浅议某70%含水率市政污泥储运系统设计思路及要点

沙永涛，李博，张洁欣，吴韵雯，蒋慧，梁家辉

（上海市机电设计研究院有限公司，上海 200233）

目前国内的污泥产生单位，一般都做到了将自产污泥进行脱水处理，再进一步外运处置；对污泥处置单位来说，脱水污泥的接收、储运成为关键环节。脱水污泥含水率80%居多，此状态污泥一般呈现粥状，尚具有一定（较差）的流动性；某项目市政污泥设计处置规模100t/d，含水率70%左右，呈现柔软状，基本没有流动性，见表1。张晓斌采用平行板旋转流变仪对污泥流变特性进行试验研究，研究指出，表观黏性与输送的稳定性密切相关，市政污泥含水率在60.12%～67.41%时，表观黏度较大，不适合长距输送；而含水率处于72.67%～87.4%时，表观黏度较小，适合长距输送。当然，具体项目的污泥具有各自的特性，与温度、活性成分等因素有关；本项目的污泥含水率正好处于70%左右，具有一定的特殊性。这对储存、输送的可靠性提出了较高要求，本文主要针对此特性在工艺上进行了针对性设计。

表1 各种含水率污泥的物理状态和流动性

1 湿污泥仓的设计要点

为了保证泵送系统进料稳定，结合运营单位的运行班制，设置污泥接收仓和污泥储存仓两级储存系统，污泥接收仓有效容积不低于4h污泥处置量，实行两班制，连续运行小时数不大于16h；污泥储存仓则24h连续运行，有效容积取值则按照CJJ131-2009《城镇污水处理厂污泥处理技术规程》，“不小于干化系统3d生产能力的湿污泥储存场地”。

湿污泥接收仓容积较小，外形尺寸主要考虑便于运输车辆自卸倾倒和设备立面布置。由于湿污泥的黏性，储仓下部设计成锥形很容易搭桥、起拱而堵塞，因此一般避免锥形而选择平底；由于储存仓的容积比较大，相对来说出泥量又比较小，圆形截面和矩形截面差别不大，出于场地布置、制造成本的考虑选择矩形截面，因此储存仓总体上是一个长方体；70%含水率污泥黏性相比80%湿污泥显著增加，湿污泥储存仓3d的储量意味着污泥在储存仓里至少要留存3d，污泥在较长时间的缓慢下行过程中，上方污泥的重量越来越大，不断被压实，又由于70%含水率的污泥黏性较强，很有可能导致结块或搭桥，因此在确定湿污泥储存仓的外形时，应尽量选取比较小的高度；而较大的横截面和平底结构则要求设置液压滑架破拱装置。限于条件，滑架破拱装置的安装宽度一般为3.5m以内，不超过4m，因此一般储仓宽度一般取3.5m左右。此外，为了保证储存仓的顺利出料，考虑设置润滑系统备用，润滑剂可以采用高压喷水。考虑充满系数，本项目污泥接收仓的实际外形尺寸为：L×B×H=4500mm×3500mm×3450mm，V=54m³，V有效=40m³；储存仓的实际外形尺寸为：L×B×H=14000mm×3800mm×7000mm，V=372m³，V有效=300m³。

采用光滑的不锈钢，在防腐蚀的同时可以减少污泥和壁面的粘附，但成本较高；由于储存仓的容积相对于出泥量大很多，不锈钢壁面的优势并不明显，因此本项目材质采用碳钢加防腐涂层的形式。

储存仓进料口位置的选取。目前污泥的泵送流程中，输泥管道通常接到储存仓的顶部，污泥再从顶部落入仓内，苏志升认为“该泵送工艺导致泵送系统长期处于高扬程的反向负载状态”，经过分析认为仓体高度的1/3作为输送管道接入口的相对标高比较合适，能减少不必要的泵送高度及能量消耗，同时有效降低从高处落料引起的动载荷，有利于储仓的结构稳定。从这方面考虑，在储存仓仓体的强度计算时，也应考虑到动载荷对计算厚度的影响。

2 湿污泥泵送设备的选择

目前污泥输送方式，主要有皮带输送、刮板输送、螺旋输送和泵送等几种方式。皮带输送和刮板输送属于传统的无压、开放式输送方式，更适用于半干化、干化污泥等含固量较高的污泥，且布置多受到现场条件限制，输送过程中也容易外溅，对挥发性恶臭气体很难收集处理。无轴螺旋输送适用于有一定粘性的物料，输送70%含水率污泥尚有待考证，而且布置也易受现场条件限制。污泥泵送设备目前主要有柱塞泵和螺杆泵两种，泵送属于带压输送，特别适合黏性高、含固率高的污泥，由于采用密闭管道输送，恶臭气体便于收集处理，而且现场布置灵活，便于转向和提升，便于设备衔接，属于高效的输送方式。

70%含水率的湿污泥，由于基本没有流动性，有的项目甚至采用皮带、刮板这些主要用于干污泥输送的方式，但如上所述，不可避免形成二次污染，且布置不灵活，相比来说，有压的、封闭的泵送具有明显优势。理论上螺杆泵和柱塞泵都可以实现此功能要求。柱塞泵流量范围和输送距离往往要比柱塞泵小，且容易磨损，转子定子更换周期通常为0.5～2年，但配套系统比较简单，投资也省。两者均广泛用于80%含水率湿污泥的管道运输，但螺杆泵用于泵送70%湿污泥的工程项目并不多见。

朱敏经过研究指出，“螺杆泵输送污泥的含水率不宜小于76%，否则需要适当投加润滑剂”。蒋家安分别用螺杆泵和柱塞泵对60%含水率污泥进行了泵送试验，结果表明，螺杆泵由于污泥经常架桥而导致输送不稳定，而柱塞泵则具有可行性。鉴于此，为了保证系统可靠，接收仓与储存仓之间、储存仓与干化机之间均采用柱塞泵。

需要补充的是，由于污泥的黏性和高含固率，或多或少会出现结块或架桥的现象，其结果是进入柱塞泵的污泥会混入较多的空气，吸入效率会比较低。为了提高柱塞泵的吸入效率，储存仓下部需要配套安装正压给料螺旋，对进泵污泥进行一定程度地预压，保证污泥尽可能充满进料腔，苏志升建议，在正压给料螺旋出料口与泵体的进料腔之间安装压力传感器，对预压压力值进行监控和调节，根据经验，通过调节正压给料螺旋的工作转速将压力值维持在20～30kPa范围内可以取得较好的效果。

为了给柱塞泵工作提供良好的条件，保证其稳定的吸入效率，因此有必要将污泥仓分为接收仓和储存仓。接收仓容积较小，而污泥储量波动比较大，可以满足各种运行班制；而储存仓则容积大得多，高度相对较高，且应保证料位相对稳定，给予柱塞泵入口一个相对稳定的重力预压，有利于给料螺旋和柱塞泵的稳定运行。

目前工程项目中广泛应用的柱塞泵有单缸柱塞泵和S摆柱塞泵：单缸柱塞泵更适合于污泥含水率低（60%左右）、且黏性较大的污泥；S摆柱塞泵则更适合于黏性较小、含水率70%以上的污泥。两者在原理上的区别在于单缸柱塞泵是在“推”污泥，而S摆柱塞泵是在“吸”污泥，单缸柱塞泵推力较大，但处理量相对较小。同样的70%含水率的湿污泥，要具体分析其性状才能决定具体选哪一种。本项目选定S摆柱塞泵。S摆柱塞泵料缸直径大，便于含水量低、粘度大的黏性污泥吸入；出口压力大，可以实现远距离输送；泵送量可以根据要求无级调节；独特的料斗结构设计，使其内部物料易于被料缸吸入，提高了污泥的吸入效率，并在两侧设有检修门，便于快速更换、维修。

为保证柱塞泵的长期稳定运行，一是要加强其耐磨性设计，包括输送料缸镀铬，入口加装合理规格的滤网或过滤器，减少大颗粒异物进入等措施；二是加强润滑，安装润滑油泵，减少密封件之间的摩擦。

柱塞泵的排量至少应高于设计处置量10%以上，但根据运行经验，输送设备的设计输送能力，一般为2～3倍的污泥设计处置量，方可满足高含固率和黏性的波动，以及设备备用、负荷扩大的需要，本项目柱塞泵的输送能力按10m3/h选型。

3 湿污泥的管道输送

目前国内设计规范里并没有管道输送污泥的推荐流速，可以参考的是《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为0.06m/s；国内几个污泥处置工程设计流速见表2。

表2 国内污泥处置项目的设计平均流速对比

柱塞泵的出料压力可以反映出系统的阻力特性，根据竹园污泥处理厂的运行经验，实际运行中的污泥黏度超出设计范围时，输送管道沿程阻力增加，导致柱塞泵出料压力不断增加，经常由于压力超标而导致柱塞泵跳机，另外也会发生由于管径不够大、异物进入后管道堵塞的情况；设计时应充分考虑裕量，结合本项目实际情况，设计输送量4.2t/h，管道规格选DN150，设计平均流速0.06m/s；需要指出的是，管径片面取大，除了增加投资外，还会导致物料流量不稳，影响输送系统的正常工作。

需要指出的是，流速的选择，除了考虑水头损失的大小，还应考虑含水率、含砂量等影响因素引起的磨损，含水率低、含砂量高时，流速应该适当选取低值；在强度计算确定管壁厚度时，也应留有足够的壁厚裕量。

管道材质一般选用无缝钢管、塑料管等，本项目拟采用衬塑钢管，既有足够的耐压强度，又可防腐蚀，而且能降低水头损失；管道之间采用法兰连接，便于冲洗和堵塞处理。

《给水排水设计手册》（城镇排水）表9-6同时给出了70%～80%的真空过滤脱水污泥，其通过DN150管道的水头损失为0.68～1.13m/m；本项目按照上限1.13m/m进行柱塞泵的工作压力估算。

作为对比的是，深圳某污水处理厂的泵送管道，设计输送量18m3/h，采用DN200规格无缝钢管输送，污泥含水率75%～80%，平均流速达到0.16m/s，水头损失值为2.5m/m，水头损失偏大；可见0.06m/s的流速是一个比较经济合理的流速。

在具体管路布置上，应尽量选择简短平直的管路，减少弯头的使用，弯头则尽量选择45°弯头；根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006,2016版）中第7.5.4条要求，“污泥输送弯头的转弯半径不应小于5倍管径，以降低泵送阻力及泵送换向造成的冲击震动”；在弯管处和管道低点应设置冲洗放空阀，便于管道放空冲洗及堵塞处理。

本文针对具体的70%含水率的湿污泥储运系统，提出了工艺设计的思路和设计要点，具体来讲包括：（1）采用大截面、低高度的长方体储仓设计，并配套采取多种防堵塞措施；（2）泵送设备排除螺杆泵而选取柱塞泵；（3）管道采用衬塑钢管，流速选取0.06m/s。希望能对污泥处置的工程设计提供一定的参考价值。