武汉汉西污水处理厂服务范围由汉口西部地区以及东西湖东部地区两大部分组成, 其中汉口西部地区包括长丰南北垸排水系统和机场河排水系统, 涉及的行政区包括江汉区和硚口区;东西湖东部地区包括吴家山新城、泛金银湖组团、杜公湖组团和柏泉镇, 汉西污水处理厂的总服务面积为176.7km², 服务人口为172.5万人。污水处理厂扩建后规模为60万m³/d, 出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准。

　　 为解决污泥带来的严重后果以及二次污染, 汉西污水处理厂在扩建同时需要建成并运行污泥处理设施, 污泥处理处置工作要达到“减量化、稳定化、无害化、资源化”的总体要求, 才能使得汉西污水处理厂及武汉市的污泥处理达到国家相关政策及法规的要求。

　　 根据汉西污水处理厂处理规模、进出水水质、污水处理工艺, 设计污泥处理处置工程设计规模近期325t/d (以含水率80%计, 下同) , 远期435t/d。

　　 根据周边的污泥消纳条件, 汉西污水处理厂污泥最终处置方式为土地利用, 即选绿化介质土、林地土壤改良剂作为污泥的消纳方式。汉西污泥处理工程采用“工程总承包+托管运营”商业模式, 由专业公司对最终产品进行市场营销, 目前污泥成品采用多元化的出路模式, 主要用于武汉市区域园林绿化营养用土;同时运营公司通过与有机肥料生产公司合作, 将污泥产品加工成有机肥料, 作为湖北省内其他城市园林绿化营养用土使用。

　　 根据汉西污水处理厂现状脱水污泥泥质情况, 并综合考虑到汉西污水收集系统的完善程度及建设规划、区域社会经济文化发展、人民生活水平的提高对于进水水质的影响, 并参考武汉市各已运行污水厂污泥泥质, 确定本项目设计进泥泥质如下:含水率80%, pH6.5~8.5, 有机质300 g/kg干基, 总氮20g/kg干基, 总磷15g/kg干基, 总钾4g/kg干基, 总镉3g/kg干基, 总汞1g/kg干基, 总铅60g/kg干基, 总铬150g/kg干基, 总砷35g/kg干基, 总铜250g/kg干基, 总锌1 000g/kg干基, 总镍50g/kg干基, 总氰化物1g/kg干基, 矿物油1 500g/kg干基, 苯并 (a) 芘0.5g/kg干基, 热值2 000kcal/kg干基。

　　 汉西污水处理厂污泥处理采用CTB智能好氧发酵工艺, 通过智能好氧发酵控制系统进行温度和氧气等参数的实时在线监测和反馈控制。经过无害化处理的发酵产物将进行资源化土地利用, 用于园林绿化等行业。

　　 污泥处理具体流程见图1。待处理的脱水污泥与辅料通过混料机进行预混, 再由自动进出料设备送入发酵仓;混合料与发酵仓底部留存的腐熟物料 (返混料) 在匀翻机的翻抛过程中充分混合, 调节物料的水分、孔隙率、C/N值等参数到适宜范围, 之后由控制程序和匀翻机完成污泥好氧发酵过程;发酵过程结束后自动进出料设备将发酵仓上层物料运出, 底部留有约1m厚度的腐熟物料用于下次发酵的返混料, 运出的腐熟物料经过筛分, 并根据粒径大小用于不同的资源化方向。

　　 混料后物料的性状直接影响发酵效果的好坏。通常进厂污泥具有含水率高、孔隙率低等特点, 脱水污泥在好氧发酵前必须与调理剂和膨松剂进行混合、破碎, 进行适当的预处理, 以调节适宜的含水率、碳氮比等参数。混合破碎后物料的含水率为60%~65%, 有机质含量≥35%, 碳氮比为20∶1~30∶1, 调理剂和膨松剂的选择因地制宜, 可以利用剪枝、落叶等园林废弃物和秸秆、木屑、锯末等有机废弃物, 或利用已发酵的熟料作为返混料。添加比例要适中, 过低会影响发酵效果, 过高会增加运行成本。本项目拟采用秸秆和蘑菇渣作为辅料 (调节剂和膨松剂) , 辅以返混料 (发酵成品) 作为接种剂, 辅料、腐熟污泥和脱水污泥经合理配比混合后形成含水率为60%~65%的混合物料, 然后进入高温好氧发酵槽进行高温发酵处理。

　　 本工程物料平衡如图2所示, 日处理污泥量325t, 进厂含水率为80%的污泥与有机辅料、返混料混合, 混合均匀后物料530t, 含水率约62.2%, 经过高温好氧发酵, 物料水分蒸发及有机质降解挥发241.4t, 充分腐熟后物料含水率降低到40%左右, 物料发酵完成后的重量为288.6t/d, 其中约155t/d的发酵成品用作返混料与脱水污泥混合, 剩下的约133.6t/d发酵成品进行资源化利用。

　　 污泥均质池1座, 将初沉池污泥、剩余污泥进行混合均匀。污泥浓缩脱水机房1座, 尺寸为L×B×H=53.3m×18.9m×12.4m, 土建按远期435t/d规模建设, 设备按近期325t/d规模安装, 进泥含水率99%~99.3%, 出泥含水率≤80%。主要设备采用离心浓缩脱水一体机7套 (6用1备) , 单机处理能力为60~100 m³/h, 配套设备包括进泥螺杆泵、污泥切割机、絮凝剂制备装置水平无轴螺旋输送机等。脱水后的污泥经缓冲料斗缓存后通过污泥柱塞泵输送至污泥好氧发酵车间的污泥料仓, 柱塞泵输送能力为Q=30 m³/h, 扬程为12 MPa, 1用1备。

　　 汉西污泥处理构建筑物采用组合式建筑, 设置污泥好氧发酵车间1座, 根据污泥处理工艺流程, 整个发酵车间分为污泥进料系统区域、发酵系统区域、成品系统区域和配电管理区域等4个区域 (见图3) 。污泥好氧发酵车间总占地面积为15 170m², 发酵车间主体为一层, 部分区域带地下一层和地上两层, 建筑总高度为13.1m。

　　 污泥进料系统设置在地下一层和地面一层, 总占地面积为1 055m², 地下层高度为6.5m, 地面一层高度为8m。污泥进料系统主要是在污泥入发酵仓前, 先对污泥进行预混料, 该环节将含水污泥、辅料及返混料送至混料机中混合, 混合后的物料由皮带输送机送至缓存料仓。污泥料仓主要包括2组污泥料仓 (有效容积200m³) 、2组辅料料仓 (有效容积160m³) 、2组返混料料仓 (有效容积160m³) 和2组缓存料仓 (有效容积30m³) 。湿污泥通过柱塞泵输送至污泥料仓、返混料料仓和缓存料仓进出料均通过皮带输送机输送, 辅料通过车辆运送至混料区, 倾倒入辅料料仓。主要设备包括各料仓配套出泥装置, 皮带输送机, 混料机2台, 单台混料机混流能力为90m³/h。

　　 污泥好氧发酵系统对混合料进行发酵, 降低物料含水率, 实现物料无害化和稳定化。污泥好氧发酵系统设置在地面一层, 总占地面积为12 450m², 地面一层高度为8 m。污泥好氧发酵系统共设置24组好氧发酵槽, 发酵槽长69m, 宽5m, 发酵污泥堆体高度为2 m, 发酵周期20天, 发酵温度55~70℃, 堆体氧浓度不小于8%。每个发酵槽下部设置2条鼓风仓, 利用风机对污泥进行鼓风曝气。主要设备包括自动进出料机及配套移行车2套, 取料能力150 m³/h, 行走速度0~15 m/min, 料仓容积30m³, 卸料时间10s, 功率65kW;翻抛机及配套移行车2套, 翻抛能力≥800 m³/h, 行走速度0~10m/min, 最大翻抛深度2 m, 最大抛出距离2.5m, 功率130.5kW;鼓风机48套 (每槽2套) , 鼓风量6 300m³/h, 风压7 600Pa, 功率18.5kW。

　　 污泥成品系统对腐熟物料进行筛分, 并根据粒径大小用于不同的资源化方向。污泥成品系统设置在地面一层, 总占地面积为1 665m², 地面一层高度为8m, 成品仓库可以存储8天的成品, 主要设备包括筛分机1套, 处理干泥能力60m³/h。

　　 污泥好氧发酵车间采用生物除臭滤池对臭气进行处理, 使排放气体指标满足《恶臭污染物排放标准》 (GB 14554一93) 二级标准及《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 废气排放厂界二级排放标准。除臭总风量400 000Nm³/h, 共设置3套生物除臭滤池, 其中1#、2#生物除臭滤池处理能力均为120 000Nm³/h, 3#生物除臭滤池处理能力均为160 000Nm³/h。生物除臭滤池设置在发酵车间一层屋顶。

　　 污泥处理系统的管理用房包括管理人员办公、化验、会议、控制室等, 设置在污泥好氧发酵车间的二层, 面积约780 m²;污泥处理系统的配电室设置在成品系统上部, 面积约146m²。

　　 CTB智能控制高温好氧发酵技术发酵过程为静态发酵 (主发酵) 与动态发酵 (后熟发酵) 相结合的组合工艺, 可以自动监测好氧发酵过程和自动优化发酵工艺参数, 避免人工操作的失误, 充分保证堆肥的成功率, 提高物料的腐熟度。

　　 好氧发酵过程中对温度、氧气等关键因素的控制直接关系到发酵效果的好坏。由于好氧发酵是一个复杂的生化过程, 不能简单地设定参数的范围, 而是要根据每个阶段的不同需求进行智能控制。

　　 本工程采用静态鼓风供氧和动态翻抛补氧这种“动+静结合”的供氧方式, 在发酵初期, 物料湿度大、处于热量累积和持续高温的阶段, 堆体保持静止状态;设置在料仓气室的温度、氧气复合探头自动升起插入堆体中, 启动发酵程序, 主发酵过程中根据温度、氧气在线监测探头采集的堆体的温度、氧气状况等数据经信号采集器输入计算机控制系统, 实时反馈控制鼓风曝气的强度和时间, 既保证高效的好氧发酵状态, 避免厌氧环境的产生, 减少臭气的释放, 又降低了能耗。后熟期为改善堆体的水分分布与物料性状, 采用曝气加翻抛混匀物料的方式, 促进二次发酵。

　　 对此项目发酵过程的控制是基于对堆体物料发酵状态的合理监测, 并根据堆体内部的发酵状态, 实时调整鼓风的自动反馈控制模型, 另外, 控制系统还包括对混料、臭气处理等环节的自动控制。具体内容包括温度-氧气耦合反馈控制发酵子系统、混料设备运行监控子系统、臭气监测与反馈控制子系统、工厂化运行管理控制子系统等。

　　 通过温度、氧气实时在线监测系统和堆肥自动控制系统, 可以根据堆体的温度、氧气、耗氧速率、不同发酵阶段所需的不同参数等调节控制曝气速率、曝气时间和曝气量, 实现生物好氧发酵的全过程控制, 以满足并达到微生物培养阶段、快速升温阶段、持续高温阶段、降温脱水等四个阶段的不同温度、氧气需求量。通过在线监测进行反馈调节, 实现对整个好氧发酵过程的控制, 减少能量消耗, 大幅度减少碳排放, 同时保证工艺稳定性、发酵产品的质量。

　　 本工程拟在发酵仓的每个气室设置1个温度氧气复合探头, 混合物料入仓发酵过程启动后探头自动插入到堆体中, 在升温期和高温期收集堆体氧气参数, 及时反应堆体氧气含量状况, 为鼓风机及电动阀的启闭提供依据。自动插拔式温度氧气复合探头设备精度高, 抗干扰能力强, 运行稳定可靠, 无需人员进入发酵区进行操作。

　　 发酵系统臭气采用“以过程控制为主, 末端除臭为辅”的方式。发酵过程会产生一定的氨气等恶臭气体, 为保证厂区具有良好的卫生条件, 除臭系统是污泥处理不可或缺的一个单元, 整个工程的臭味控制与去除主要通过以下三个步骤得以保证。首先在物料混合阶段要保证物料充分均匀混合, 物料混合系统设有集中控制平台, 可根据不同物料的特性实现实时调控, 保证混合物料满足工程设定要求;其次, 通过好氧发酵实时在线控制系统保证堆体氧气的合理供应, 避免堆体处于厌氧状态, 即可减少臭气的产生;最后, 发酵车间内安装有环境监测探头, 通过除臭监测系统自动控制除臭系统的启闭, 当臭气浓度超过监测限值, 即启动生物除臭装置, 好氧发酵产生的臭气得以集中处理, 从而保证除臭系统的高效运行并大幅度降低能耗和运行费用。

　　 为方便自动进出料机和匀翻机等设备在各发酵仓间的转运并避免发酵气体的外溢, 在发酵车间每2个发酵仓封闭设置为1个臭气收集单元, 从而保证收集单元在保持一定的负压的情况下集中抽气, 提高了臭气收集系统的工作效率。并且每个除臭单元内设1个硫化氢监测探头、1个氨气监测探头, 自控系统通过监测探头对发酵仓内部的臭气量进行实时在线监测。

　　 汉西污水处理厂污泥处理工程处理规模为325t/d, 污泥好氧发酵车间占地为15 170m², 总建筑面积为17 761m², 其中主厂房面积为16 835m², 附属车间面积为146 m², 办公楼面积为780 m²。污泥发酵系统工程总造价为10 600万元, 则脱水污泥的投资成本为32.62万元/t。工程直接运行成本主要包括电费、油费、人工费和调理剂费用等, 脱水污泥的直接运行成本为112~178元/t (不含设备折旧费) 。

　　 汉西污水处理厂污泥处理工程采用CTB智能控制高温好氧发酵技术, 具有以下优点:

　　 (1) 好氧发酵产品质量稳定, 符合国家相关标准。好氧发酵过程对细菌、病毒、杂草种子等有害物质的杀灭率极高, 污泥发酵产品符合国家标准和最终处置要求。

　　 (2) 工艺技术自动化、智能化程度高。实现了好氧发酵稳定化处理的计算机自动测控硬、软件技术, 使复杂的好氧发酵处理过程彻底简单化, 可以实现无人值守和故障的自我诊断, 同时可以保证工艺的高效、稳定运行, 确保产品的质量稳定并满足国家肥料行业的相关标准。

　　 (3) 工艺过程快速、稳定。高温发酵过程温度、氧气等重要参数的实时在线监测探头和计算机自动测控系统, 优化了好氧发酵过程中的温度和氧气调控, 实现了生产过程的工业化自动测控, 可以保障好氧发酵过程稳定、快速。

　　 (4) 可减少返混料的倒运。该工艺摒弃了常规污泥好氧发酵工程需要将回流腐熟物料先从发酵槽中取出再进行混料的这一过程, 自动进出料机出料时仅取走发酵槽上层物料, 底部仍留有部分腐熟物料用于下个发酵周期的回流物料, 极大程度上减少了物料的输送过程。

　　 (5) 运行成本和能耗低。CTB工艺的每一个环节均进行了人性化操作和节能降耗等目标的设计, 全过程实时监测、反馈控制, 以期达到降低运行成本的目的。

　　 汉西污水处理厂污泥处理工程采用CTB智能控制高温好氧发酵技术, 处理后污泥作为园林绿化介质土、林地土壤改良剂进行资源化利用。发酵过程通过堆体温度、氧气实时在线监测系统, 采用鼓风机曝气为主、匀翻机匀翻后熟为辅的供氧方式, 保证了堆体的好氧状态, 降低了恶臭气体的产生, 通过好氧发酵自动控制系统实现污泥处理系统自动运行, 降低了污泥处理运行成本和能耗。