某縣城脫水污泥處置廠工藝設(shè)計(jì)研究

鮑燕榮

安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司

本文結(jié)合安徽省某縣污泥處置廠的工程設(shè)計(jì)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(duì)污水處理廠剩余污泥進(jìn)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(hù)環(huán)境的重要環(huán)保設(shè)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(huì)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(jì)數(shù)據(jù)，某縣污泥產(chǎn)量逐年增加，需設(shè)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（GBT 24602-2009）相關(guān)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(fù)、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(shù)。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(duì)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(gè)領(lǐng)域。目前，日本各類污泥焚燒設(shè)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(dá)到11%，填埋量逐年減少。

歐洲發(fā)達(dá)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(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)以焚燒為主，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)則以土地利用為主。比利時(shí)、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(shù)之一，也是日本應(yīng)用最多最廣的污泥處理處置技術(shù)，美國鼓勵(lì)的主流技術(shù)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(diǎn)問題。我國長期存在“重水輕泥”的問題，污泥處置的技術(shù)發(fā)展與污水處理技術(shù)相比，差距較大，且落后于發(fā)達(dá)國家較多。我國的污泥處置問題主要有以下幾個(gè)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(yán)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(fù)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(shè)施投資金額僅約占污水處理投資費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)》中污泥穩(wěn)定化要求。

第五，缺乏與污泥處理配套的相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及適合我國國情的污泥焚燒的排放標(biāo)準(zhǔn)。

三、污泥處置廠設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前污泥處置面臨的問題，采用“干化+焚燒”工藝能較好地實(shí)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(duì)該工程設(shè)計(jì)方案介紹如下。

（一）工藝方案分析

第一，污泥性質(zhì)分析。針對(duì)生活污水處理廠剩余污泥，首先由環(huán)境保護(hù)監(jiān)測單位對(duì)污泥泥質(zhì)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)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(biāo)均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（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(dāng)?shù)刂鞴軉挝粶贤ǎh城建有垃圾焚燒發(fā)電廠一座，運(yùn)行良好，有較多焚燒余量，可將污泥處置的干化廠建設(shè)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)項(xiàng)目的聯(lián)合運(yùn)行，具有巨大的聯(lián)動(dòng)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(dá)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(jī)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(dá)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(jī)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(shè)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(shí)的運(yùn)行計(jì)算，則設(shè)備每小時(shí)去水量為4.33t/h。據(jù)此，設(shè)計(jì)采用兩條干化線，每小時(shí)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(jì)算。低溫干化水分蒸發(fā)量：100-100×30%÷65%=53.85t/d；每小時(shí)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(jié)潛熱：128.7 萬kcal/h。

（二）工藝設(shè)計(jì)

第一，污泥存儲(chǔ)與輸送。采用兩臺(tái)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(tái)污泥輸送螺桿泵，料倉的料位由超聲波料位計(jì)進(jìn)行檢測，設(shè)置高低位報(bào)警裝置。通過變頻器來對(duì)污泥的流量進(jìn)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(shè)在線壓力檢測裝置，通過PLC 檢測及控制。當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，表示管道堵塞，需要進(jìn)行清理，這時(shí)停螺桿泵并報(bào)警。通過變頻螺桿泵的運(yùn)行頻率來進(jìn)行干燥器的處理量調(diào)節(jié)。

第二，全封閉管式面條機(jī)。全封閉管式面條機(jī)由污泥分配器、管式面條機(jī)、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(jī)內(nèi)部，模孔將輸入的污泥擠壓成面條狀，面條機(jī)內(nèi)部刮板通過旋轉(zhuǎn)隔斷面條，同時(shí)對(duì)模孔進(jìn)行清潔處理。

第三，帶式干燥器。面條機(jī)形成的直徑8mm 條狀污泥從面條機(jī)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(jìn)行烘干，污泥在干化的同時(shí)沿輸送帶移動(dòng)。傳動(dòng)帶為帶細(xì)長孔的不銹鋼板，寬度設(shè)計(jì)為3 米。干燥器的干燥區(qū)域設(shè)計(jì)有10 個(gè)獨(dú)立的干燥模塊，熱氣向上向下吹，與污泥行進(jìn)方向相反，與污泥充分接觸，在每個(gè)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(yùn)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(dá)到大約50%的濕度的部分干化。與此同時(shí)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(diǎn)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(yùn)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(shí)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(jī)輸送至干泥料倉暫存，然后就近運(yùn)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(fēng)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(jìn)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(dá)標(biāo)排放。排出氣體可防止臭氣從干燥器溢出的同時(shí)保持干燥器內(nèi)為微負(fù)壓，在負(fù)壓狀態(tài)下蒸發(fā)速度升高，同時(shí)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?fàn)顟B(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(shè)施處理后可以達(dá)標(biāo)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(jìn)氣風(fēng)機(jī)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(yù)熱的空氣通過鼓風(fēng)機(jī)輸入干化機(jī)，進(jìn)一步與干化腔內(nèi)的換熱器進(jìn)行加溫?fù)Q熱，熱媒介可以為10kg 的蒸汽。

第八，熱源。通過處置污泥量計(jì)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(yīng)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(jī)的為循環(huán)冷卻水，消耗量為2m3/h，溫升10℃，進(jìn)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(chǔ)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(jī)輸送到50m3的污泥料倉。干污泥料倉配有氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，對(duì)干燥腔內(nèi)的溫度和一氧化碳的濃度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)超溫或一氧化碳濃度超標(biāo)時(shí)，電磁閥開，系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。氮?dú)饪稍? 分鐘內(nèi)將料倉填滿。料倉配備即時(shí)提供倉內(nèi)料位信息的超聲波料位計(jì)及阻旋開關(guān)。料倉底部安裝螺旋輸送機(jī)，輸送機(jī)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(duì)整個(gè)干化生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警和聯(lián)鎖，確保整個(gè)干化生產(chǎn)過程安全、平穩(wěn)運(yùn)行。帶式干化系統(tǒng)內(nèi)設(shè)獨(dú)立控制室，人機(jī)界面設(shè)置在脫水間值班室。PLC 的監(jiān)控信號(hào)通過通信接口傳遞至系統(tǒng)，為全自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)進(jìn)料和出料。

結(jié)語

本工程既是污泥處置工程，又是一個(gè)資源再生項(xiàng)目，可實(shí)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(jì)效益和環(huán)境效益。