生活垃圾焚烧厂渗滤液脱水污泥管道输送系统设计与研究

作者：赵永志赵金聂宜文何文丽田丽森张计鹏高严

单位：中国恩菲工程技术有限公司

摘要：湖北某地生活垃圾焚烧厂渗滤液处理站生化系统脱水后污泥回垃圾仓掺烧处置,污泥输送方式经工艺比选后采用螺杆泵—管道输送系统,解决常规汽车运输方式产生的臭气外逸、洒落、漏滴等二次污染问题,取得了较好的环境效益。对泵—管道输送系统污泥泵形式的选择、管件管材选用、压损计算等要点进行研究验证,并结合工程实际运行情况,分析压损计算相关公式差异的原因。

关键词：垃圾渗滤液脱水污泥管道输送压损计算

作者简介：作者简介：赵永志,E-mail:zhaoyz@enti.com.cn;

1 工程概况

湖北某地生活垃圾焚烧厂,设计规模1 200 t/d,分两期工程建设,一期工程800 t/d,二期工程400 t/d。渗滤液处理系统经改扩建工程后,总设计规模500 m³/d,分两个系列并联运行。渗滤液处理工艺采用厌氧-膜生物反应器(MBR)-纳滤(NF)-反渗透(RO)-纳滤和反渗透浓缩液减量工艺。渗滤液处理系统产生的初沉污泥、厌氧系统排泥、好氧系统排泥经离心脱水机脱水后运至垃圾仓掺烧,脱水后污泥产量约20 m³/d,污泥含水率80%。一期工程脱水污泥存储在污泥棚内,定期用汽车运至垃圾仓掺烧。由于污泥棚为敞开式结构,污泥在堆放的过程中臭气外逸,在运输过程中也会洒落、漏滴,产生二次污染,影响厂区环境。传统的汽车运输方式已不能满足安全、卫生的厂内污泥输送需求,设计时应优先选用安全、高效、封闭的污泥输送系统。

2 工程难点

本工程主要存在如下难点需在工程中解决:①渗滤液脱水后污泥水力特性无相关研究数据,通过查阅相关经验公式及图表,发现现有的公式及图表不完善,并有条件限制。因此,在设计时需参照相似工程案例并考虑可调节性。②本工程为改扩建工程,厂内污泥输送最远点距污泥泵站水平距离约300 m,高差近20 m,且污泥管道路由需结合原有管线敷设,导致管线弯头多,压损增大。③污泥管道输送需考虑解决管道堵塞的工程措施。

3 污泥输送系统设计

3.1 污泥输送方式比选

脱水污泥常用的运输方式有皮带运输机、无轴螺旋输送机、单螺杆泵和液压柱塞泵4种。皮带运输机和无轴螺旋输送机适合短距离水平直线输送,不宜升高、转弯,不适合地势有一定高差的场站。该厂从渗滤液处理站污泥车间至垃圾仓水平距离最近点约210 m,最远点约300 m,高差近20 m。可行的3种污泥输送方式比较如表1所示。由表1可见,单螺杆泵输送方案无论是从造价、运行费用上,还是在厂区环境卫生方面都具有明显的优势,是优选方案。

3.2 系统设计

3.2.1 污泥输送泵

污泥输送泵在构造上必须满足不易堵塞、不易腐蚀和耐磨损等基本条件。输送泵的形式有螺杆泵和液压柱塞。螺杆泵适用于短距离、小流量、输送压力低连续输送污泥物料的场合。螺杆泵零件少,且容易更换;柱塞泵具有远距离、稳定输送介质的特性,能提供较大压力但有脉冲现象。经上述比较,确定污泥输送泵选用螺杆泵。

3.2.2 管材管件

管材选用高压无缝钢管,材质为Q235,管径Ø219,管壁厚度8 mm,最低可承受8 MPa压力。

污泥输送管道的转弯半径需满足《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016年版)中7.5.4条“管道输送污泥,弯头的转弯半径不应小于5倍管径”的要求。

3.2.3 设计流速

有关脱水污泥管道设流速的资料很少,本工程参考以下是相关设计手册资料。

(1)《给水排水设计手册》(城镇排水):表“9—6泥饼通过DN150管道的水头损失”中采用的流速0.06 m/s,离心脱水后泥饼含水率70%～80%,管路水头损失0.45～0.68 m/m^[2]。

(2)美国WEF(水环境联合会)和ASCE(土木工程师协会)Design of Municipal Wastewater Treatment Plants输送污水处理厂脱水污泥管道均流速不得超过0.15 m/s,特别是污泥含固率30%以上时,最大流速不宜超过0.08 m/s^[1]。

管道设计流速应根据输送泵形式及型号(流量-扬程)、管道长度、管道布置、介质特性等因素综合考虑。流速过高,管路系统磨损大,系统能耗高且易发生故障;流速过低,污泥在管道内停留时间长易产生气体造成不良影响,同时存泥多停机放空清洗不便,且管径大造价高^[2]²^]。

表1 脱水污泥输送方式比较

Tab.1 Comparison of means for transportation of dewatered sludge

序号	输送方式	运行维护情况		对焚烧系统的影响	造价、运行费用		备注
序号	输送方式	环境卫生状况	维修、维护	对焚烧系统的影响	造价 /万元	直接运行费用 /万元/年	备注
1	汽车运输	①需要对污泥棚密闭,定期冲洗地面;②车间会有少许臭气,需集中收集处理;③路面易遗撒,易形成二次污染	通用部件多,维修维护简单	卡车运送至垃圾仓,易导致掺烧不均匀,对焚烧系统有影响	75	5.1	含车间密闭及24 m³污泥运输车
2	单螺杆泵输送	①无臭气泄露问题;②无遗撒	①系统简单,需要定期更换定子、转子;②长期停用需要用清水冲洗	均匀泵入焚烧系统,影响小	45	6.9	泵输出压力2.4 MPa,总功率为4 kW
3	液压柱塞泵输送	同上	①含有液压滑架、检修阀门等系统复杂;②柱塞泵脉冲输送,管路需要定期加固;③长期停用需要用清水冲洗	同上	75	25.4	需要增设螺旋输送机、综合液压站及柱塞泵,总功率为43 kW

注:人工费统一按5万元/(人·年)计。

表2 管道阻力损失计算

Tab.2 Calculation of the loss of pipe resistance

序号	公式	各参数意义	计算结果
序号	公式	各参数意义	压力损失	总沿程损失/MPa
1	$Δ Ρ = \frac{15.68}{D^{1.28}} + 0.245 \frac{Q}{D^{2}}$ $Δ Ρ = \frac{15.68}{D^{1.28}} + 0.245 \frac{Q}{D^{2}}$ (1)	ΔP为压力损失,psi/ft;D为管道内径,in,取8in;Q为流量,gpm,取1 m³/h,换算为4.403 gpm	25.11 kPa/m	8.5
2	$J_{m} = \frac{16}{3 D} \times τ_{0} + η \times \frac{32 ν}{D^{2}}$ $J_{m} = \frac{16}{3 D} \times τ_{0} + η \times \frac{32 ν}{D^{2}}$ (2)	J_m为管道沿程输送阻力,MPa/m;τ₀为污泥屈服应力,取1 400 Pa;η为塑性粘度,取12 Pa·s;D为管道内径,取203 mm;ν为管道内平均流速,m/s,取0.02 m/s	1.7 kPa/m	0.58
3	《给排水设计手册》(城镇排水)工程经验		0.45～0.68 m/m	1.5～2.3

综上所述,本工程污泥输送管道设计流量1 m³/h,考虑到输送管路长、压损大,为减少压损,本项目降低设计流速,选取0.02 m/s。

3.2.4 管道水头损失

脱水污泥还无成熟的经验公式计算水头损失,本文根据有限的文献资料中提供的公式进行试算,如表2所示,式(1)来自于文献[1],式(2)来自于文献[3]。本工程管道布置如图1所示。

图1 脱水污泥输送管道布置

Fig.1 Piping arrangement for the dewatered sludge

本工程渗滤液处理区和主厂房之间有约5 m高差。离心脱水后污泥通过泵—管道至垃圾仓或料斗,根据焚烧厂垃圾热值情况灵活调控。

工艺管道布置时需要考虑管线检修的情况,在进料口附近设置排空阀,远距离需设置双线。

总距离据图1计算,取339 m。表2计算的数值为沿程压损,未含局部压损。可见,不同公式之间,计算的结果差异较大。这可能与污泥成分、污泥含水率、公式边界条件影响因素有关。本工程参考相似工程经验,选定泵额定压力24 bar(1 bar=0.1 MPa)。

工程运行发现,本工程初期压力损失在0.9～1.0 MPa,分析原因为污泥含水率未稳定达到80%,随着离心脱水调试运行稳定,污泥泵压力逐渐在0.2 MPa稳定运行。该数值和《给水排水设计手册》(城镇排水)工程经验值相近。

4 结论

(1)生活垃圾焚烧场渗滤液脱水污泥采用螺杆泵—管道全密闭输送,经济、卫生、安全,减少了对环境的二次污染,美化厂区环境。

(2)通过设置管廊或桥架、冲洗装置、排气阀等工程措施,可解决污泥管路堵塞问题,经工程实践表明,定期加水冲洗管路,即可有效解决堵塞问题。

(3)脱水污泥管道压损不同公式计算的结果差异较大,本工程压损数值和《给水排水设计手册》(城镇排水)工程经验值相近。在工程实践中管路压损的计算,可参考相似工程经验或根据试验确定。

参考文献

[1] Manuals Of Practice(MOP)76.WEF Manual of Practice No.8,Fourth Edition,Design of Municipal Wastewater Treatment Plants,1998.

[2] 朱敏.污水处理厂污泥管道输送系统设计与研究[J].给水排水,2012,38(S2):22-24.

[3] 陈志平,谢淮明,宋旭等.脱水污泥管道输送阻力计算模型对比研究[J].中国给水排水,2016,32(3):101-103.

Design and research of pipeline transportation system for dewatered sludge from leachate in domestic garbage incineration plant

Zhao Yongzhi Zhao Jin Nie Yiwen He Wenli Tian Lisen Zhang Jipeng Gao Yan

(China Enfi Engineering Group)

Abstract: In the case of transporting sludge, which was resulted from dewatering by biochemical system in a leachate treatment station of a domestic garbage incineration plant in somewhere in Hubei, back to the garbage dump for mixed burning and treatment, a screw pump-pipeline transportation system was selected through process comparison as the means for transportation of the sludge, which solved the problems of secondary pollution such as escaping, spilling and leaking of odor generated from conventional means of automobile transportation, and achieved good environmental benefits. Key points such as the selection on the sludge pump form for the pump-pipeline transportation system, the pipe fittings and materials, and the pressure loss calculation were studied and verified, and the reasons for the differences between formulas associated with pressure loss calculation were analyzed in combination with the practical operation of the project.

Keywords: Garbage leachate; Dewatered sludge; Pipeline transportation; Pressure loss calculation;

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