國內(nèi)最大熱水解-厭氧消化污泥工程設(shè)計案例!
北京市高安屯污泥處理中心工程處理規(guī)模約1850t/d,采用熱水解-厭氧消化-板框脫水工藝,是亞洲最大的采用該工藝的污泥處理中心。通過對污泥接收系統(tǒng)、熱水解系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、板框脫水系統(tǒng)及沼氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使得該污泥處理中心在方便運行管理、保證施工質(zhì)量等方面有了進(jìn)一步提高,進(jìn)而強化了污泥穩(wěn)定性、減量化、無害化和資源化的處理目標(biāo)。
1污泥處理中心工程概況
北京市城區(qū)污水處理廠日產(chǎn)污泥約6000多t(含水率按80%計),本著大廠污泥就近在廠內(nèi)進(jìn)行處理,中小廠污泥外運進(jìn)行集中處理的原則,高碑店、小紅門、槐房等大廠在廠內(nèi)建設(shè)污泥處理廠處理本廠污泥。其他廠的污泥(主要為海淀區(qū)、朝陽區(qū)部分污水處理廠)外運至高安屯污泥處理中心進(jìn)行處理,處理規(guī)模約1850t/d(含水率按80%計),有機質(zhì)含量55%~70%。采用熱水解+厭氧消化+板框脫水工藝,處理后的污泥含水率為60%,可作為園林、林地等用泥。該工程的實施強化了污泥穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化的處理目標(biāo)。
1.1建設(shè)目標(biāo)
根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),并參考今后污泥土地利用的要求,確定污泥處理標(biāo)準(zhǔn)見表1。
1.2工藝流程
工藝流程及平面布置詳見圖1、圖2。
外廠污泥(約1700t/d)送至污泥處理中心,與高安屯再生水廠的部分剩余污泥混合漿化,含水率調(diào)制85%左右進(jìn)入熱水解系統(tǒng),出泥經(jīng)稀釋和冷卻,達(dá)到含水率90%~92%和溫度53℃左右,進(jìn)入?yún)捬跸剡M(jìn)行消化,消化后的污泥脫水到含水率60%以下外運。脫水濾液收集處理后排入廠區(qū)污水管道。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫處理送至沼氣鍋爐發(fā)電機房,鍋爐燃燒沼氣產(chǎn)生的蒸汽供熱水解使用,其余沼氣可用于發(fā)電。
2工藝設(shè)計優(yōu)化
2.1污泥接收系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化
污泥接收系統(tǒng)由卸料間、污泥接收車間組成,設(shè)置接收倉4套,單套容積130m³,緩沖料斗及雙螺旋輸送機4套,柱塞泵4套,單套輸送能力75m³/h,壓力64bar(1bar=0.1MPa)。
傳統(tǒng)的設(shè)計存在一定缺陷,其一,泥車卸泥時部分污泥堆積在卸料平臺,積泥從縫隙掉入下部空間,既影響環(huán)境,也不利于運行管理;其二,由于出泥管壓力大,且輸送污泥含固率高,會出現(xiàn)泥管檢修的可能,柱塞泵后出泥管為埋地管,埋深通常在7m左右,造成檢修維護(hù)困難且費用高(如圖3所示)。
高安屯污泥接收系統(tǒng)對此部分進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,在卸泥處增設(shè)混凝土鋼板并設(shè)置一定坡度,既可對泥車進(jìn)行限位,也杜絕積泥現(xiàn)象。同時在接收車間外墻設(shè)置管道井,管道井與車間相通,泥管經(jīng)管道井直接接出地面,檢修維護(hù)方便,維護(hù)費用低(如圖4所示)。
2.2污泥熱水解系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化
污泥熱水解系統(tǒng)由污泥緩存料倉間、熱水解單元及熱交換車間組成。
污泥緩存料倉目的是儲存污泥接收車間及水廠濃縮污泥。設(shè)置4座料倉,單座有效容積為400m³,料倉包含雷達(dá)波料位計、破拱滑架、卸料螺旋、液壓動力站等配套設(shè)備。
熱水解單元目的加強污泥的生物可降解性,提高消化池產(chǎn)氣率,殺滅病菌和蛔蟲卵,實現(xiàn)了污泥的無害化。熱水解的蒸汽由沼氣鍋爐供應(yīng),蒸汽消耗為0.95~12m³/tDS。熱水解單元由4條處理線組成。每條線處理能力為93tDS/d,含漿化罐1個,容積42m³;反應(yīng)罐6個,單個容積12.5m³;閃蒸罐1個,容積42m³。設(shè)計反應(yīng)周期為120~165min。
熱交換車間作用是將熱水解單元處理后的污泥進(jìn)行冷卻和稀釋處理。內(nèi)設(shè)一次換熱器4臺,單臺散熱量1150kW,熱泥流量47.6m³/h;冷卻水換熱器,2臺,單臺散熱量3700kW;一次稀釋水泵,3臺,2用1備,單臺流量15~40m³/h,揚程68m;二次稀釋水泵,2臺(1用1備),單臺流量15~40m³/h,揚程68m。經(jīng)冷卻和稀釋后,含水率為90%~92%,溫度為53℃左右。
熱水解單元會產(chǎn)生大量的高濃度臭氣,其成分復(fù)雜,呈酸性且具有腐蝕性,該氣體除含有水分外,還含有VOC等成分。本工程對此部分進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,設(shè)計1根DN100的不銹鋼管將熱水解產(chǎn)生的不可凝氣體冷卻后送至消化池內(nèi)處理;同時在管路的低點設(shè)置1個125L的冷凝儲罐收集管路中的冷凝水,通過負(fù)壓泵送裝置將冷凝水加入污泥管道中。
2.3厭氧消化系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化
厭氧消化系統(tǒng)是污泥實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化和資源化的主要環(huán)節(jié)。設(shè)計規(guī)模370tDS/d,分2組,每組4座,共8座,單座池容為11500m³。含水率為92%,消化時間15d左右,消化溫度38~40℃。設(shè)計沼氣產(chǎn)率為185~315m³/tDS。每座消化池設(shè)立軸式槳葉攪拌器1臺,池內(nèi)物料的溫度控制采用池外循環(huán)冷卻方式,每座消化池對應(yīng)1套循環(huán)冷卻單元,污泥循環(huán)泵連續(xù)將消化池內(nèi)的熱污泥送至泥水熱交換器降溫后再返回消化池。
國內(nèi)大中型污泥處理中采用的消化池外形多為圓柱形、卵形等,高安屯污泥處理中心設(shè)計采用圓柱形鋼制消化池,與傳統(tǒng)卵形消化池的比較(以本設(shè)計單池有效容積為基準(zhǔn))見表2。
2.3.1進(jìn)出泥、排砂及放空方式優(yōu)化
傳統(tǒng)圓柱形消化池一般采取上下進(jìn)泥、底下出泥,中部下端低洼部分為放空排砂的方式(如圖5所示),這種方式,整個池內(nèi)液體混合較好,無死區(qū),但排砂效果不理想。
高安屯項目在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,對進(jìn)、出泥、排砂及放空方式做了優(yōu)化。采用底部進(jìn)泥、下部排泥與上部排泥相結(jié)合的運行方式。消化罐底部中間高出池邊0.5m左右,池心向周邊形成一定的坡度,且在攪拌器流態(tài)作用下,泥砂易沉積在周邊,因此在周邊最低處均勻設(shè)置3處排砂管,必要時對消化池進(jìn)行清空排砂(如圖6所示),有效排出池底沉砂;也可通過上部溢流出料口排泥,溢流出料口同時具有水封功能,能夠保證罐內(nèi)沼氣不會泄漏到罐外產(chǎn)生危險,同時也使罐內(nèi)保持恒定的液位。
2.3.2沼氣中H2S含量控制的優(yōu)化
污泥消化產(chǎn)生的沼氣中H2S含量較高,后續(xù)沼氣脫硫運行費用較高,由于FeCl3可有效抑制H2S從沼氣溢出,本工程優(yōu)化設(shè)計,在熱交換車間設(shè)置FeCl3投加系統(tǒng),將FeCl3投加在熱水解后污泥消化池前的污泥管道中,減少沼氣中H2S含量。設(shè)鐵鹽儲罐2套,單套有效容積25m3;加藥泵4臺,單臺流量120L/h,揚程6bar。
2.4污泥板框脫水系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化
板框脫水系統(tǒng)用于對污泥進(jìn)行脫水處理,是污泥處理流程中最后一個環(huán)節(jié)。板框脫水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模320tDS/d。主要包括調(diào)質(zhì)池、儲藥池、脫水機房、附屬設(shè)備間、出泥通道(如圖7所示)。
調(diào)質(zhì)池18座、FeCl3儲藥池3座,均設(shè)于脫水機房外。通過向污泥調(diào)質(zhì)池中加入FeCl3調(diào)理劑,對消化后污泥進(jìn)行調(diào)理,改善污泥脫水性能。設(shè)有加藥系統(tǒng)3套,每套含加藥泵6臺(單臺Q=20m3/h,H=20m);設(shè)有PAM加藥系統(tǒng)3套,每套含稀釋水箱1座,稀釋泵、補水泵各2臺及絮凝制備系統(tǒng)1臺,制備0.5%PAM溶液,PAM溶液加入高低壓進(jìn)泥泵前泥管上的靜態(tài)混合器,與調(diào)質(zhì)池內(nèi)污泥在管道中混合。
脫水機房分A、B座2座,共設(shè)有板框脫水機24臺(處理能力18t/d,過濾面積800m2),18用6備;高低壓進(jìn)料泵24組(低壓流量120m3/h,壓力60m,高壓流量40m3/h,壓力120m);壓榨系統(tǒng)3套。
板框脫水機的工作流程為進(jìn)料-壓榨-反吹-卸料4步。首先通過低壓進(jìn)料泵將污泥泵入壓濾機,當(dāng)進(jìn)料壓力穩(wěn)定在0.6MPa左右時,再通過高壓進(jìn)泥泵進(jìn)料;進(jìn)料完畢后,啟動壓榨系統(tǒng)對污泥進(jìn)行擠壓脫水,壓力2.2MPa;壓榨結(jié)束后,壓榨水回流到壓榨水箱,壓濾機中的殘留污泥通過壓縮空氣反吹回調(diào)質(zhì)池,同時將膜腔內(nèi)的濾液吹回濾液收集管道。反吹結(jié)束后,翻板打開,推板退到最后端,濾板被拉開,腔室中濾餅掉落到下部帶式輸送機上。泥餅被送至2臺破碎機,破碎后粒徑小于30mm,并通過泥裝車外運利用。
2.4.1壓榨系統(tǒng)優(yōu)化
本設(shè)計考慮到北京污泥中有機質(zhì)含量較高,且有未運行熱水解而直接脫水的工況可能,脫水較穩(wěn)困難。為達(dá)到滿意的脫水效果,需更長的壓榨時間,在實際運行中壓榨時間甚至翻倍,從而導(dǎo)致壓榨水池儲量嚴(yán)重不足,本工程設(shè)計時適當(dāng)擴大壓榨水池有效容積,設(shè)計壓榨水池有效容積79m3,以保證不同工況下脫水的正常運行。
2.4.2沖洗系統(tǒng)排水的優(yōu)化
壓濾機工作一段時間后,濾布的孔隙內(nèi)會堵塞一些固體顆粒,影響過濾效果,這時啟動沖洗系統(tǒng)(分為3組,每組包括柱塞式?jīng)_洗泵3臺,2用1備,10m3沖洗水箱1座)對濾布進(jìn)行清洗,水壓為6MPa。洗布廢水被翻板接住,通過兩側(cè)的沖洗水槽匯集進(jìn)入濾液總管排出。
洗布廢水通常為泥水混合物,污泥容易堵塞傳統(tǒng)沖洗水槽下料口,本設(shè)計在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上對此部分進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,增設(shè)泥水分離裝置,以保證廢水正常排放,見圖8。
2.5沼氣系統(tǒng)
沼氣產(chǎn)量與污泥有機質(zhì)含量有關(guān)。沼氣產(chǎn)量為6.84~11.62萬m3/d,根據(jù)消化系統(tǒng)產(chǎn)生的氣量不同,沼氣可以經(jīng)過球形雙膜氣柜緩存,或進(jìn)入脫硫設(shè)備處理后送至沼氣鍋爐房和發(fā)電機房利用。沼氣系統(tǒng)主要由球形雙膜氣柜、干式脫硫設(shè)備、燃燒器、鍋爐發(fā)及電機房組成。
2.5.1球形雙膜氣柜
球形雙膜氣柜共3座,體積按平均日氣量25%進(jìn)行設(shè)計,每座儲氣量8500m3,工作壓力1.5kPa。氣柜頂部設(shè)超聲波探頭以測算沼氣儲量,氣柜沼氣管路上設(shè)有水封結(jié)構(gòu)的安全閥,以保護(hù)內(nèi)膜不超壓。
2.5.2干式脫硫塔
干式脫硫設(shè)備共4組,每組2座脫硫塔,單座處理能力1000m3/h。干式脫硫塔采用高效氧化鐵作為脫硫劑。進(jìn)口H2S濃度小于1000ppm,處理后沼氣內(nèi)硫化氫含量小于50ppm,送至沼氣鍋爐發(fā)電機房。
2.5.3燃燒器
本工程燃燒器為自動控制暗火式燃燒器。燃燒器燃燒溫度在500~1200℃,主要在沼氣利用系統(tǒng)方式出現(xiàn)故障、或不能利用全部沼氣時,燃燒掉系統(tǒng)內(nèi)部分或全部沼氣。設(shè)燃燒器3臺,單臺處理能力1600Nm3/h,進(jìn)氣壓力0.5~1kPa。
2.5.4沼氣鍋爐及發(fā)電機房
沼氣鍋爐及發(fā)電機房設(shè)置燃?xì)?沼氣雙燃料蒸汽鍋爐4臺,3用1備,單臺制備蒸汽能力為6t/h,蒸汽壓力1.25MPa,所產(chǎn)生的蒸汽供熱水解及廠區(qū)采暖使用。多余沼氣可用于發(fā)電,依據(jù)季節(jié)的變化,用于發(fā)電的沼氣量為總產(chǎn)氣量的33%~36%,約3.36~3.84萬m3/d,可發(fā)電量為3630~4148kW,進(jìn)行測算可滿足泥處理中心31.8%~36.2%的用電量。
3運行效果
本項目已于2017年10月初試運行,試運行以來各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。其中:沼氣產(chǎn)率(有機質(zhì)含量約65%)為288~302m3/tDS,泥餅pH7.0~7.5;泥餅含水率不大于60%;處理后H2S濃度為不大于45ppm。
4結(jié)論
熱水解-厭氧消化-板框脫水工藝實現(xiàn)了污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化的處理目標(biāo),符合我國能源節(jié)約和清潔能源的發(fā)展戰(zhàn)略。該工程的實施運行,使熱水解厭氧消化工藝在污泥集中處理工程建設(shè)中具有可行性,同時為類似工程的設(shè)計建設(shè)及運行提供了借鑒。
微信對原文有刪減。原文標(biāo)題“北京市高安屯污泥處理中心工程設(shè)計及優(yōu)化”;作者:劉議安、田宇、馬遷、黃鷗;作者單位:北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司北京城市排水集團有限責(zé)任公司?怯凇督o水排水》2018年第8期。