国产污泥热水解装置设备优化改造研究

朱 文

（湖南军信环保股份有限公司，长沙 410000）

长沙市污水处理厂污泥集中处置工程采用“热水解+高温厌氧消化+深度脱水+热干化”污泥处理工艺。其中，热水解作为一种新兴的污泥厌氧消化预处理技术，通过高温破壁反应，可有效破坏污泥中微生物细胞结构，释放其中的有机物及水分，尤其针对我国南方城市市政污泥普遍存在的含砂量高、有机质低的问题，该工艺可大大提高后端厌氧消化及污泥脱水性能[1]。目前，国外及国内污泥项目热水解系统大部分采用挪威CAMBI公司技术，热水解技术原理一般分三个阶段：浆化阶段-热水解阶段-释压阶段，利用释压阶段尾气提供浆化罐预热，热水解罐污泥进入释压罐进行闪蒸释压。

本项目热水解成套装置作为国内首套自行研究开发的工艺与设备，通过吸收、消化国外技术并进行技术创新，实现了工艺核心装置的本土化。其中，浆化阶段由释压阶段尾气通过蒸汽支管对浆化罐污泥加热，热水解阶段和释压阶段集中于1个罐体内分不同时段进行，罐体尾气依靠上部释压阀排放至浆化机蒸汽支管进行污泥浆化处理。释压尾气中夹带部分泥浆，易造成分布的释压蒸汽支管堵塞，而清堵费时费力，影响生产的连续性。同时，因释压不完全，排泥存有余压造成排泥温度高，排泥螺杆泵传动部件频繁磨损（见图1），影响生产的连续性并导致操作维护不便。

图1 排泥泵损坏照片

1 设备优化

1.1 热水解释压管线系统的优化

图2 气液分离装置工艺

国产热水解反应罐的排泥压力设计为常压，设计温度为100℃。实际运行高温模式时，检测的排泥温度一般在110～140℃，严重超出排泥螺杆泵的额定工作温度。由于国产热水解系统缺少污泥闪蒸步骤，热水解释压靠上部释压阀直接释压至浆化罐，而释压阀在释压时带出大量的泥浆，释压蒸汽支管极易堵塞。一旦释压支管堵塞，在规定的时间内，热水解反应罐就不能达到完全释压，释压后的余压越高则排泥温度也越高。

要降低热水解排泥温度，保证热水解反应罐释压完全，人们需要优化释压管线的两个环节。一是为释压蒸汽增加气液分离功能，提纯蒸汽，同时起到缓冲、闪蒸作用。二是改进分布的释压蒸汽支管连接，方便释压蒸汽支管在堵塞时快速进行疏通维护。

长沙市污水处理厂热水解系统的反应罐有2组，每组由8个罐体组成，6用2备。利用其中的一个备用罐，将其改为释压蒸汽管线中的气液分离器，分离释压蒸汽中的泥浆，有效减少浆化释压蒸汽支管的堵塞，同时为释压蒸汽提供缓冲，并增强热水解反应罐的闪蒸作用，让释压更完全。分离的泥浆在液位达到设定高度（与罐体原进泥要求高度相同）时，由原热水解排泥泵排出。优化的工艺简图如图2所示。

为方便浆化机释压蒸汽支管的疏通，减少清理及拆装时间，将原设计的直连硬管改为高温高压橡胶蒸汽胶管连接，增加前后截止阀及止回阀，使其更便于拆装清洗，并通过球阀调节来适当改变总释压管道的流通面积，使之适应生产需要，并实现实时在线维护。

1.2 热水解排泥系统的优化

通过以上的改进，热水解反应罐的污泥排出温度基本控制在100～110℃。在此温度下，用于输送高温污泥的螺杆泵工作环境得到了有效改进，但仍不能满足其长期稳定运行要求。为此，人们可以从冷却污泥工艺入手，将后段在储泥池加入的稀释水前移到热水解排泥泵的进口，直接对高温污泥进行加水稀释冷却。加水量计算如下。

热水解反应罐泥位：设计值为1.8 m，不宜超过2.0 m，最大不超过2.2 m。也就是说，每个热水解罐内的最大污泥体积：0.8×0.8×3.14×2.2=4.4 m3。

假设将120℃的污泥加入稀释水，降温至90℃，所需的用水量计算如下：

污泥从120℃下降至90℃，污泥量按2 m的液位计算：0.8×0.8×3.14×2=4 m3/次，每小时的流量为4×4=16 m3/h。

假定稀释冷却水温度为20℃，计算稀释冷却水的使用量。

Q120℃=8.077×107kJ；Q90℃=6.028×107kJ；Q放=Q120℃-Q90℃=2.049×107kJ。

污泥从120℃下降至90℃，每小时放热被稀释水吸收，所需的水量为：

Q放=Q吸=2.049×107kJ=4.2×m×70℃

则m=6 967.76 kg=7 m3/h。

高温模式运行15 min所需水量：7/4=1.75 m3；

排泥泵每小时的排泥量：4.4×4+7=24.6 m3/h；

重新选型的新型绕性杆螺杆泵确定流量为：Q=30 m3/h。

为保护螺杆泵，延长其定子的使用寿命，进一步对原设计的沉石罐进行改进，设计出了如图3所示的带有冷却、缓冲罐效果的沉石罐。

图3的冷却水管安装流量计、气动阀，通过泵的启停联动控制气动阀，对高温污泥进行加水冷却，冷却水量根据冷却后的污泥温度及含固率要求，进行调节。改进后的排泥温度控制在80～90℃，可减少后续的热交换系统的使用，节约大量的电能。

图3 热水解排泥系统加水冷却示意图

积极与设备生产厂商联系，为避免发生异常高温损坏螺杆泵的橡胶密封元件，新泵选型时尽量减少橡胶零件，经过试用最终选用新型绕性杆螺杆泵来输送高温热水解污泥，其输送压力0.6 MPa，输送流量Q=30 m3/h，定子橡胶最高耐温130℃。

2 效果分析

本项目热水解系统的设备改进优化后，实现了较好的效果：浆化机蒸汽分布支管污泥堵塞情况大大降低，并实现了在线疏通管道功能；热水解反应罐释压更加完全，系统运行更平稳；排泥螺杆泵运行温度下降至90℃左右，其维修频率大幅下降，实现了长周期稳定运行；将后端稀释水移到排泥泵进口，对热水解高温污泥进行直接冷却，极大地改善了热水解高温运转设备的工作环境，并为热水解换热系统节约了大量电能。

3 结语

通过对国产热水解工艺系统及设备的优化，系统运行中存在的罐体释压、释压支管堵塞及排泥温度高等缺陷得到了较好的消除，高温排泥螺杆泵易损坏的故障得到根治，热水解系统运行更加稳定。运行结果表明，该系统达到了国外同类装置的运行效果，为污泥处理核心装备的国产集成化提供了良好的借鉴。