基于市政污泥與生活垃圾摻燒的污泥處理系統設計

摘要：城市污水處理廠脫水污泥的處理處置是污水處理系統的短板，對市政脫水污泥與生活垃圾協同焚燒中污泥處理系統的工藝流程、各工藝段設計參數、污泥干化形式、脫水污泥及干化后污泥的輸送方式、除臭系統進行分析設計，提出在設計過程中需重點考慮和優化的內容，以及污泥處理系統與垃圾焚燒系統在熱源、除臭方面的結合，為有關脫水污泥干化、脫水污泥及干化污泥輸送等類似工程提供借鑒。

關鍵詞：污泥；生活垃圾；協同處置；污泥

干化；污泥輸送

引言

市政污泥的處理處置越來越受重視，因地制宜選取最為適合的處理處置工藝至關重要。“干化+電廠摻燒”的處理工藝能有效解決污泥自身熱值不足問題，干化設備建議選擇間接干化形式，設備應節能、低臭氣產量；干化后污泥輸送可采用柱塞泵，輸送管路與柱塞泵設計時應充分考慮各種工況，并結合已有項目運行經驗，合理優化設計，節省投資與輸送成本。

1 項目背景

隨著城市的快速發展，污水產生量急劇增加，導致污水處理過程中產生的污泥量逐年遞增。根據我國相關政策及法律法規要求，城市污水廠產生的污泥必須進行減量化、穩定化、無害化、資源化處理，不允許不達標的污泥直接排放，同時取消所有非法污泥堆放場地。因此，選擇合理的污泥處理工藝和正規的污泥處置方式是污泥處理系統在設計階段需要考慮的首要問題。

生活垃圾是“沒有放對地方的資源”，只要科學地進行利用，就可以讓它變廢為寶，成為持續增長的可再生資源。隨著這些年電荒、油荒、煤荒的持續出現，生活垃圾作為可再生能源的價值日益凸顯。將污泥與生活垃圾協同處置，利用垃圾焚燒產生的蒸汽干化污泥，并將干化后的污泥與生活垃圾協同焚燒，充分利用污泥熱值，可有效減少污泥處置的能源消耗。

2 工程概況

湖南省長沙市城市固體廢棄物處理場位于望城區橋驛鎮，是城區唯一的城市固體廢棄物綜合協同處理場所。隨著固體廢棄物處理場生活垃圾及污泥填埋量的不斷增加，長沙市城市固體廢棄物處理場長期處在超負荷運行狀態，臭氣對周邊環境產生影響，并且隨著填埋堆放高度的增加，也存在安全隱患。為解決該固體廢棄物處理場存在的環境影響及安全問題，經多次方案論證決定在固體廢棄物處理場內采用“污泥熱干化與生活垃圾清潔焚燒協同處置”工藝，對污泥與生活垃圾2類固體廢棄物協同處置，可實現日處理500t市政污水處理廠污泥和2800t生活垃圾。對現有處理方式進行提質改造，本工程建設成功后不僅進一步提升了固體廢棄物處理場周邊的環境質量，還對服務區污水處理廠污泥及生活垃圾進行資源化利用，具備合理性，符合國家節能減排和發展循環經濟的政策，符合資源開發利用的可持續發展戰略要求，符合資源開發總體規劃及綜合利用的要求。

3 工藝流程

日處理入廠含水率80%污泥500t、生活垃圾2800t。采用污泥與生活垃圾協同處置方式，干化后的污泥與生活垃圾有共同處置的特性[1] ，將污泥與生活垃圾按6%～7%摻燒比混合后，一并進入焚燒爐進行焚燒處理，并利用焚燒余熱進行發電，節省投資和運行費用[2] ，有效地實現了污泥和生活垃圾的“無害化、減量化、資源化”。

長沙市市區污水處理廠污泥與生活垃圾通過密封運輸車從物流口進入廠區，經過地磅秤稱重后濕污泥卸至接料倉內，后經泵送至干化系統。生活垃圾經卸料平臺卸至垃圾坑，經過2～5d靜置，瀝出水分后通過垃圾池上部的垃圾抓斗送入焚燒爐。濕污泥由干化車間的干化機進行干化，干化過程所需的熱源來自于焚燒發電系統的汽機抽汽。干化后的污泥與垃圾坑內的生活垃圾混合后一起進入焚燒爐，污泥處理系統工藝流如圖1所示。

4 主要系統設計

4.1 濕污泥接收儲存系統

濕污泥接收及儲存間為雙層框架結構，上層為卸料大廳，下層為料倉間，接收儲存車運污泥。長沙市污水處理廠的脫水污泥通過密封污泥運輸車從物流口進入廠區，經過地磅秤稱重后從引橋進入主廠房卸料平臺，通過設置在卸料平臺的3個卸料門將濕污泥卸至卸料平臺下的接料倉內。污泥接收及儲存間設置在主廠房卸料平臺下層，共設置3個300m3濕污泥存儲倉，可滿足約2d的濕污泥儲存需求。料倉底部設破拱滑架及卸料螺旋，破拱滑架裝置的結構和設計確保物料在任何下落或卸料過程中不產生“架橋”現象和堆積死角。破拱滑架具有足夠的推力和強度，將污泥導入卸料螺旋輸送機，可確保料倉內污泥正常卸料。本工程的污泥源自不同污水處理廠，污泥料倉還可起到均質污泥的作用。

4.2 濕污泥輸送系統

濕污泥輸送系統將料倉內含水率80%的污泥輸送至干化機，輸送距離為110m，輸送系統的穩定運行是本工程的關鍵。經比選采用工程經驗豐富、運行穩定的液壓柱塞泵。柱塞泵的輸送能力與干化機能力匹配，共設置4臺柱塞泵，與干化機一一對應。輸送能力為12m3/h，泵出口壓力為60bar。進入干化系統的污泥為各污水廠的車運污泥，污泥在裝車、運輸過程中難免會混入少量碎石、鐵釘、螺絲等。濕污泥輸送泵后設置除雜裝置，除雜裝置的通過尺寸為20mm，能過濾掉所有金屬探測器截留的物質。除雜裝置的安裝形式為水平進垂直出，可以截留大粒徑雜物，確保干化系統的安全運行。

4.3污泥干化系統

污泥干化過程中要特別避免污泥粘滯區，該區域含水率為40%～50%。干化部分出泥含水率的設計值為60%，干化設備應能調節含水率在60%～70%之間的干化后污泥。

4.3.1污泥干化設備

污泥干化機的形式按照物料是否與熱源接觸分為2種，即直接干化與間接干化。

4.3.1.1直接干化

直接干化是將高溫煙氣送入干化機，通過氣體與污泥直接接觸形成空氣流動進行換熱，熱能利用率高，但高溫煙氣連續進入會帶來與通入煙氣等量的、直接與物料接觸的廢氣，因此必須將廢氣特殊處理后才能排放。直接干化代表設備有轉鼓、帶式、流化床等干化機。本工程采用蒸汽作為熱源，直接干化方式不適用于本工程。

4.3.1.2間接干化

間接干化是通過熱交換器利用高溫煙氣的熱能，傳給空氣、導熱油或蒸汽。空氣、導熱油或蒸汽在封閉的系統中循環，與需要干化的污泥不進行直接接觸。間接干化代表設備有轉盤（槳葉）式、帶式、薄層等干化機，因此間接干化方式適用于本工程。

（1）轉盤（槳葉）式干化機

轉盤（槳葉）式干化機主體由一個圓筒形的外殼和沿中心軸貫穿的圓盤組成。圓盤采用中空結構，熱水/蒸汽從中空處流過，利用中空軸間接將熱量傳遞給污泥。污泥在兩者之間流過，利用圓盤傳遞的熱能將水分蒸發。蒸發出來的水蒸氣在轉盤上方的空間聚集，通過通風將水蒸氣從干化機帶出。轉盤可增大換熱面積，從而給污泥提供更大的容量；通過緩慢轉動，轉盤上的小刮片可將污泥向前推動，并起到攪拌的作用。

（2）帶式干化機

污泥通過進料系統進入帶式干化機布泥設備，在烘干輸送帶上緩慢移動，將污泥均勻地攤鋪在污泥烘干輸送帶上；輸送帶上設置限位器和限高器，以精確控制輸送帶上的污泥高度，保證污泥在輸送帶上一直處于最佳厚度；通過變頻器進行無級調速調整輸送帶的移動速度，污泥通過輸送帶在干化機內緩慢移動，污泥中的水分被設備內流動的干燥空氣帶走。另外，由于輸送帶分為多層，上層完成干化的污泥通過安裝在尾部的過渡區掉入下層輸送帶，下層輸送帶的工作原理與上層一致，經過下層輸送帶干化后，污泥最終進入出料裝置排出，因此出料裝置可采用螺旋輸送機，鏈板、鏈條輸送機等。

（3）薄層干化機

臥式薄層干化機由內外2個同軸圓筒組成，外層圓筒通過高溫熱蒸汽，干化機內筒通過濕污泥。沿干化機長方向的中心軸轉子上安裝不同曲度的葉片，脫水后污泥在干化機內部沿固定方向流動的熱氣帶動下，利用安裝在高速旋轉的轉子上的槳葉，將污泥攤鋪在干化機的內壁上，形成薄薄的一層污泥層。污泥層以一定的速度從干化機的進料端移動到出料端。在此過程中，濕污泥在外層熱蒸汽及內部熱工藝氣的作用下完成干化，并從干化機排出，污泥在干化機中整個干化過程用時在2～3min。干化后的污泥通過冷卻設備使溫度降低至45～55℃，然后輸送至下一環節，進行暫存或直接外運。從干化機中出來的氣體經冷凝設備后進行氣水分離，冷凝水從設備中排出，進入污水處理系統；載氣由循環風機大部分送入干化機中再次利用，一小部分排出干化機，送入除臭系統，進行除臭處理。

（4）干化機形式比選

根據前文介紹，無論是轉盤（槳葉）式干化機、帶式干化機、薄層干化機均適用于本工程，因此需針對各個設備的優缺點進行比選，薄層干化設備運行穩定，工程案例多，工作環境好，出泥含水率在30%～70%之間可調，更適用于本工程，設計采用薄層干化工藝，詳見表1。

4.3.2污泥干化系統設計

采用薄層干化機，設計蒸發能力為2946kg/h，

換熱面積為58.2m2，熱干化過程熱源來自垃圾焚燒項目的過熱蒸汽，過熱蒸汽參數壓強為0.9MPa、溫度為240℃。干化后污泥在中間料倉緩存后，經柱塞泵送至焚燒爐中進行摻燒。

污泥蒸發出的廢蒸汽上升，離開污泥，從干化機頂部的廢氣排放口排出。干化機運行時內部保持負壓，臭氣不會外逸。少量環境空氣受控制地被吸入干化機，與廢蒸汽一同排放。這部分空氣同時起到降低廢蒸汽飽和度的作用，可防止其在離開干化機前重新冷凝。廢氣直接經管道進入管式換熱器冷凝，冷卻后由變頻的不凝氣體風機送至焚燒爐焚燒處理。不凝氣體風機，一方面吸引廢蒸汽/不凝結氣體流動，另一方面為干化機與冷凝器內部制造負壓環境。

冷凝廢水經乏汽冷凝水箱由排污泵送至換熱器進行冷卻后排至廠區廢水收集處理系統。廢蒸汽和蒸發器冷凝水的冷卻水采用循環方式，通過板式換熱器降溫后返回循環利用。蒸發器冷凝循環冷卻水的換熱水來自于廠區冷卻水，廠區冷卻水自流至干化車間，經冷卻水增壓泵輸送至本系統各用水單元，升溫后的冷卻水回送至廠區冷卻塔進行循環使用。蒸汽從一側進入干化設備轉子內，釋放熱量，形成的冷凝水從設備另一側經疏水設備排出系統。

從干化機排出的廢熱蒸汽中90%（質量比）以上是污泥蒸發出來的蒸汽，本工程干化機出泥含水率為65%，濕度較大，污泥呈輕軟的團狀，溫度較低約為100°C。因此，干化后污泥含水率高、溫度低，產生臭氣量少，干化系統在設計工況下不會產生粉塵，不會發生污泥自燃及粉塵爆炸。本工程設置4套薄層式污泥干化機，單套蒸發面積58.2㎡，每條干化線配置1套不凝氣冷凝系統、1臺不凝氣體風機和1套公用蒸汽分配系統及蒸汽冷凝水回收系統。

干化系統房間為雙層框架結構，上層為干化機及其尾氣處理系統，下層為干化污泥暫存、輸送、管道注膜系統等。房間布置時應注意薄層干化機的檢修空間要求較大，維護時需將整個軸水平地從干化機內部抽出，設計時要為此留有充足的空間。

4.4干化污泥輸送系統

干化后污泥通過螺旋輸送機進行初步冷卻，然后進入中間緩存倉;緩存倉采用活底料倉方式出料，下部配置帶有雙螺旋進料器的柱塞泵，中間緩存倉2套，單套容積30m3;通過柱塞泵將污泥輸送至鍋爐進料口[3]，最遠水平輸送距離達190m，并垂直提升30m，污泥含水率為65%，溫度在60℃左右。因此，遠的輸送距離、低的污泥含水率，是本工程設計最大的重點與難點。

對2種輸送方案進行比選，一是通過柱塞泵將干化后污泥一次性輸送220m至鍋爐進料口，但方案對設備及管路布置要求極高，任何一處出現故障都會導致干泥入爐失敗；二是在中間距離處設置接力料倉及接力泵，通過接力形式將污泥輸送至鍋爐入口，方案輸送可靠性高，但工程投資、設備故障率會增加。經考察類似項目，多次分析討論，最終確定采用一次性輸送入爐方案，節省投資及運行成本。

設計中為預防一次性輸送入爐方案可能產生的問題，結合工程經驗，充分考慮，作出優化設計。①通過三維模型設計管道路由，優化管道布置，減少彎頭及管路長度，降低管道損失，同時保證管道布置美觀，不與其它管路產生碰撞。②管徑選擇時結合管道阻力計算及工程經驗，確保經濟合理，干化污泥輸送管道設計管徑為DN250。③干化污泥輸送管道全程設置電伴熱，提高污泥溫度，從而提升污泥的流動性。④干化污泥輸送管道每隔50m設置注膜環，當污泥流變性較差，泵送阻力過大時，注入潤滑劑，根據工程經驗管道潤滑系統大約可使阻力損失降低1/3。⑤為防止停機時污泥在管道內累積，于污泥管線上分段設沖洗接口。⑥每條管道末端設置4個出口，可將污泥均勻的布置在鍋爐入料口處，提高污泥與垃圾的混合效果。

干化污泥輸送設備采用3臺雙出口柱塞泵，2用1備，中間1臺備用泵分出4根管道（每個出口2根支管）為其余2臺泵提供備用管道。每臺泵輸送能力為 6m3/h，出口壓力為150bar。因此，為緩解污泥輸送管道堵塞，提高污泥在管道內流動性，設計了管道電伴熱裝置、干化污泥管道注膜系統，運行時可結合實際需要啟停電伴熱或管道注膜系統。

4.5除臭系統

本工程臭氣分為2大類，即高濃度臭氣與低濃度臭氣，高濃度臭氣處理量為23000m3/h，低濃度臭氣處理量為100000m3/h。其中，高濃度臭氣來自濕污泥料倉、半干污泥中間料倉及干化機，通過抽排風以維持整個系統負壓狀態，通過風機直接送入垃圾焚燒爐焚燒處理，有害氣體在高溫環境下徹底分解；低濃度臭氣來自濕污泥接收間、半干污泥間及干化車間的環境臭氣，通過臭氣風機送入垃圾坑再統一送入焚燒爐處理，焚燒爐故障時，則送入活性炭除臭系統進行處理，因而設置了單套處理能力為50000m3/h的2套活性炭除臭裝置。

5運行情況

污泥接收系統、濕污泥輸送系統、污泥干化系統、干化污泥輸送系統、除臭系統均已正常運行，系統設計穩定性高，設備能力余量適宜，能滿足非正常工況下運行需求，干化污泥輸送系統無需管道注膜及電伴熱應急措施即可穩定運行。

結論

本工程將污泥處理與生活垃圾協同焚燒處置，利用垃圾焚燒產生的蒸汽干化污泥，通過焚燒工藝充分利用污泥熱值，提高能源利用率，降低運行成本。含水率80%的污泥接收系統儲泥時間設計留有余量，確保干化機持續、均質進泥。干化后的污泥含水率為65%，一次性輸送距離達220m（其中垂直距離30m），在我國工程設計及運行中具有很強的代表性與借鑒性。干化污泥輸送系統設計充分考慮管路損失與應急措施，優化了管道路由。干化系統產生的臭氣可直接送入鍋爐進行焚燒徹底處理，運行成本低。

參考文獻

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作者簡介

袁永振（1990—），男，漢族，天津人，本科，主要從事市政水廠、污水廠污泥處理工程設計工作。