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    從洛陽污泥兩期工程設計看中國污泥堆肥技術變遷與發展趨勢

    2018-09-30 09:04:17來源:給水排水 王濤 閱讀量:20936

      【中國環保在線 環保示范】洛陽污泥一期、二期工程時間跨度近10年,為數據分析與經驗積累提供了難得的機遇。分別對洛陽污泥兩期工程概況、工藝流程、工程設計、設計特點進行了詳細闡述,并對核心設計參數進行了對比。總結了我國污泥堆肥技術從始至今經歷的三個階段,介紹了洛陽污泥兩期工程在其中的位置,以及每一階段堆肥技術總體發展趨勢。
     
      前言
     
      洛陽市污泥處理廠源自洛陽瀍東污水處理廠污泥無害化處理工程,也稱洛陽污泥一期工程,自2007年投運至今已超過10年。該項目創造了多項 “第一”:中國第一座200 t級污泥堆肥項目,第一座利用外國政府貸款建設的污泥處理項目,同時還是業內著名的德國BACKHUS系統在中國的第一個應用案例。
     
      隨著社會發展速度的加快,為適應環境與需求的變化,洛陽污泥處理廠進行了改擴建工程,并于2014年底完工投入使用,也稱洛陽污泥二期工程。該項目第一次由完全自主知識產權國產堆肥系統完整替代進口系統,同時也是唐山城市污泥處理工程后國產SACT系統又一應用范例。洛陽污泥一、二期工程時間跨度近10年,設計均由機科發展公司承擔,這也從設計意圖根源上為數據分析與經驗積累提供了難得的機遇。
     
      1洛陽污泥一期工程設計

      1.1項目概況
     
      洛陽瀍東污水處理工程污泥無害化處理項目是瑞典政府貸款項目——洛陽瀍東污水處理工程配套項目,主要解決瀍東污水處理廠和澗西污水處理廠(部分)脫水污泥無害化處理問題。項目建設地點位于洛陽市區北部邙山嶺,距市區規劃區邊緣8 km,廠址距最近的水口村村民居住地約2 km,距北郊機場1 km,距離瀍東污水處理廠20 km左右。廠址地勢較高,四周空曠,通風條件較好。
     
      項目處理規模為228 t/d(含水率82%),總占地面積126 152㎡。建設內容包括污泥晾曬車間、好氧堆肥車間、營養土造粒車間、營養土存放庫、成品及原料存放庫等車間設施。項目于2006年開工建設,2007年12月投入運行。
     
      1.2 工藝流程
     
      項目采用動態(翻堆曝氣)條垛堆肥工藝,核心設備采用德國BACKHUS車式翻堆機,并設置了較為完善的營養土造粒(制肥)系統,工藝流程如圖1所示。

      1.3工程設計
     
      項目主要處理設施包括污泥機械翻堆晾曬車間16座,好氧堆肥車間1座,營養土造粒車間1座,營養土存放庫1座,成品及原料存放庫1座。
     
      1.3.1污泥機械翻堆晾曬車間
     
      (1)晾曬處理工序描述。每天將從污水處理廠運來的228 t脫水污泥運至晾曬車間,用專用晾曬翻堆設備將污泥鋪平,經過15 d的自然晾曬,使脫水污泥含水率由82%降到65%,體積減容約一半,以便于與其他干料混合后堆肥。晾曬過程完全依靠太陽能以及晾曬翻堆設備作用,通過翻動增大污泥水份蒸發面積和蒸發速率來降低污泥的含水率。
     
      (2)晾曬車間的設計。該項目晾曬車間設計如采用污泥晾曬停留時間15天,污泥鋪攤厚度為15 cm,校核晾曬車間總面積為28500 ㎡,按照晾曬車間總面積39680 ㎡則污泥鋪攤厚度約為11 cm,滿足要求。因此最終確定晾曬車間總面積為39680 ㎡。
     
      共設置16個晾曬車間,每個車間的平面尺寸為62 m×40 m,面積為2480 ㎡。
     
      1.3.2好氧堆肥車間
     
      污泥經過太陽能干化后,每天將有117 t晾曬污泥通過載重車運輸進入堆肥車間相應位置,裝載機按照比例添加干料、熟料并將混合物料整理成條垛,之后采用車式翻堆機定期將物料翻堆、打散,發酵最高溫度可達70 ℃,污泥中的病原體、雜草種子等被殺死,經過15 d左右的充分好氧發酵,污泥含水率降到35%左右,顆粒小于15 mm,實現污泥減量化、無害化的目的。
     
      車間工藝尺寸:162 m×48 m×9 m;停留時間:15 d;翻堆頻率:1次/2 d——1次/d。
     
      1.3.3營養土造粒車間
     
      好氧堆肥后的產物(營養土)含水率在35%左右。為了利于用戶施用,以及便于儲存及運輸,將部分營養土送入營養土造粒車間制成顆粒,顆粒含固量≥90%,顆粒形狀為球狀;粒徑3——8 mm。項目設計日產成品顆粒為24 t,年產8 400 t規模。
     
      1.3.4營養土存放庫
     
      好氧堆肥后的污泥經無害化處理后,部分通過自卸車運到該存放庫,根據需要每天進庫量32 t。營養土存放庫總建筑面積為1 440 ㎡,尺寸40 m×36 m×6.8 m。營養土存放高度為2 m,儲存周期約為60 d。
     
      1.3.5成品及原料存放庫
     
      營養土造粒車間每天生產24 t營養土顆粒,存放于成品及原料存放庫,總建筑面積為1 008 ㎡,尺寸42 m×24 m×6.8 m。成品為25 kg、50 kg兩種袋裝產品,通過叉車堆放高度可達4 m,儲存周期為60 d。剩余面積用于存放干料。
     
      1.4 設計特點
     
      (1)簡潔的工藝流程。項目工藝流程簡潔,管理水平要求較低,系統可靠性較高,抗沖擊負荷能力較強。
     
      (2)自然晾曬前處理工序。自然晾曬作為好氧堆肥前處理工序,具有減量化程度高、運行成本低等優勢,在用地和自然條件允許的情況下,自然晾曬是經濟有效的堆肥預處理技術;與傳統自然晾曬系統相比,洛陽項目采用全FRP屋面板晾曬車間,自然氣候適應性和運行可靠性明顯提高。
     
      (3)封閉式大跨度堆肥車間和車式翻堆機的應用。動態條垛式堆肥工藝在國外多為露天條件下采用,洛陽項目同樣基于自然氣候適應性和運行可靠性的考慮,并根據車式翻堆機的特點設計了封閉式大跨度堆肥車間,162 m的車間長度和136 m的條垛長度使翻堆機盡量直線運行,減少挑頭作業,提高設備有效利用率,并且在增加車間封閉性的前提下,最大程度適應設備使用條件。
     
      (4)完善的制肥系統。項目設置了完善的營養土造粒生產線,可以生產有機顆粒肥,略加改造即可滿足有機無機復混肥料生產要求,并且設置了專門顆粒肥料庫房。
     
      2 洛陽污泥二期工程設計

      2.1項目概況
     
      洛陽市污泥處理廠改擴建工程主要解決瀍東污水處理廠、澗西污水處理廠和新區污水處理廠近期脫水污泥無害化處理問題,此外大幅度提升了自動化程度和二次污染控制水平,項目建設地點位于一期工程內。
     
      項目處理規模為328 t/d(含水率82%),包含新建原料接收間、污泥發酵車間、生物除臭濾池、原料庫、污泥成品庫、變配電間、消防水池及泵房、地量衡與計量間等車間設施。項目于2013年開工建設,2014年11月投入運行。
     
      2.2工藝流程
     
      項目采用SACT隧道倉堆肥工藝,核心設備采用國產F5.110翻堆機,并增設了專用生物除臭系統,工藝流程如圖2所示。

      2.3工程設計
     
      項目新建處理設施包括原料接收間1座,污泥發酵車間1座,生物濾池2座,原好氧堆肥車間被作為二次發酵車間,原部分晾曬車間被作為原料堆棚,原營養土造粒車間繼續使用。
     
      2.3.1原料接收間
     
      項目共設置1座原料接收間,平面尺寸為27.64 m×10.8 m,地上7.65 m,地下5.7 m。
     
      含水率80%的市政污泥通過污泥自卸汽車運輸到原料接收間中的污泥料倉,污泥料倉是地下式,鋼筋混凝土形式,共2座,單座污泥料倉的有效容積為52.5 m³。污泥料倉下設液壓閘板閥,用以控制污泥下落量。污泥通過料倉下滑至料倉底部的計量螺旋輸送機中,然后落入污泥及秸稈進料皮帶輸送機,最終運送至位于物料混合區內的混料機中。
     
      秸稈粉等干料通過自卸汽車運輸到原料接收間中的干料料倉,干料料倉與污泥料倉結構、尺寸、數量相同,倉下部設液壓閘板閥,用以控制秸稈下落量。干料通過料倉下滑至料倉倉底的計量螺旋輸送機中,然后落入污泥及干料進料皮帶輸送機,最終運送至位于物料混合區內的混料機中。
     
      2.3.2污泥發酵車間
     
      項目設置污泥發酵車間1座,平面尺寸為:221.62 m×70.50 m,高9.7 m。污泥發酵車間是整個高溫好氧發酵工藝的核心部分,分成物料混合區、好氧發酵倉區和卸料區三個主要區域。
     
      (1)物料混合區。污泥與干料由原料接收間內的皮帶輸送機輸送至混料機中。返混料通過卸料皮帶機輸送至返料料倉,在返料料倉下設有計量螺旋定量配料至混料機進料皮帶輸送機中,然后通過皮帶機輸送至混料機中。上述三種物料在混料機內完成混料過程后,含水率60%的混合物料由混料機出料皮帶輸送機輸送至布料皮帶輸送機,利用布料皮帶輸送機上的犁式卸料器,實現每個發酵槽的均勻進料,完成自動進倉過程。
     
      (2)好氧發酵倉區。混合均勻的物料在好氧的條件下,進行高溫好氧發酵。倉底部布置有曝氣系統,采用數量眾多的小型鼓風機對發酵槽的不同區域,也針對發酵不同的反應階段,進行分區域精確供氧,以控制發酵的工藝反應過程。物料從倉內一側向另一側移動,在翻拋物料的同時,打碎物料顆粒,保證均勻性,且有效蒸發水分,最終實現從發酵倉一端出料的工藝運行效果。翻拋機的工作時間與物料阻力特性相關,但須確保每個發酵倉中的物料每天翻拋1次的工藝要求。翻拋機在布料皮帶機布料之前完成物料的翻拋,為混合后的混合物料進料做好準備。物料在發酵倉內通過好氧生化反應,降解有機物的同時釋放大量的生物熱,嗜熱菌種不斷大量繁殖,濕污泥中的水分得到蒸發。好氧發酵倉區分兩個處理系列,每個處理系列設置16個發酵倉,每個發酵倉的尺寸為:54 m×5.02 m×4.5 m。
     
      (3)卸料區。物料從發酵倉一端出料后通過皮帶輸送機輸送到返料料倉,其中一部分物料做為發酵產物進入下一工序;另一部分物料做為混料組分之一,由皮帶機輸送至返料料倉,進而輸送至混料機,與進料的市政污泥和干料按設計比例進行混合。污泥發酵車間安裝的主要設備包括:布料皮帶輸送機、翻拋機、轉倉機、鼓風機和布氣系統、卸料皮帶機、混料機和返料料倉等。
     
      2.3.3生物除臭濾池
     
      項目設置生物除臭濾池2座,單座處理量Q為28萬m³/h,生物除臭濾池尺寸40.3 m×25.3 m×5 m。生物濾池中填料主要為有機-無機復合填料,填料高度為1.7 m。
     
      每座生物除臭濾池設置離心風機4臺,設備性能參數:Q=7萬m³/h,風壓P=2 300 Pa,N=75 kW;設置循環水泵14臺,設備性能參數:Q=100 m³/h, H=32 m,N=15 kW。
     
      2.4設計特點
     
      (1)隧道式發酵倉與F5.110翻堆機。F5.110 翻堆機的特殊設計使發酵倉形成與翻堆機尺寸匹配且周圈封閉的矩形斷面隧道,臭氣收集容易;自由空間極大壓縮,臭氣收集動力消耗降低。
     
      (2)生產車間采用機械-建筑協同理念設計。“機械-建筑協同設計”(簡稱MCCD)就是在整個建(構)筑物設計中融合建筑設計與機械設計理念、方法、過程,使機械與建筑設施共同完成建(構)筑物功能的設計過程。通俗地講就是將建(構)筑物看作一臺設備,土建設施作為殼體或結構支撐件,機械作為運動部件。MCCD可以極大壓縮系統無效空間,對堆肥系統除臭具有積極意義,并且在保障性能的前提下降低投資、減少占地面積。MCCD首先做到“機械設計建筑化”。在核心非標機械設計過程中,充分考慮到土建施工精度極限,在確保性能的前提下排除不必要的精度要求。MCCD其次要做到“建筑設計機械化”,在工程設計中充分考慮與機械的配合。
     
      (3)臭氣收集系統引入FLUENT輔助設計。在洛陽項目中根據設計參數建立模型,通過FLUENT模擬驗證實施效果,為尋找最佳通風量與最經濟通風量的結合點提供了量化參考依據。
     
      (4)多段曝氣與多種控制模式。項目采用動態槽式曝氣,為優化工藝運行控制,每條發酵槽采用4臺鼓風機進行4階段曝氣,并且曝氣系統可以根據實際情況在時間模式、溫度模式等多種模式間自由切換。
     
      (5)自動布料與出料系統。項目參考了沈陽市污水處理廠污泥處理工程布料系統的特點,采用犁式卸料器完成卸料工序;項目參考了唐山城市污泥處理工程出料系統的特點,采用轉倉機導流板與皮帶輸送機配合完成出料工序。
     
      3 兩期設計核心參數對比
     
      洛陽市污泥一、二期工程設計核心參數對比見表1。

      4 中國污泥堆肥技術變遷與發展趨勢

      中國污泥堆肥技術從始至今經歷了三個階段:
     
      (1)1998——2007年。這一階段是中國污泥市場萌芽階段,也是污泥堆肥技術的起步階段。1998年,隨著唐山西郊污水處理廠污泥堆肥項目正式投入運行,中國污泥堆肥行業正式開啟序幕,之后北京密云、太原楊家堡、北京龐各莊、太原河西北中部、唐山西郊二廠等污泥堆肥系統先后運行,但技術處于模仿、探索階段,處理規模較小,市場需求尚未形成。
     
      這一階段堆肥技術總體圍繞翻堆機等專用設備研發,呈現機械化發展趨勢。
     
      (2)2007——2009年。這一階段雖然時間短暫,但是中國污泥堆肥市場形成的關鍵時期,國家相關技術政策密集出臺:2007——2009年,住建部頒布實施了《城鎮污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》(CJ248-2007)、《城鎮污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質》(CJ/T 291-2008)、《城鎮污水處理廠污泥處置 農用標準》(CJ/T 309-2009)等8部污泥處理處置相關標準;2009年2月,住建部、環保部、科技部聯合發布了《城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策(試行)》。
     
      污泥市場被迅速激活,但在國內堆肥技術相對于大規模集中處理尚未成熟的情況下,德國BACKHUS系統以其簡單、便捷和高可靠性等特點進入中國并迅速占領市場,洛陽污泥一期項目就是在這一背景下完成并投入使用的,與之類似的還有2008年投運的北京龐各莊二期項目、廈門項目,以及2009投運的鄭州市八崗污泥處理廠項目。這一階段堆肥技術總體圍繞工藝呈現規模化發展趨勢。
     
      (3)2009年至今。這一階段是中國污泥市場發展成熟階段,隨著技術政策的逐步落實,市場快速形成,堆肥技術也呈現百花齊放的特點:2009年秦皇島市綠港污泥處理廠第一套國產CTB系統投入使用;2011年唐山城市污泥處理項目第一套國產SACT系統投入使用,并創造了平行雙層系統的先例;2012年沈陽城市污泥處理項目IPS系統投入使用,創造了世界同類項目處理規模之最。隨著污泥堆肥技術的快速發展、日臻完善,早期堆肥系統存在的技術問題逐漸凸現出來,系統地改造提升也隨之展開,洛陽污泥二期也正是在這一背景下立項、建設、投入運行。
     
      這一階段堆肥技術總體呈現規模化、精細化發展趨勢。
     
      5 結語
     
      污泥堆肥系統運行環境一般呈現高溫、高濕、腐蝕性特點,因此從目前的運行經驗來看,平均改造周期為10年。洛陽污泥二期工程已正式運行超過三年,利用原來1/3的面積將處理能力提升近50%,在高自動化水平的前提下展現了系統的可靠性,同時展現了項目良好的經濟性。項目所采用的技術和模式為今后陸續到達改造周期時點的污泥堆肥項目提供了一個不錯的參考。
     
      微信對原文有刪減。原文標題“從洛陽污泥兩期工程設計看中國污泥堆肥技術變遷與發展趨勢”;作者:王濤;作者單位:機械科學研究總院環保技術與裝備研究所、機械工業有機固廢生物處理與資源化利用工程技術研究中心。刊登在《給水排水》2018年第9期。
     
    原標題:從洛陽污泥兩期工程設計看中國污泥堆肥技術變遷與發展趨勢 

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