城市生活垃圾水泥窑协同处置给排水设计

李东祥

（安徽海螺建材设计研究院有限责任公司， 安徽 芜湖 241070）

城市生活垃圾的填埋处置受占地面积、 处理能力和对周边环境影响等因素的限制， 已无法满足居民生活垃圾日益增长而急需消纳的要求， 垃圾焚烧则是系统解决城市垃圾处置的有效途径。 水泥工业新型干法生产线， 可利用其配套的窑和分解炉装置， 将垃圾气化生成的可燃气体送到水泥窑系统中进行无害化燃烧， 产物炉渣用作水泥原料， 生活垃圾与水泥窑的协同处置简称CKK。 CKK 项目可促进废弃物的资源化利用和无害化处理； 通过协同资源化可以构建循环经济链条， 促进企业减少能源、 资源消耗和污染排放， 实现企业与城市和谐共存。 截止目前， 近30 个CKK 项目完成了设计并陆续运营。

CKK 项目给排水主要包括循环冷却水、 消防、生产生活辅助用水及污废水处理4 个系统。 本文结合项目设计期间的规范和标准及现场运行反馈， 对配套给排水设计进行梳理、 归纳和总结。

1 工程概况

某CKK 项目处理城市生活垃圾规模为2×300 t／d（21.9 万t／a）， 分2 期建设， 项目位于水泥熟料生产线厂区。 熟料生产线规模为2×5 000 t／d， 其工艺流程为石灰石等原材料均化／粉磨→水泥窑分解炉系统→熟料冷却系统。 项目配套建设有工艺冷却水、 消防、 生产生活辅助用水及生产生活污废水处理系统。

CKK 项目运行中产生的主要污染物有臭气、垃圾可燃气体和垃圾渗滤液等， 其给排水系统设计类别与熟料生产线相同。 在熟料煅烧过程中， 水泥回转窑内的物料温度为1 450 ～1 550 ℃， 气体温度则高达1 700 ～1 800 ℃。 高温环境下， 气化炉中垃圾气化产生的烟气进入水泥窑及分解炉后继续燃烧， 烟气中的二噁英在分解炉近900 ℃温度下彻底分解； 同时， 也为垃圾渗滤液高温氧化处理、 完全分解有机成分提供了条件。 CKK 项目系统见图1所示。

图1 CKK 项目系统Fig. 1 System of CKK project

2 给排水系统设计

2.1 给水系统

CKK 项目单套机组总焚烧能力一般介于150～600t／d（含150t／d）， 属于Ⅲ类垃圾焚烧厂［1］。 以某2×300 t／d 项目一期工程为例， 该项目位于某水泥厂内， 生产、 生活及消防耗用水量均由工厂生产、 生活管网提供， 其水压和水质与水泥厂使用要求一致；项目正常生产及生活消耗水量为80 m3／d（消防时为296 m3／d）， 基本不增加现有工厂的用水负荷。 该项目耗用水量组成、 水量平衡分别见表1、 图2 所示。

表1 耗用水量组成Tab. 1 Composition of water cunsumption

图2 水量平衡Fig. 2 Water balance

2.2 循环冷却水系统

CKK 项目循环冷却水系统按照GB／T 50102—2014《工业循环水冷却设计规范》［2］和GB 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》［3］要求进行配置。 CKK 项目循环水量约为60 m3／h， 其水量、 水压、 水温、 水质与水泥厂循环冷却水系统使用要求一致。 熟料生产线含水泥粉磨系统设计循环冷却水量约为1 500 m3／h， 供水压力约为0.35 MPa， CKK项目所增加的循环冷却水量基本对生产线运行不产生影响， CKK 项目循环冷却水系统经核实后直接接入。

部分CKK 项目可能离生产线循环冷却水管网较远， 需要设置独立的循环水泵站及冷却塔系统。

2.3 消防系统

CKK 联合厂房为本项目主要功能性建筑物， 其生产火灾危险性为丁类， 厂房耐火等级为二级， 建筑高度24 m ＜h ＜50 m， 建筑体积20 000 m3＜V ＜50 000 m3。 消防设计［4－6］范围包括大空间垃圾储存坑、 中控室、 电力室、 生产及巡检区域， 消防系统类别主要有消火栓、 消防炮、 灭火器、 气体灭火及火灾报警等， 其中消火栓、 灭火器、 火灾报警属于常规性消防设施， 消防炮、 气体灭火属于特殊要求的消防设施。 消防设计流量及火灾延续时间见表2， 同一时间内发生火灾次数按一次考虑。

表2 设计流量及延续时间Tab. 2 Design flow and fire duration time

（1） 消火栓及水泵结合器。 室外消火栓主要利用水泥厂区域现有消火栓及管网系统； 室内消防栓口动压不小于0.35 MPa， 消防水枪充实水柱按13 m 计算， 共配置单栓减压稳压型室内消火栓（丙型）33 套， 配消防按钮， 其中试验消火栓1 套， 地下式消防水泵结合器3 套。

（2） 消防水箱。 消防系统为临时高压， 高位消防水箱的有效容积为18 m3， 设置在联合厂房屋面层设备间， 受层高限制， 其最低有效水位不能满足消防设施最不利点静水压力， 设计配套卧式增压稳压设备1 套， 含隔膜式气压罐（卧式， 工作压力比为0.80）， 立式离心泵2 台（1 用1 备）。

（3） 气体灭火。 在联合厂房中控室设置气体灭火系统， 采用无管网柜式七氟丙烷灭火装置； 其他场所配置MF／ABC4 型手提式磷酸铵盐干粉灭火器共98 具， 灭火剂量为4 kg， 灭火级别为2A。

（4） 消防炮。 联合厂房内的垃圾储存坑相对封闭， 空间体积大， 自坑底到行车轨高度接近35 m，采用固定式消防水炮灭火系统［7］； 共配置防腐防爆型消防水炮2 套， 单套射水流量为30 L／s， 工作压力为0.80 MPa。

（5） 消防泵站。 由于CKK 项目生产过程控制及要求与水泥厂存在较大的差异， 水泥厂配套的消防泵站及管网系统不能完全满足室内消火栓和消防炮系统， 为便于消防设施的集中控制和管理， CKK项目设置独立的消防泵站， 泵站内配置消火栓及消防炮给水泵及相关控制系统； 共配置立式单级离心消防泵3 台（2 用1 备）， 流量为40 L／s， 扬程为120 m。

2.4 污废水处理系统

生活垃圾焚烧过程中， 主要污染物为大气污染物、 恶臭和污废水等， 污废水则包括生活污水、 冲洗水和垃圾渗滤液， 其中生活污水主要来自联合厂房内设置的茶吧和卫生设施排水， 污水量为19 m3／d， 污水经化粪池处理后， 通过室外排水管网送至水泥厂现有的污水处理装置， 该类污水采用常规性生化处理， 也可在项目区域内设置1 m3／h 污水处理装置； 冲洗水及垃圾储库渗出的污水经过垃圾污水过滤器送入污水贮存槽， 该类污水含有大量有机物， 具有CODCr、 BOD5浓度高和不耐热的特性， 给排水设计重点为污废水中的垃圾渗滤液的处置［8］。该项目各类污废水产生量及其水质见表3。

该项目垃圾渗滤液产生量平均为60 m3／d（在雨季或含水量较高时约为100 m3／d， 具体设计时应考虑项目所在地地域和季节的影响）。 在进行渗滤液处置方案设计时， 选取了2 种方式， 一是采用生物膜法处理［9－15］， 二是采用焚烧法。 考虑协同处置的特点， 本项目采用焚烧法。 即通过窑系统的高温对渗滤液进行氧化处理， 完全分解其有机成分， 从源头上解决渗滤液对环境的影响， 消除垃圾渗滤液对环境的污染风险， 实现无害化处理和零排放。 主要设备有： 垃圾污水储存槽提升用污水泵2 台（1 用1备）， 流量为6 m3／h， 扬程为30 m， 垃圾渗滤液输送泵2 台（1 用1 备）， 流量为4.5 m3／h， 扬程为70 m， 用于清除垃圾污水中的微小固体物楔形丝过滤器1 套， 过滤精度为150 μm。

表3 污废水产生量及其水质Tab. 3 Wastewater quantity and quality

初始设计时直接采用污水泵将渗滤液提升后小部分喷入气化炉， 大部分引入熟料线分解炉和篦冷机内进行焚烧， 其中以篦冷机内焚烧为主， 在水量较大时， 分解炉和篦冷机同时喷入。

经过一定时间运行， 现场反馈出现以下问题：①垃圾渗滤液长期在水泥厂分解炉内焚烧会产生大量的氯离子， 影响熟料线窑系统的运行； ②垃圾渗滤液在分解炉和篦冷机内进行焚烧降低了熟料线的产能； ③熟料线系统在检修时， 垃圾渗滤液的处理量会下降。 因此， 设计采用焚烧法时， 应满足以下条件： ①水泥厂应有2 条及以上生产线可以接纳渗滤液处理， 生产线不安排同时停产或检修； ②在渗滤液处理系统故障或出现其他无法及时处理的情况下， 连续产生的垃圾渗滤液应进入事故收集池内进行储存， 并在可靠的时间周期内全部处理完毕； ③工厂具备相应的措施确保处理的经济性和渗滤液长距离输送的安全性。

3 结语

CKK 项目应尽可能充分利用与水泥厂共建和共享资源及基本设施进行处置， 但CKK 项目部分给排水系统需要进行比选， 如循环水系统与水泥厂的供水同步性， 垃圾渗滤液直接焚烧的经济性和安全性， 部分系统则需要独立设置， 如消防系统； 同时， 还要注意设计中对如下子项的优化：

（1） 水洗水系统应采用独立的供水系统， 不得与水泥厂生活水及生产水系统连接。

（2） 垃圾渗滤液的收集及输送应采用密闭系统， 垃圾预处理车间地面应做防渗处理， 垃圾坑排水格栅应设置在垃圾坑侧。

（3） 消防系统的中控室围护结构及隔断需满足气体灭火要求； 消防水炮应能实现自动或远距离遥控操作， 采用防腐防爆材质。

（4） 事故水池的位置及容积应满足项目建设场地初期雨水、 垃圾储存坑渗滤液及消防排水等非正常或检修要求。