南方某城市污泥集中協同處理工程設計探討

錢 林

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津 300074)

近年來,隨著我國城鎮污水處理設施建設的快速發展,污水廠污泥產量也逐年遞增,但由于長期以來“重水輕泥”現象普遍存在,致使大量污泥未能得到有效處理。截至2020年,全國污水處理率達97.53%,但污泥的有效處理率還不到30%[1],污泥處理處置問題日益嚴峻。此外,由于排水管網精細化養護的內在要求與河湖水環境治理工作的不斷推進,隨之帶來了大量的通溝污泥與河道淤泥,它們與污水廠污泥同屬水環境治理范疇,緊密關聯(圖1),但各自組分、性質差異也較大。

圖1 合流制排水管道與污泥來源的關系Fig.1 Relationship between Combined System Pipelines and Sludge Sources

目前,國內工程一般將3類污泥分別進行處理,不僅增加了工程投資與用地,還容易導致城市運維管理難度加大,而對于統籌考慮污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥處理處置的相關工程案例或研究還鮮有報道。本文以南方某城市污水廠污泥綜合處理中心為例,通過創新設計實現了污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥的集中協同處理,處理后污泥含水率降至60%以下外運至發電廠進行焚燒處置,有效解決了污泥的最終出路,可為其他城市污泥項目的建設實施提供設計參考。

1 工程概況

南方某城市污水處理廠位于江西省昌江西岸,占地面積為7.58 hm2,污水廠一期工程于2011年建成,設計規模為4萬m3/d,出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級B標準,尾水達標后就近排放昌江。為切實改善昌江水質,提高流域水生態環境質量,該污水廠于2020年進行提標改造工程。提標后采用三級深度處理工藝[2],出水水質由一級B標準提升至一級A標準(GB 18918—2002),工藝流程如圖2所示。

圖2 污水處理廠工藝流程Fig.2 Technological Process of WWTP

污水廠一期產生的污泥采用帶式脫水機進行濃縮脫水處理,含水率降至80%以下,送至廠內有機固體廢棄物處理處置中心進行高溫好氧堆肥發酵,發酵后的產物含水率可達30%,之后可進行混合填埋或土地改良利用,解決污泥的最終處置出路。根據現場調研分析,該有機固體廢棄物處理處置中心建于2017年,規模為50 t/d,主要用于接納處理城市各污水處理廠產生的市政污泥以及部分廚余垃圾等有機固體廢棄物,但由于污泥產量日益增加、堆肥周期較長、用地面積限制,目前該處理處置中心已接近滿負荷運行。此外,城市填埋場容量有限,將不再接收市政污泥填埋處置,因此,亟需為污水廠污泥尋求新的處理處置出路。

另外,為全面整治黑臭水體,該市已逐步建立河道水體清淤治理方案與排水管道定期清淤工作制度,河道淤泥與通溝污泥產量差異較大、有機質含量較低,與污水廠產生的剩余污泥具有明顯不同。結合工程建設要求,本次污水處理廠提標改造的同時,需新建污泥綜合處理中心,用于集中協同處理污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥。污泥經深度脫水處理后,送至城市發電廠進行焚燒處置,以實現污泥減量化與無害化的工程目標。

2 設計難點

(1)污泥來源多、成分復雜、性質不同

與常規污水處理廠僅需處理廠內產生的污泥不同,本項目需要統籌考慮污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥的協同處理,污泥來源多、成分復雜、性質各不相同,具體為: ①污水廠污泥,即伴隨污水處理過程中產生的污泥,包括初沉污泥、剩余污泥和化學污泥,經混合勻質后,污泥含水率可達99.2%～99.6%,且有機質含量高,并含有大量的病原微生物等。該類污泥的產量與組分相對穩定。 ②通溝污泥,主要來自該城市排水管網養護過程中疏通清掏出的管道沉積物。通溝污泥與污水廠污泥成分相似[3],但其微生物、有機質含量相對較低,以及部分重金屬含量超標等。由于排水體制及精細化養護管理水平不同,通溝污泥產量與組分隨城市地區、雨季變化差異較大。 ③河道淤泥,主要來自該城市部分河道水系定期清淤疏浚產生的淤泥。河道淤泥一般處于流態,含水率高且自然脫水困難,不同清淤水體產生的淤泥成分差異較大,對于受污染水體,有機質含量將大幅增加,并存在重金屬超標污染現象。不同來源污泥性質比較如表1所示[3-7]。

表1 不同來源污泥性質比較Tab.1 Comparison of Sludge Properties from Different Sources

(2)用地限制、工藝復雜、老舊銜接改造困難

目前,污水廠一期污泥采用“機械脫水+好氧發酵+填埋或土地利用”的處理處置方式,由于有機固體廢棄物處理處置中心已接近滿負荷運行,且填埋場容量限制,故污泥的處置方式將由“混合填埋”向“發電廠焚燒”轉變,并要求污泥處理的含水率降至60%以下。而已建污泥脫水機房尺寸僅24 m×10 m、設備脫水效率較低、不具備改造條件,無法滿足發電廠接納要求,因此,需重新設計污泥深度脫水處理系統。此外,本工程還需要同時考慮通溝污泥與河道淤泥的集中處理,包括預處理篩分、砂石分離和深度脫水處理系統,導致污泥處理工藝十分復雜,加上現狀廠區用地較緊張,對新建污泥綜合處理中心集約化布置提出了更高要求。如何銜接已建污泥處理設施、統籌考慮3類污泥的綜合處理,避免工程重復建設,并降低工程投資與減少用地,將是本次工藝設計的重點與難點。

3 技術路線

本工程污泥處理對象包括污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥,考慮到污水廠污泥以活性污泥為主,有機質含量高,與其他兩種污泥性質明顯不同,因此,需要單獨設計污泥處理工藝。而通溝污泥與河道淤泥中常含有纖維、石塊、樹枝、砂礫等雜物,工藝處理流程相似,將兩者合并處理可以實現。此外,污水廠深度處理工藝產生的化學污泥,以無機質含量為主,可與通溝污泥、河道淤泥進行協同處理,因此,本次工藝設計總體考慮將污水廠污泥與通溝污泥、河道淤泥進行分類集中處理,并通過設計進泥連通管道,使得兩條工藝路線在一定工況下(處理峰值或設備檢修等)可以互為備用,達到協同處理的目的,能夠提高設備利用率、降低工程建設成本及運營管理難度、最大限度發揮工程效益。

3.1 污水廠污泥處理

污水處理過程中將產生初沉污泥、剩余污泥和化學污泥,三者經儲泥池(已建)充分混合勻質后進入污泥綜合處理中心(新建)進行深度脫水處理?；旌衔勰嗥骄始s為99%,首先輸送至疊螺式污泥濃縮機進行機械脫水,同時投加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)強化泥水分離,污泥經濃縮處理后含水率降至97%～98%[8];之后經污泥緩存罐泵送至污泥調理池,在調理池中投加FeCl3和石灰乳藥劑,以改善污泥的脫水性能;最后由污泥柱塞泵壓入超高壓彈性壓濾機進行處理(設計每天運行8 h,單批次時間為2 h),脫水泥餅含水率降至60%以下外運至發電廠焚燒。而對于污水廠一期已建污泥脫水機房,本次考慮保留應急備用,以提高運營生產安全。污水廠污泥處理工藝流程如圖3所示。

圖3 污水廠污泥處理工藝流程Fig.3 Sludge Treatment Process of WWTP

3.2 通溝污泥與河道淤泥處理

通溝污泥與河道淤泥在組成上主要包含有機質和無機礦化成分兩大類,是有機污泥、砂石、生活垃圾以及其他雜物的混合體。結合工程建設目標,并考慮到污泥中砂礫對機械設備磨損的影響,本次通溝污泥與河道淤泥綜合處理推薦采用“預處理篩分+砂石分離+污泥調理+高壓板框壓濾機”工藝[9-10]。根據城市管理計劃,通溝污泥與河道淤泥定期清掏(淤)后,首先由污泥車轉運至污水廠內卸料池,接著進行喂料至雙層振動篩(雙層振動篩上層格柵沖板孔徑為80 mm,下層格柵沖板孔徑為15 mm),用于粗大物料的預處理篩分;之后依次進入洗砂裝置、沉砂池,主要目的為分離出0.2～10.0 mm的可沉砂礫,實現砂水分離,降低對后續機械設備的磨損;然后沉砂池出水經靜止格柵進入儲泥池混合勻質,并通過污泥泵輸送至污泥調理池,同時投加PAM藥劑;最后由污泥柱塞泵壓入河湖專用高壓板框壓濾機進行深度脫水處理(設計處理周期為1～1.5 h,兩臺壓濾機每天運行8 h),泥餅含水率降至60%以下外運處置。通溝污泥與河道淤泥處理工藝流程如圖4所示。

圖4 通溝污泥與河道淤泥處理工藝流程Fig.4 Process Flow of Sewer Sludge and River Sediments Treatment

4 工藝設計

4.1 污泥產量計算

(1)污水廠污泥產量

本工程污水廠內污泥產量來源于已建初沉池、已建生物反應池與新建高效沉淀池,經復核計算,初沉污泥產量為3 920 kg DS/d,含水率為98.2%;剩余污泥產量為3 786 kg DS/d,含水率為99.3%;化學污泥產量為157 kg DS/d,含水率為98.0%。故污水處理廠污泥總量為7 863 kg DS/d,折合污泥流量為766 m3/d,平均含水率為99.0%。

(2)通溝污泥與河道淤泥產量

目前,我國通溝污泥與河道淤泥治理的系統數據還比較缺乏,本次設計參考上海市及其他城市的經驗數據:(1)對于通溝污泥,按照排水管道污泥產量為8 t/(km·a)(以含水率為80%計)進行估算[11],該城市中心城區現狀污水管網、雨水管網及合流制管網總長度約為500 km,清掏周期為1年一清,故通溝污泥產量約為4 000 t/a;(2)對于河道淤泥,應根據水質考核要求、底泥污染評價、防洪排澇標準及河道周邊條件等確定河道清淤深度,平均清淤深度宜為60～100 cm[12]。結合該城市實際情況,擬對中心城區西河、南河等主要水系進行定期清淤,清淤深度取30～60 cm,清淤周期為1～2年一清,計算得出河道淤泥產量約為57 500 m3/a(以含水率為90%計)。綜合考慮,本工程通溝污泥與河道淤泥處理總量約為75 100 m3/a,平均含水率為87.5%,設計每年工期為320 d,計劃每天運行8 h,故污泥處理量約為30 m3/h,并以此為依據進行設備選型與工藝設計。

4.2 主要構(建)筑物設計

4.2.1 卸料池

新建卸料池1座,尺寸為24.6 m×6.6 m×2.5 m,鋼筋砼結構。卸料池安裝有雙層振動篩與轉輪洗砂機,可去除污泥泥漿中大部分粗大垃圾和砂石。主要設備包括:雙層振動篩1套(網板寬度為1 800 mm,上層格柵沖板孔徑為80 mm,下層格柵沖板孔徑為15 mm,功率N=18.5 kW)、轉輪洗砂機2套(流量Q=40～80 t/h,N=7.5 kW)。

4.2.2 沉砂池、儲泥池及尾水池

新建沉砂池、儲泥池及尾水池各1座(合建),尺寸為30.9 m×15.2 m,有效水深為4.0 m,鋼筋砼結構。其中,沉砂池用于進一步去除泥漿中粒徑大于0.2 mm,密度大于2.65 t/m3的砂粒,以減輕后續工藝處理的負荷;儲泥池主要用于污泥泥漿暫存,消除污泥產量波動的影響;尾水池主要用于收集污泥上清液以及一部分生產廢水排水。

主要設備包括:污泥提升泵2臺(Q=200 m3/h,揚程H=15 m,N=15 kW,1用1備,變頻)、砂水分離器1套(Q=60 m3/h,N=0.75 kW)、吸沙泵1臺(Q=60 m3/h,H=10 m,N=1.5 kW)、污泥回流泵1臺(Q=100 m3/h,H=7 m,N=5.5 kW,變頻)、廢水排水泵1臺(Q=105 m3/h,H=8 m,N=4 kW)。

4.2.3 污泥脫水車間

新建污泥脫水車間1座,建筑面積為1 540.44 m2,地上框架結構。污泥脫水車間是整個污泥處理工藝的核心單元,主要內容如下。

(1)污水廠污泥脫水處理系統。主要設備包括:污泥進料泵2臺(Q=40～80 m3/h,H=30 m,N=18.5 kW,1用1備,變頻)、疊螺式污泥濃縮機1套(Q=720～1 200 kg DS/h,N=5.23 kW)、調理池攪拌機2套(N=7.5 kW)、污泥柱塞泵1臺(Q=100 m3/h,H=1.6 MPa,N=30 kW,變頻)以及超高壓彈性壓濾機1套(Q=1 200 kg DS/h,N=18.5 kW,壓濾面積S=150 m2)。

(2)加藥系統。本工程污泥脫水絮凝劑采用陽離子PAM,設計投加量為2～5 kg/(t DS),配制質量分數為0.5%,投加濃度為0.1%～0.2%;鐵鹽與石灰調理劑設計投加量分別為干污泥量的8%、20%,實際投加量均應通過生產性試驗確定。主要設備包括:絮凝劑制備裝置1套(Q=3 000 L/h,N=2.5 kW,用于污水廠污泥處理)、絮凝劑制備裝置1套(Q=6 000 L/h,N=3.7 kW,用于通溝污泥與河道淤泥處理)、三氯化鐵儲罐1套(容量V=10 m3)、石灰料倉1套(V=10 m3,N=10 kW)。

(3)給水系統。用于絮凝劑制備裝置的在線稀釋供水。主要設備包括:鋼板水箱1套(V=8 m3)、稀釋水泵2臺(Q=30 m3/h,H=20 m,N=5.5 kW,1用1備,變頻)。

(4)壓縮空氣系統。用于高壓板框壓濾機和氣動閥門供氣。主要設備包括:空壓機1套(Q=0.71 Nm3/min,1.0 MPa,N=5.5 kW)、冷干機1套(Q=0.7 Nm3/min,0.7 MPa)、反吹儲氣罐1套(V=1 m3,1.0 MPa,碳鋼)、儀表儲氣罐1套(V=0.3 m3,1.0 MPa,碳鋼)。

(5)通溝污泥與河道淤泥脫水處理系統。主要設備包括:污泥調理池1套(V=108 m3,碳鋼)、調理池攪拌器3套(N=7.5 kW)、河湖專用高壓板框壓濾機2套(Q=15 m3/h,N=16 kW,過濾面積S=500 m2)、污泥柱塞泵2臺(Q=100 m3/h,H=2.0 MPa,N=22 kW,變頻)。

4.3 除臭設計

為消除污泥處理過程中臭味對周圍環境及工作人員的影響,對新建污泥綜合處理中心采取除臭措施是非常必要的。本工程設計采用“不銹鋼骨架+鋼化玻璃”對污泥處理設備及水池構筑物進行密封,并按密封空間計算法進行除臭風量計算,換氣次數取12次/h,單位水面面積臭氣風量指標取10 m3/(m2·h),以此得出生物土壤濾池設計流量為22 000 m3/h,設計接觸停留時間不小于40 s。臭氣經土壤生物濾池處理后達標無組織排放,惡臭氣體濃度執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)廠界二級排放標準。

5 工程分析

5.1 碳排放分析

污泥處理處置過程對于污水處理行業的碳排放有重要影響。研究[13]表明,污泥處理處置產生的碳排放占污水廠總排放量的65%～76%。本工程根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》提出的排放因子法,對污泥深度脫水處理進行碳排放量計算,碳排放因子取值[14]如表2所示?？梢钥闯?在不考慮有機質含量變化對污泥脫水碳排放影響的前提下,本工程污泥深度脫水處理單位碳排放量為976.9 kg CO2/(t DS),其中藥劑投加碳排放量為952 kg CO2/(t DS),占比達97.45%,因此,通過工藝升級、減少藥劑投加,對于污泥深度脫水處理碳減排具有重要意義。

表2 碳排放因子取值Tab.2 Value of Carbon Emission Factors

5.2 效益分析

根據初步設計批復,工程總投資為6 850.33萬元,其中新建污泥綜合處理中心單項投資為1 144.48萬元。污泥處理每日的單位直接運行成本中,電費約為46.92元/t,藥劑費約為187.18元/t,脫水泥餅外運費為40元/t,人工、水費及其他費用暫不計入,合計每日的直接運行成本為274.1元/t,此外,發電廠接納泥餅的處置費為219.2元/t?？梢钥闯?本次污泥處理工程不產生直接的經濟效益,但通過污泥深度脫水處理,并進行焚燒處置,可將部分有機質轉化為能量,降低生產能耗,有效解決了污泥的最終出路,避免了城市污泥對生態環境造成影響,具有顯著的環境效益和社會效益。

6 結論與建議

(1)“雙碳”背景下,我國城市污水處理事業正在逐步由“重水輕泥” 向“泥水并重”轉變,統籌考慮污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥的處理處置已成為城市管理的迫切需求。

(2)以某城市污泥綜合處理中心設計為例,分別采用“疊螺式濃縮機+污泥調理+超高壓彈性壓濾機”與“預處理篩分+砂石分離+污泥調理+高壓板框壓濾機”工藝,并通過設計進泥連通管道,實現了污水廠污泥、通溝污泥與河道淤泥的集中協同處理,脫水泥餅含水率可降至60%以下。

(3)對于不同來源污泥的集中處理,可充分利用污水廠既有條件,節約用地、降低工程投資,但同時也應考慮城市條件、運輸費用等,建議從城市專項規劃層面作出指導,整體分析、兼顧實施。