好氧發酵通風系統的能耗分析及節能優化

劉浩 寇于亮 馬特 機科發展科技股份有限公司

好氧發酵是污泥處理的主要技術手段，大量的學者專家針對發酵的機理進行了深入研究，大大促進了好氧發酵技術工程化應用的發展。然而在建設資源節約型與環境友好型社會的大背景下，環保和節能的雙重壓力使得污泥好氧發酵工程出現了一個共性問題，即如何在確保環保達標的情況下高效率、低成本的持續穩定運行。

1 好氧發酵系統的能耗分析

好氧發酵工程運行成本主要有輔料的消耗、電耗、燃油消耗、水耗組成。表1 為陜西某污泥好氧發酵工程的運行成本及折算標準煤耗。由表可知，總運行煤耗是7555.49kgec，其中電能的消耗占比最大為97.95%。

表1 發酵系統設計運行成本表

從節能的角度考慮，能耗占比越大，節能的潛力越大。為分析用電能耗節能潛力，需細化其能耗構成，表2 為用電設備的運行能耗表，其中用電能耗占比較大的是翻轉系統以及通風系統。

表2 各系統用電設備能耗分析表

結合表1 與表2 數據發現，翻轉系統和通風的能耗要遠高于其余設備和資源能耗，能耗占比分別達到了25.03%和42.94%,詳見圖1，因此節能的重點需要圍繞翻轉系統和通風系統來展開，由于翻轉系統（翻堆機和轉倉及）的能耗優化需要根據其運行工況、內部零配件的調整以及配套電機的優化選擇等多方面因素綜合考慮，此部分優化屬于機械設備非標設計，本文不做深入討論。

圖1 全能耗占比分析圖

2 通風系統的設計及優化

污泥好氧發酵廠房一般包含污泥的卸料區、干料的卸料區、熟料（發酵成品）卸料區、物料混合區、布料區、發酵區、曝氣風機區，這些區域臭氣的產生情況各異。按照區域內臭氣的產生情況可以分為無臭氣區、低濃度臭氣區以及高濃度臭氣區。當前絕大多數工程的通風系統設計采用換氣次數法計算通風量，而氣流組織形式采用效率最低的機械排風自然補風的方式，針對于污泥好氧發酵廠房特殊的環境，顯然通風系統設計方式過于單一，其結果必然無法達到預期效果。實際上各個區域的通風風量和氣流組織應結合工藝情況綜合考慮，不能一概而論。

2.1 無臭氣區域

干料的卸料區、中控室、曝氣風機區沒有臭氣產生區域，這些區域以通風為主，其中曝氣風機區需滿足風機用風量的需求，中控室需滿足人員新風需求，干料的卸料區內由于暫存秸稈等（低含水率）物料，車間粉塵的濃度相對較大，干料區不僅需要通風系統同時要配合除塵系統。無臭氣濃度區域可以采用機械排風+自然補風的全面通風措施。

2.2 低濃度臭氣區域

2.2.1 熟料區

熟料區臭氣濃度相對較低，但因熟料暫存量大，因而臭氣產生總量較大。通風量的計算需根據臭氣產生濃度、規范允許臭氣濃度按式(1)設計。

式中L為通風量（m3/s）；x為臭氣產生量（kg/s），y為區域允許最高氣體濃度（mg/m3）；y0為通風氣體中臭氣濃度（mg/m3）；若風源自室外引入，則y0=0。

熟料區應采用機械排風+機械送風的方式，機械送風應采用射流的方式控制氣流的流動方向，提高大區域排風效果。

2.2.2 物料輸送以及預處理設備區

此區域惡臭氣體的擴散主要是由于設備開口處未進行有效的密閉。這一區域的除臭主要是通過將設備開口處密閉，并在封閉罩內設置除臭排風口。通風方式采用設備局部排風+自然補風的方式，排風口風速可按照0.5～1.0m/s 考慮。

2.3 高濃度臭氣區域

2.3.1 污泥卸料區域

污泥卸料區配有存放污泥的料倉或者混凝土儲池，車輛直接將污泥卸入設備內，惡臭氣體氣體從儲池頂面向車間或者向室外擴散。污泥卸料區的通風采用局部排風+機械補風的，即采用機械送排風系統。在不影響車料卸料的前提下，封閉污泥卸料儲池，并在其頂部增加排風罩，車輛卸料的開口處應具有一定的風速，確保當車輛卸料時，氣體不從開口處溢出，排風口風速可按照0.25～0.5m/s 考慮，補風按照排風的90%考慮。對于卸料區內其余地方采用全面通風來滿足區域的通風換氣要求。全面通風換氣次數按照偶爾有人員進出考慮，換氣次數取3～4 次/h。

2.3.2 好氧發酵區

總整體上分析，臭氣產生的最大的區域是好氧發酵區，好氧發酵區的排風需要滿足以下幾點要求。首先從風量平衡角度分析，好氧發酵區的排風需不小于最大同時運行曝氣風機總風量，且需要維持該區域為負壓環境。其次排風風量需滿足翻堆機作業時排風需求。為提升發酵區的除臭效果，同時降低總的排風風量需求，可將發酵區分隔開來，盡量減小發酵區與廠房內其他區域連同的面積，同時自控系統協調配置曝氣風機與排風風機的匹配關系。發酵區的排風量可根據熱壓通風原理進行計算，部分學者已進行了介紹，本文此處不展開討論。由于發酵倉內排風不僅要求總量上滿足工藝需求，同時還要求排風的效率高，因此發酵區域的通風原則建議采用機械送風+機械排風的方式，詳見表3。

表3 各區域通風量計算方法及通風方式

2.4 空氣濃度梯級利用原則

鑒于好氧發酵工藝的特點，除臭的風量動輒十幾萬m3/h，大型工程甚至高達幾十萬m3/h，如此大規模的換氣量若僅僅按照自然補風的方式來設計，顯然是不合理的。實際上，從區域內環境需求來說，發酵廠房內低濃度區域的排風完全可以將其作為臭氣濃度較高區域的補風，比如將干料卸料區排風做除塵處理后送入熟料區、熟料區、污泥卸料區等的排風送入好氧發酵區，全部氣體在好氧發酵區排出廠房。也就是說將無臭氣區域排風送入低濃度區域，作為低濃度區域的部分，再將低濃度區域排風送入高濃度區域，作為高濃度區域補風，最終所有臭氣在高濃度區域排出。通過這種方式可以大大降低通風系統的總除臭風量，進而降低了除臭系統風機的配置要求，整個系統的投資以及運行成本（電耗）也隨之降低。這種充分利用室外補入的新鮮空氣即是空氣濃度梯級利用的核心。

3 結語

好氧發酵通風系統的設計當前因缺乏規范標準等多方面因素，造成多數工程通風系統設計能力偏大。盡管如此，好氧發酵工程帶給從業者的印象多數卻是通風系統配置能力的不足，造成這一現象的主要誘因應是通風系統氣流組織的不合理。因此通風系統的節能優化需要結合工藝的特點同步協調的進行。本文結合好氧發酵工藝特點提出了通風系統節能優化方法和思路，為污泥好氧發酵的工程設計者提供一定的參考。