面積不足的問題。本工程采用的疊放形式的組合式除臭設備如圖3所示。

圖3 疊放形式的組合式除臭設備

3.2.4 除臭設備規格

該工程共設置41套離子送風除臭設備,具體參數規格和配置如表6所示。

表6 離子送風除臭設備

該工程共設置24套組合式除臭設備,具體參數規格和配置如表7所示。

表7 組合式除臭設備

3.3 除臭管路設計

3.3.1 室內管路設計

該工程所有管道均采用不銹鋼304材質,風管支吊架材質為鍍鋅碳鋼。管徑計算上,支管風速取4～10 m/s,干管風速取10 ～14 m/s。采用不銹鋼風管,除臭管路布置上采用同程布置原則,室內不銹鋼風管均架空敷設,下部凈空不低于3 m,廠區內除臭風管架空敷設,過路段下部凈空不低于5 m。

為了形成車間內微負壓狀態,同時保證合理的氣流組織方向,室內的除臭管路設計上采用送風和吸風對側布置方式,使得臭氣在車間內形成對流,避免短流。以干化車間為例,除臭干管水平布置于車間上部空間內,風管整體高度高于流化床干化系統,以避免對工藝系統產生影響。支管沿柱子和墻體豎向布置,除臭吸風口風速設計為2～4 m/s,離子送風采用多孔管,每個小孔的離子風出口風速設計為5～7 m/s。

01地塊污泥干化車間內共有3條干化生產線,干化線南側為臭氣散發較為嚴重、檢維修頻率較高的螺旋輸送機、污泥提升機、載氣冷凝器等設備,因此,除臭排風管布置于南側,沿車間柱子依次布置3根700 mm×600 mm立管,每根立管布置6個400 mm×400 mm方形吸風口。離子送風管布置于干化線北側,車間柱子依次布置3根700 mm×500 mm立管,每根立管布置95個DN70送風孔。氣流方向自北向南,由此形成對流,提高臭氣的收集率。該工程除臭管道布置如圖4所示。

圖4 脫水車間除臭管道布置

3.3.2 離子發生器布置

目前多數除臭項目中的離子發生器布置在前端,風機抽取室外空氣后緊接著離子發生器,空氣被電離產生高活性離子被送至臭源點,從而達到除臭的目的。上述傳統做法的問題是離子一次性產生,高活性離子會隨著管長的增加越來越少,到達風管末端后,離子含量可能達不到設定的范圍。本項目創新地采用離子發生器分散布置的方式,在各水平主管和豎向支管上均設置離子發生器,新鮮風經過離子發生器后途徑很短的距離即被送入待除臭空間,離子損失量很小,提高了整體的除臭效果。為保證離子發生器的性能,在規定的電壓和功率下,離子發生器(安裝5根離子管)出口地方離子濃度為20 000個/cm3。本項目的離子發生器及送風管如圖5所示。

圖5 離子發生器及送風管

3.3.3 建筑信息模型(BIM)碰撞檢測

污泥干化焚燒工程涉及的設備和管路眾多,除臭風管管徑較大,除臭管路設計上應避免和土建墻柱樓板、各專業設備、管路、電纜橋架等發生碰撞,從而提高施工效率。因此,本次設計利用Revit、CADPlant3D以及Naviswork等多個BIM軟件檢測管路設計合理性。具體做法:首先在涵蓋所有工藝設備及管線的污泥處理車間三維模型上附加除臭管路,然后利用Naviswork軟件功能自動進行碰撞檢測,發生碰撞后協調各專業進行調整解決,減少了不必要的施工返工情況。可以利用Naviswork軟件對除臭管路進行碰撞檢測過程。

4 調試運行效果

本工程01地塊除臭系統在2020年12月調試期間運行正常,各項指標在線監測數據均能達到設計除臭標準的控制要求,其中01地塊組合式除臭設備168 h考核監測數據如表8所示。

表8 組合式除臭設備監測數據

本工程02地塊除臭系統在2020年9月調試期間運行正常,各項指標在線監測數據均能達到設計除臭標準的控制要求,其中02地塊組合式除臭設備168 h考核監測數據如表9所示。

表9 組合式除臭設備監測數據

2020年12月,環境監測部門對廠界無組織廢氣排放進行多次監測,各項臭氣污染物指標均達標,具體監測數據如表10所示。

表10 廠界無組織廢氣監測數據

5 結語

本除臭工程為大型污泥干化焚燒項目的配套系統,臭氣控制標準需滿足《惡臭(異味)污染物排放標準》(DB 31/1025—2016)等,是國內較為嚴格的標準之一。

除臭設計思路上體現“有效密閉+高效臭氣收集率+重點區域針對除臭+強化末端臭氣處理”的理念。

除臭工藝選用“離子送風+生物濾池+化學洗滌+活性炭吸附”的四級組合式除臭工藝,同時在重點區域輔以植物液除臭,車間物流大門設置離子風幕,確保除臭效果。

除臭管路設計上,采用送風和吸風對側布置方式,使得氣體在車間內形成對流,從而完成高效的臭氣收集。同時采用不同于傳統的離子發生器布置方式提高送離子新風效率,BIM設計軟件的介入也解決了管路設計中的碰撞問題。

有效的臭氣密閉和收集以及多級臭氣處理工藝的選用,能夠滿足較為嚴格的臭氣排放控制標準,做到穩定達標。