基于市政污泥與生活垃圾摻燒的污泥處理系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的短板，對市政脫水污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒中污泥處理系統(tǒng)的工藝流程、各工藝段設(shè)計參數(shù)、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(tǒng)進行分析設(shè)計，提出在設(shè)計過程中需重點考慮和優(yōu)化的內(nèi)容，以及污泥處理系統(tǒng)與垃圾焚燒系統(tǒng)在熱源、除臭方面的結(jié)合，為有關(guān)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(guān)鍵詞：污泥；生活垃圾；協(xié)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(guān)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(shè)備建議選擇間接干化形式，設(shè)備應(yīng)節(jié)能、低臭氣產(chǎn)量；干化后污泥輸送可采用柱塞泵，輸送管路與柱塞泵設(shè)計時應(yīng)充分考慮各種工況，并結(jié)合已有項目運行經(jīng)驗，合理優(yōu)化設(shè)計，節(jié)省投資與輸送成本。

1 項目背景

隨著城市的快速發(fā)展，污水產(chǎn)生量急劇增加，導(dǎo)致污水處理過程中產(chǎn)生的污泥量逐年遞增。根據(jù)我國相關(guān)政策及法律法規(guī)要求，城市污水廠產(chǎn)生的污泥必須進行減量化、穩(wěn)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(guī)的污泥處置方式是污泥處理系統(tǒng)在設(shè)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(xué)地進行利用，就可以讓它變廢為寶，成為持續(xù)增長的可再生資源。隨著這些年電荒、油荒、煤荒的持續(xù)出現(xiàn)，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(xié)同處置，利用垃圾焚燒產(chǎn)生的蒸汽干化污泥，并將干化后的污泥與生活垃圾協(xié)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(qū)橋驛鎮(zhèn)，是城區(qū)唯一的城市固體廢棄物綜合協(xié)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(tài)，臭氣對周邊環(huán)境產(chǎn)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(huán)境影響及安全問題，經(jīng)多次方案論證決定在固體廢棄物處理場內(nèi)采用“污泥熱干化與生活垃圾清潔焚燒協(xié)同處置”工藝，對污泥與生活垃圾2類固體廢棄物協(xié)同處置，可實現(xiàn)日處理500t市政污水處理廠污泥和2800t生活垃圾。對現(xiàn)有處理方式進行提質(zhì)改造，本工程建設(shè)成功后不僅進一步提升了固體廢棄物處理場周邊的環(huán)境質(zhì)量，還對服務(wù)區(qū)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(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的政策，符合資源開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，符合資源開發(fā)總體規(guī)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(xié)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(fā)電，節(jié)省投資和運行費用[2] ，有效地實現(xiàn)了污泥和生活垃圾的“無害化、減量化、資源化”。

長沙市市區(qū)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(qū)，經(jīng)過地磅秤稱重后濕污泥卸至接料倉內(nèi)，后經(jīng)泵送至干化系統(tǒng)。生活垃圾經(jīng)卸料平臺卸至垃圾坑，經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)的汽機抽汽。干化后的污泥與垃圾坑內(nèi)的生活垃圾混合后一起進入焚燒爐，污泥處理系統(tǒng)工藝流如圖1所示。

4 主要系統(tǒng)設(shè)計

4.1 濕污泥接收儲存系統(tǒng)

濕污泥接收及儲存間為雙層框架結(jié)構(gòu)，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(qū)，經(jīng)過地磅秤稱重后從引橋進入主廠房卸料平臺，通過設(shè)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(nèi)。污泥接收及儲存間設(shè)置在主廠房卸料平臺下層，共設(shè)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(shè)破拱滑架及卸料螺旋，破拱滑架裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計確保物料在任何下落或卸料過程中不產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象和堆積死角。破拱滑架具有足夠的推力和強度，將污泥導(dǎo)入卸料螺旋輸送機，可確保料倉內(nèi)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(zhì)污泥的作用。

4.2 濕污泥輸送系統(tǒng)

濕污泥輸送系統(tǒng)將料倉內(nèi)含水率80%的污泥輸送至干化機，輸送距離為110m，輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是本工程的關(guān)鍵。經(jīng)比選采用工程經(jīng)驗豐富、運行穩(wěn)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(shè)置4臺柱塞泵，與干化機一一對應(yīng)。輸送能力為12m3/h，泵出口壓力為60bar。進入干化系統(tǒng)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(shè)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(zhì)。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(tǒng)的安全運行。

4.3污泥干化系統(tǒng)

污泥干化過程中要特別避免污泥粘滯區(qū)，該區(qū)域含水率為40%～50%。干化部分出泥含水率的設(shè)計值為60%，干化設(shè)備應(yīng)能調(diào)節(jié)含水率在60%～70%之間的干化后污泥。

4.3.1污泥干化設(shè)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?zé)煔馑腿敫苫瘷C，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?zé)煔膺B續(xù)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(shè)備有轉(zhuǎn)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?zé)煔獾臒崮埽瑐鹘o空氣、導(dǎo)熱油或蒸汽。空氣、導(dǎo)熱油或蒸汽在封閉的系統(tǒng)中循環(huán)，與需要干化的污泥不進行直接接觸。間接干化代表設(shè)備有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤（槳葉）式干化機

轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(fā)。蒸發(fā)出來的水蒸氣在轉(zhuǎn)盤上方的空間聚集，通過通風(fēng)將水蒸氣從干化機帶出。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)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(tǒng)進入帶式干化機布泥設(shè)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(shè)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(diào)速調(diào)整輸送帶的移動速度，污泥通過輸送帶在干化機內(nèi)緩慢移動，污泥中的水分被設(shè)備內(nèi)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(qū)掉入下層輸送帶，下層輸送帶的工作原理與上層一致，經(jīng)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(nèi)外2個同軸圓筒組成，外層圓筒通過高溫?zé)嵴羝苫瘷C內(nèi)筒通過濕污泥。沿干化機長方向的中心軸轉(zhuǎn)子上安裝不同曲度的葉片，脫水后污泥在干化機內(nèi)部沿固定方向流動的熱氣帶動下，利用安裝在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上的槳葉，將污泥攤鋪在干化機的內(nèi)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(nèi)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(shè)備使溫度降低至45～55℃，然后輸送至下一環(huán)節(jié)，進行暫存或直接外運。從干化機中出來的氣體經(jīng)冷凝設(shè)備后進行氣水分離，冷凝水從設(shè)備中排出，進入污水處理系統(tǒng)；載氣由循環(huán)風(fēng)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(tǒng)，進行除臭處理。

（4）干化機形式比選

根據(jù)前文介紹，無論是轉(zhuǎn)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(shè)備的優(yōu)缺點進行比選，薄層干化設(shè)備運行穩(wěn)定，工程案例多，工作環(huán)境好，出泥含水率在30%～70%之間可調(diào)，更適用于本工程，設(shè)計采用薄層干化工藝，詳見表1。

4.3.2污泥干化系統(tǒng)設(shè)計

采用薄層干化機，設(shè)計蒸發(fā)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(shù)壓強為0.9MPa、溫度為240℃。干化后污泥在中間料倉緩存后，經(jīng)柱塞泵送至焚燒爐中進行摻燒。

污泥蒸發(fā)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(nèi)部保持負壓，臭氣不會外逸。少量環(huán)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(jīng)管道進入管式換熱器冷凝，冷卻后由變頻的不凝氣體風(fēng)機送至焚燒爐焚燒處理。不凝氣體風(fēng)機，一方面吸引廢蒸汽/不凝結(jié)氣體流動，另一方面為干化機與冷凝器內(nèi)部制造負壓環(huán)境。

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

從干化機排出的廢熱蒸汽中90%（質(zhì)量比）以上是污泥蒸發(fā)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(chǎn)生臭氣量少，干化系統(tǒng)在設(shè)計工況下不會產(chǎn)生粉塵，不會發(fā)生污泥自燃及粉塵爆炸。本工程設(shè)置4套薄層式污泥干化機，單套蒸發(fā)面積58.2㎡，每條干化線配置1套不凝氣冷凝系統(tǒng)、1臺不凝氣體風(fēng)機和1套公用蒸汽分配系統(tǒng)及蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)。

干化系統(tǒng)房間為雙層框架結(jié)構(gòu)，上層為干化機及其尾氣處理系統(tǒng)，下層為干化污泥暫存、輸送、管道注膜系統(tǒng)等。房間布置時應(yīng)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(nèi)部抽出，設(shè)計時要為此留有充足的空間。

4.4干化污泥輸送系統(tǒng)

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?zhèn)};緩存?zhèn)}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?zhèn)}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(shè)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(shè)備及管路布置要求極高，任何一處出現(xiàn)故障都會導(dǎo)致干泥入爐失敗；二是在中間距離處設(shè)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(shè)備故障率會增加。經(jīng)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(jié)省投資及運行成本。

設(shè)計中為預(yù)防一次性輸送入爐方案可能產(chǎn)生的問題，結(jié)合工程經(jīng)驗，充分考慮，作出優(yōu)化設(shè)計。①通過三維模型設(shè)計管道路由，優(yōu)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(chǎn)生碰撞。②管徑選擇時結(jié)合管道阻力計算及工程經(jīng)驗，確保經(jīng)濟合理，干化污泥輸送管道設(shè)計管徑為DN250。③干化污泥輸送管道全程設(shè)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(shè)置注膜環(huán)，當(dāng)污泥流變性較差，泵送阻力過大時，注入潤滑劑，根據(jù)工程經(jīng)驗管道潤滑系統(tǒng)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(nèi)累積，于污泥管線上分段設(shè)沖洗接口。⑥每條管道末端設(shè)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(shè)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(nèi)流動性，設(shè)計了管道電伴熱裝置、干化污泥管道注膜系統(tǒng)，運行時可結(jié)合實際需要啟停電伴熱或管道注膜系統(tǒng)。

4.5除臭系統(tǒng)

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(fēng)以維持整個系統(tǒng)負壓狀態(tài)，通過風(fēng)機直接送入垃圾焚燒爐焚燒處理，有害氣體在高溫環(huán)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(huán)境臭氣，通過臭氣風(fēng)機送入垃圾坑再統(tǒng)一送入焚燒爐處理，焚燒爐故障時，則送入活性炭除臭系統(tǒng)進行處理，因而設(shè)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(tǒng)、濕污泥輸送系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、干化污泥輸送系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)均已正常運行，系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定性高，設(shè)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(tǒng)無需管道注膜及電伴熱應(yīng)急措施即可穩(wěn)定運行。

結(jié)論

本工程將污泥處理與生活垃圾協(xié)同焚燒處置，利用垃圾焚燒產(chǎn)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(tǒng)儲泥時間設(shè)計留有余量，確保干化機持續(xù)、均質(zhì)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(shè)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(tǒng)設(shè)計充分考慮管路損失與應(yīng)急措施，優(yōu)化了管道路由。干化系統(tǒng)產(chǎn)生的臭氣可直接送入鍋爐進行焚燒徹底處理，運行成本低。

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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(shè)計工作。