北京市城区污水处理厂日产污泥约6 000多t (含水率按80%计) , 本着大厂污泥就近在厂内进行处理, 中小厂污泥外运进行集中处理的原则, 高碑店、小红门、槐房、清河二等大厂在厂内建设污泥处理厂处理本厂污泥。其他厂的污泥 (主要为海淀区、朝阳区部分污水处理厂) 外运至高安屯污泥处理中心进行处理, 处理规模约1 850t/d (含水率按80%计) , 有机质含量55%~70%。采用热水解+厌氧消化+板框脱水工艺, 处理后的污泥含水率为60%, 可作为园林、林地等用泥。该工程的实施强化了污泥稳定化、减量化、无害化和资源化的处理目标。

根据现有标准, 并参考今后污泥土地利用的要求, 确定污泥处理标准见表1。

工艺流程及平面布置详见图1、图2。

外厂污泥 (约1 700t/d) 送至污泥处理中心, 与高安屯再生水厂的部分剩余污泥混合浆化, 含水率调制85%左右进入热水解系统, 出泥经稀释和冷却, 达到含水率90%~92%和温度53℃左右, 进入厌氧消化池进行消化, 消化后的污泥脱水到含水率60%以下外运。脱水滤液收集处理后排入厂区污水管道。产生的沼气经脱硫处理送至沼气锅炉发电机房, 锅炉燃烧沼气产生的蒸汽供热水解使用, 其余沼气可用于发电。

污泥接收系统由卸料间、污泥接收车间组成, 设置接收仓4套, 单套容积130 m³, 缓冲料斗及双螺旋输送机4套, 柱塞泵4套, 单套输送能力75m³/h, 压力64bar (1bar=0.1 MPa) 。

传统的设计存在一定缺陷, 其一, 泥车卸泥时部分污泥堆积在卸料平台, 积泥从缝隙掉入下部空间, 既影响环境, 也不利于运行管理;其二, 由于出泥管压力大, 且输送污泥含固率高, 会出现泥管检修的可能, 柱塞泵后出泥管为埋地管, 埋深通常在7 m左右, 造成检修维护困难且费用高 (如图3所示) 。

高安屯污泥接收系统对此部分进行设计优化, 在卸泥处增设混凝土钢板并设置一定坡度, 既可对泥车进行限位, 也杜绝积泥现象。同时在接收车间外墙设置管道井, 管道井与车间相通, 泥管经管道井直接接出地面, 检修维护方便, 维护费用低 (如图4所示) 。

污泥热水解系统由污泥缓存料仓间、热水解单元及热交换车间组成。

污泥缓存料仓目的是储存污泥接收车间及水厂浓缩污泥。设置4座料仓, 单座有效容积为400m³, 料仓包含雷达波料位计、破拱滑架、卸料螺旋、液压动力站等配套设备。

热水解单元目的加强污泥的生物可降解性, 提高消化池产气率, 杀灭病菌和蛔虫卵, 实现了污泥的无害化。热水解的蒸汽由沼气锅炉供应, 蒸汽消耗为0.95~1.2m³/tDS。热水解单元由4条处理线组成。每条线处理能力为93tDS/d, 含浆化罐1个, 容积42m³;反应罐6个, 单个容积12.5m³;闪蒸罐1个, 容积42m³。设计反应周期为120~165min。

热交换车间作用是将热水解单元处理后的污泥进行冷却和稀释处理。内设一次换热器4台, 单台散热量1 150kW, 热泥流量47.6m³/h;冷却水换热器, 2台, 单台散热量3 700kW;一次稀释水泵, 3台, 2用1备, 单台流量15~40m³/h, 扬程68m;二次稀释水泵, 2台 (1用1备) , 单台流量15~40m³/h, 扬程68 m。经冷却和稀释后, 含水率为90%~92%, 温度为53℃左右。

热水解单元会产生大量的高浓度臭气, 其成分复杂, 呈酸性且具有腐蚀性, 该气体除含有水分外, 还含有VOC等成分。本工程对此部分进行设计优化, 设计1根DN100的不锈钢管将热水解产生的不可凝气体冷却后送至消化池内处理;同时在管路的低点设置1个125L的冷凝储罐收集管路中的冷凝水, 通过负压泵送装置将冷凝水加入污泥管道中。

厌氧消化系统是污泥实现减量化、稳定化和资源化的主要环节。设计规模370tDS/d, 分2组, 每组4座, 共8座, 单座池容为11 500m³。含水率为92%, 消化时间15d左右, 消化温度38~40℃。设计沼气产率为185~315m³/tDS。每座消化池设立轴式桨叶搅拌器1台, 池内物料的温度控制采用池外循环冷却方式, 每座消化池对应1套循环冷却单元, 污泥循环泵连续将消化池内的热污泥送至泥水热交换器降温后再返回消化池。

国内大中型污泥处理中采用的消化池外形多为圆柱形、卵形等, 高安屯污泥处理中心设计采用圆柱形钢制消化池, 与传统卵形消化池的比较 (以本设计单池有效容积为基准) 见表2。

传统圆柱形消化池一般采取上下进泥、底下出泥, 中部下端低洼部分为放空排砂的方式 (如图5所示) , 这种方式, 整个池内液体混合较好, 无死区, 但排砂效果不理想。

高安屯项目在传统基础上进行优化设计, 对进、出泥、排砂及放空方式做了优化。采用底部进泥、下部排泥与上部排泥相结合的运行方式。消化罐底部中间高出池边0.5m左右, 池心向周边形成一定的坡度, 且在搅拌器流态作用下, 泥砂易沉积在周边, 因此在周边最低处均匀设置3处排砂管, 必要时对消化池进行清空排砂 (如图6所示) , 有效排出池底沉砂;也可通过上部溢流出料口排泥, 溢流出料口同时具有水封功能, 能够保证罐内沼气不会泄漏到罐外产生危险, 同时也使罐内保持恒定的液位。

污泥消化产生的沼气中H₂S含量较高, 后续沼气脱硫运行费用较高, 由于FeCl₃可有效抑制H₂S从沼气溢出, 本工程优化设计, 在热交换车间设置FeCl₃投加系统, 将FeCl₃投加在热水解后污泥消化池前的污泥管道中, 减少沼气中H₂S含量。设铁盐储罐2套, 单套有效容积25 m³;加药泵4台, 单台流量120L/h, 扬程6bar。

板框脱水系统用于对污泥进行脱水处理, 是污泥处理流程中最后一个环节。板框脱水系统设计规模320tDS/d。主要包括调质池、储药池、脱水机房、附属设备间、出泥通道 (如图7所示) 。

调质池18座、FeCl₃储药池3座, 均设于脱水机房外。通过向污泥调质池中加入FeCl₃调理剂, 对消化后污泥进行调理, 改善污泥脱水性能。设有加药系统3套, 每套含加药泵6台 (单台Q=20m³/h, H=20m) ;设有PAM加药系统3套, 每套含稀释水箱1座, 稀释泵、补水泵各2台及絮凝制备系统1台, 制备0.5%PAM溶液, PAM溶液加入高低压进泥泵前泥管上的静态混合器, 与调质池内污泥在管道中混合。

脱水机房分A、B座2座, 共设有板框脱水机24台 (处理能力18t/d, 过滤面积800m²) , 18用6备;高低压进料泵24组 (低压流量120m³/h, 压力60m, 高压流量40m³/h, 压力120m) ;压榨系统3套。

板框脱水机的工作流程为进料-压榨-反吹-卸料4步。首先通过低压进料泵将污泥泵入压滤机, 当进料压力稳定在0.6 MPa左右时, 再通过高压进泥泵进料;进料完毕后, 启动压榨系统对污泥进行挤压脱水, 压力2.2 MPa;压榨结束后, 压榨水回流到压榨水箱, 压滤机中的残留污泥通过压缩空气反吹回调质池, 同时将膜腔内的滤液吹回滤液收集管道。反吹结束后, 翻板打开, 推板退到最后端, 滤板被拉开, 腔室中滤饼掉落到下部带式输送机上。泥饼被送至2台破碎机, 破碎后粒径小于30mm, 并通过泥装车外运利用。

本设计考虑到北京污泥中有机质含量较高, 且有未运行热水解而直接脱水的工况可能, 脱水较稳困难。为达到满意的脱水效果, 需更长的压榨时间, 在实际运行中压榨时间甚至翻倍, 从而导致压榨水池储量严重不足, 本工程设计时适当扩大压榨水池有效容积, 设计压榨水池有效容积79m³, 以保证不同工况下脱水的正常运行。

压滤机工作一段时间后, 滤布的孔隙内会堵塞一些固体颗粒, 影响过滤效果, 这时启动冲洗系统 (分为3组, 每组包括柱塞式冲洗泵3台, 2用1备, 10m³冲洗水箱1座) 对滤布进行清洗, 水压为6 MPa。洗布废水被翻板接住, 通过两侧的冲洗水槽汇集进入滤液总管排出。

洗布废水通常为泥水混合物, 污泥容易堵塞传统冲洗水槽下料口, 本设计在传统的基础上对此部分进行设计优化, 增设泥水分离装置, 以保证废水正常排放, 见图8。

沼气产量与污泥有机质含量有关。沼气产量为6.84~11.62万m³/d, 根据消化系统产生的气量不同, 沼气可以经过球形双膜气柜缓存, 或进入脱硫设备处理后送至沼气锅炉房和发电机房利用。沼气系统主要由球形双膜气柜、干式脱硫设备、燃烧器、锅炉发及电机房组成。

球形双膜气柜共3座, 体积按平均日气量25%进行设计, 每座储气量8 500m³, 工作压力1.5kPa。气柜顶部设超声波探头以测算沼气储量, 气柜沼气管路上设有水封结构的安全阀, 以保护内膜不超压。

干式脱硫设备共4组, 每组2座脱硫塔, 单座处理能力1 000m³/h。干式脱硫塔采用高效氧化铁作为脱硫剂。进口H₂S浓度小于1 000ppm, 处理后沼气内硫化氢含量小于50ppm, 送至沼气锅炉发电机房。

本工程燃烧器为自动控制暗火式燃烧器。燃烧器燃烧温度在500~1 200℃, 主要在沼气利用系统方式出现故障、或不能利用全部沼气时, 燃烧掉系统内部分或全部沼气。设燃烧器3台, 单台处理能力1 600Nm³/h, 进气压力0.5~1kPa。

沼气锅炉及发电机房设置燃气/沼气双燃料蒸汽锅炉4台, 3用1备, 单台制备蒸汽能力为6t/h, 蒸汽压力1.25MPa, 所产生的蒸汽供热水解及厂区采暖使用。多余沼气可用于发电, 依据季节的变化, 用于发电的沼气量为总产气量的33%~36%, 约3.36~3.84万m³/d, 可发电量为3 630~4 148kW, 进行测算可满足泥处理中心31.8%~36.2%的用电量。

本项目已于2017年10月初试运行, 试运行以来各项指标均达到设计要求。其中:沼气产率 (有机质含量约65%) 为288~302 m³/tDS, 泥饼pH7.0~7.5;泥饼含水率不大于60%;处理后H₂S浓度为不大于45ppm。

热水解-厌氧消化-板框脱水工艺实现了污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化的处理目标, 符合我国能源节约和清洁能源的发展战略。该工程的实施运行, 使热水解厌氧消化工艺在污泥集中处理工程建设中具有可行性, 同时为类似工程的设计建设及运行提供了借鉴。