某縣城脫水污泥處置廠工藝設計研究

鮑燕榮

安徽省城建設計研究總院股份有限公司

本文結合安徽省某縣污泥處置廠的工程設計案例，介紹了污泥處置的熱干化工藝，干化脫水后的污泥就近輸送至附件的垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒發(fā)電，對污水處理廠剩余污泥進行了無害化處置和資源化利用。

一、工程概況

污水處理廠是削減水體污染物、保護環(huán)境的重要環(huán)保設施。但如果脫水后產(chǎn)生的污水廠污泥得不到有效處理處置，則會引起環(huán)境的二次污染，降低污水處理廠的環(huán)境效益。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，某縣污泥產(chǎn)量逐年增加，需設置一座污泥處置廠，其中一期的污泥處理量150 噸/日（含水率80%），二期的新增污泥處理量150 噸/日（含水率80%），處理后污泥含水率低于40%，其余各項指標均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》（GBT 24602-2009）相關要求。

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

美國的生活污水廠剩余污泥的最終處置有如下方式：60%農(nóng)用、3%生態(tài)修復、17%填埋和20%焚燒，而土地利用、焚燒和堆肥是美國三大污泥處置技術。美國政府頒布的《40 CFR Part503》法案，提出了土地利用、焚燒、填埋的優(yōu)先順序，并針對焚燒提出了具體要求。

日本污泥處置主要以焚燒后建材利用為主，農(nóng)用與填埋為輔，污泥經(jīng)焚燒后產(chǎn)生的灰渣用于路基、建材、水泥原料等多個領域。目前，日本各類污泥焚燒設備有700 多種，污泥焚燒處置的比例超過70%，熔融量超過10%，堆肥達到11%，填埋量逐年減少。

歐洲發(fā)達國家以污泥焚燒后資源化利用和污泥土地利用為主，其中工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)以焚燒為主，農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)則以土地利用為主。比利時、德國、荷蘭、奧地利等國家基本以焚燒為主，丹麥、希臘、法國、芬蘭、英國等國家有超過30%以上的污泥采用焚燒處置。愛爾蘭、法國、意大利、葡萄牙、英國大部分污泥采用土地利用（農(nóng)用）。所有國家均很少采用污泥填埋。

綜上所述，從歐盟國家整體來看，污泥焚燒是主流技術之一，也是日本應用最多最廣的污泥處理處置技術，美國鼓勵的主流技術是污泥焚燒[1]。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

污泥是污水處理中的重難點問題。我國長期存在“重水輕泥”的問題，污泥處置的技術發(fā)展與污水處理技術相比，差距較大，且落后于發(fā)達國家較多。我國的污泥處置問題主要有以下幾個方面：

第一，我國的生活污水廠污泥產(chǎn)量大，污泥處理處置問題較為嚴峻。

第二，存在“工業(yè)廢水與生活污水同網(wǎng)”的現(xiàn)象，污水廠污泥泥質(zhì)復雜。

第三，污泥處置方面的環(huán)保投資不足，“重水輕泥”現(xiàn)象較為突出，“十三五”期間，我國新增的污泥處理處置設施投資金額僅約占污水處理投資費用的5%。

第四，污泥穩(wěn)定化處理未引起足夠重視，國內(nèi)絕大多數(shù)污水廠僅滿足污泥脫水要求，尚不滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中污泥穩(wěn)定化要求。

第五，缺乏與污泥處理配套的相應設計標準及適合我國國情的污泥焚燒的排放標準。

三、污泥處置廠設計

針對當前污泥處置面臨的問題，采用“干化+焚燒”工藝能較好地實現(xiàn)剩余污泥的減量化、資源化、無害化和穩(wěn)定化處置，因此，在某縣的污泥處置方面，引入了“干化+焚燒”工藝，現(xiàn)對該工程設計方案介紹如下。

（一）工藝方案分析

第一，污泥性質(zhì)分析。針對生活污水處理廠剩余污泥，首先由環(huán)境保護監(jiān)測單位對污泥泥質(zhì)進行了檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，污泥重金屬含量較少，低于國家現(xiàn)行排放標準，有機質(zhì)含量較高，污泥熱值較高，具有焚燒的良好性質(zhì)，其余指標均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（如表1 所示）。

表1 某縣污水處理廠污泥成分表

污泥焚燒速度快，處置率高，經(jīng)與當?shù)刂鞴軉挝粶贤ǎh城建有垃圾焚燒發(fā)電廠一座，運行良好，有較多焚燒余量，可將污泥處置的干化廠建設在垃圾焚燒發(fā)電廠附近，利用電廠余熱作為污泥干化處置廠的熱源，干化后污泥就近投入垃圾焚燒爐焚燒發(fā)電，可實現(xiàn)兩個項目的聯(lián)合運行，具有巨大的聯(lián)動效益。

第二，污泥工藝流程。縣城各污水處理廠剩余污泥首先在污水處理廠區(qū)內(nèi)處理至含水率達到80%±2%，再將處理后的剩余污泥輸送至本工程擬建的污泥處置廠，利用高壓帶式深度脫水機將污泥脫水至含水率70%，然后采用低溫帶式干化處理至含水率35%及以下以達到焚燒要求，最后輸送至垃圾焚燒發(fā)電廠與生活垃圾一起混合，作為焚燒發(fā)電的原料（如圖1 所示）。

圖1 污泥處理工藝流程圖

第三，物料平衡。近期工程：150t/d（含水率80%）污泥，先采用機械式深度脫水至含水率70%左右，脫水量為：150-150×20%/30%=50t/d，脫水后污泥100t/d（含水率70%）；然后采用熱干化設備，干化到含水率35%，蒸發(fā)的水量為：100-100×30%/65%=53.85t/d；總?cè)ニ繛?03.85t/d，干污泥量為46.15t/d。按照每天24 小時的運行計算，則設備每小時去水量為4.33t/h。據(jù)此，設計采用兩條干化線，每小時去水量為4.8t/h（如圖2 所示）。

圖2 物料平衡圖

第四，熱平衡計算。低溫干化水分蒸發(fā)量：100-100×30%÷65%=53.85t/d；每小時蒸發(fā)水量：53850kg÷24h=2243.75kg； 水分汽化吸熱量：2400kJ/kg ×2243.75kg/h=5385000KJ/h=128.7 萬kcal/h；水分凝結潛熱：128.7 萬kcal/h。

（二）工藝設計

第一，污泥存儲與輸送。采用兩臺撬裝式料倉接收外來污泥，料倉的容積為80m3，在料倉的側(cè)面上分別裝有兩臺污泥輸送螺桿泵，料倉的料位由超聲波料位計進行檢測，設置高低位報警裝置。通過變頻器來對污泥的流量進行調(diào)節(jié)。

采用耐壓的無縫不銹鋼管輸送污泥，管道直徑為DN200，壁厚為6mm。在管路上裝設在線壓力檢測裝置，通過PLC 檢測及控制。當壓力超過設定值時，表示管道堵塞，需要進行清理，這時停螺桿泵并報警。通過變頻螺桿泵的運行頻率來進行干燥器的處理量調(diào)節(jié)。

第二，全封閉管式面條機。全封閉管式面條機由污泥分配器、管式面條機、旋轉(zhuǎn)刮板和清洗裝置等組成。由污泥泵提供6bar～10bar 的壓力，將污泥輸送至污泥分配器里，然后由污泥井分配后通過柔性連接管輸入到面條機內(nèi)部，模孔將輸入的污泥擠壓成面條狀，面條機內(nèi)部刮板通過旋轉(zhuǎn)隔斷面條，同時對模孔進行清潔處理。

第三，帶式干燥器。面條機形成的直徑8mm 條狀污泥從面條機連續(xù)輸入干燥器，均衡堆積，然后利用接入的垃圾發(fā)電廠余熱進行烘干，污泥在干化的同時沿輸送帶移動。傳動帶為帶細長孔的不銹鋼板，寬度設計為3 米。干燥器的干燥區(qū)域設計有10 個獨立的干燥模塊，熱氣向上向下吹，與污泥行進方向相反，與污泥充分接觸，在每個模塊里干燥氣體流穿過污泥。上部傳送帶以約1 米/分鐘（可通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)）的速度運送物料通過1 干燥室～10 干燥室。在第一次通過1 干燥室～10 干燥室的干燥物達到大約50%的濕度的部分干化。與此同時干燥溫度從干燥室1 到干燥室10 被從80℃逐漸升高到110℃，在上部干燥帶上停留約30 分鐘左右后，物料落到下部干燥帶，從干燥室10 傳送到干燥室1。這種方式的優(yōu)點在于，干燥物在通過干燥室10 到1 的過程中能被冷卻下來。通過這種運行方式可以保證干化過程中能源利用更加高效。污泥在干化器內(nèi)部干燥帶上的總停留時間在75 分鐘左右。干化后含固率65%的干泥通過冷卻排放螺旋輸送機輸送至干泥料倉暫存，然后就近運送至垃圾發(fā)電廠焚燒。

第四，氣體冷凝。從干燥器的模塊中排出的氣體是80℃左右的高溫高濕氣體，由抽氣鼓風輸送至冷卻器。在這里濕熱空氣被冷卻媒介冷卻到35℃，冷卻媒介采用的是循環(huán)冷卻水。污泥里蒸發(fā)出來的水在這里冷凝，冷凝水進入污泥廠排放池直接排放處置。

第五，尾氣處理。廠房內(nèi)35℃的尾氣（大約4200m3/h）抽送到廠區(qū)除臭系統(tǒng)，處理后達標排放。排出氣體可防止臭氣從干燥器溢出的同時保持干燥器內(nèi)為微負壓，在負壓狀態(tài)下蒸發(fā)速度升高，同時還降低了揮發(fā)份濃度。該系統(tǒng)的尾氣來自蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)份及蒸汽，由于在干化過程中物料處于靜止狀態(tài)，污泥本身溫度也只升高到80℃，尾氣中的雜質(zhì)很少，這些氣體通過生物除臭設施處理后可以達標排放。

第六，熱回收。從干燥器的模塊排出的大約80℃左右的高溫高濕的氣體經(jīng)循環(huán)水冷卻到65℃，放出的熱量由熱交換器通過熱再利用循環(huán)水泵提供的循環(huán)水轉(zhuǎn)移到熱交換器，通過冷凝器后的干燥氣體被加熱到60℃左右。

第七，氣體加熱。通過進氣風機從外界吸入的新鮮空氣被加熱到80℃，熱源為疏水器中溫度約為140℃的加熱蒸汽冷凝液。預熱的空氣通過鼓風機輸入干化機，進一步與干化腔內(nèi)的換熱器進行加溫換熱，熱媒介可以為10kg 的蒸汽。

第八，熱源。通過處置污泥量計算，本工程需要提供3906kW 的熱能，換算成1MPa 的熱蒸汽需要5.50t/h，經(jīng)與垃圾焚燒發(fā)電廠溝通確定，其可提供足夠且品質(zhì)滿足要求的余熱蒸汽供本工程使用。

第九，冷卻水的供應及排放。污泥干化系統(tǒng)冷卻用水來自廠區(qū)，其中用于冷卻螺旋輸送機的為循環(huán)冷卻水，消耗量為2m3/h，溫升10℃，進水壓力保證在0.2MPa 以上。循環(huán)冷卻水返回到冷卻系統(tǒng)，其他出水直接排到廠區(qū)污水系統(tǒng)。

第十，干污泥的輸送與儲存。通過冷卻水將干化后的污泥冷卻到35℃，然后通過刮板輸送機輸送到50m3的污泥料倉。干污泥料倉配有氮氣保護系統(tǒng)，對干燥腔內(nèi)的溫度和一氧化碳的濃度進行監(jiān)測，當超溫或一氧化碳濃度超標時，電磁閥開，系統(tǒng)同時進行報警。氮氣可在5 分鐘內(nèi)將料倉填滿。料倉配備即時提供倉內(nèi)料位信息的超聲波料位計及阻旋開關。料倉底部安裝螺旋輸送機，輸送機出口安裝有伸縮卸料口，直接將干化后污泥密封接走，可有效避免裝卸粉塵的產(chǎn)生。

第十一，控制系統(tǒng)。本干化系統(tǒng)采用PLC 控制系統(tǒng)，對整個干化生產(chǎn)過程進行監(jiān)控、報警和聯(lián)鎖，確保整個干化生產(chǎn)過程安全、平穩(wěn)運行。帶式干化系統(tǒng)內(nèi)設獨立控制室，人機界面設置在脫水間值班室。PLC 的監(jiān)控信號通過通信接口傳遞至系統(tǒng)，為全自動運行，自動進料和出料。

結語

本工程既是污泥處置工程，又是一個資源再生項目，可實現(xiàn)污泥的無害化、資源化、減量化和穩(wěn)定化，脫水后的污泥用于焚燒發(fā)電，具有較大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。