南方某城市污泥集中协同处理工程设计探讨

钱 林

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074)

近年来,随着我国城镇污水处理设施建设的快速发展,污水厂污泥产量也逐年递增,但由于长期以来“重水轻泥”现象普遍存在,致使大量污泥未能得到有效处理。截至2020年,全国污水处理率达97.53%,但污泥的有效处理率还不到30%[1],污泥处理处置问题日益严峻。此外,由于排水管网精细化养护的内在要求与河湖水环境治理工作的不断推进,随之带来了大量的通沟污泥与河道淤泥,它们与污水厂污泥同属水环境治理范畴,紧密关联(图1),但各自组分、性质差异也较大。

图1 合流制排水管道与污泥来源的关系Fig.1 Relationship between Combined System Pipelines and Sludge Sources

目前,国内工程一般将3类污泥分别进行处理,不仅增加了工程投资与用地,还容易导致城市运维管理难度加大,而对于统筹考虑污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥处理处置的相关工程案例或研究还鲜有报道。本文以南方某城市污水厂污泥综合处理中心为例,通过创新设计实现了污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥的集中协同处理,处理后污泥含水率降至60%以下外运至发电厂进行焚烧处置,有效解决了污泥的最终出路,可为其他城市污泥项目的建设实施提供设计参考。

1 工程概况

南方某城市污水处理厂位于江西省昌江西岸,占地面积为7.58 hm2,污水厂一期工程于2011年建成,设计规模为4万m3/d,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准,尾水达标后就近排放昌江。为切实改善昌江水质,提高流域水生态环境质量,该污水厂于2020年进行提标改造工程。提标后采用三级深度处理工艺[2],出水水质由一级B标准提升至一级A标准(GB 18918—2002),工艺流程如图2所示。

图2 污水处理厂工艺流程Fig.2 Technological Process of WWTP

污水厂一期产生的污泥采用带式脱水机进行浓缩脱水处理,含水率降至80%以下,送至厂内有机固体废弃物处理处置中心进行高温好氧堆肥发酵,发酵后的产物含水率可达30%,之后可进行混合填埋或土地改良利用,解决污泥的最终处置出路。根据现场调研分析,该有机固体废弃物处理处置中心建于2017年,规模为50 t/d,主要用于接纳处理城市各污水处理厂产生的市政污泥以及部分厨余垃圾等有机固体废弃物,但由于污泥产量日益增加、堆肥周期较长、用地面积限制,目前该处理处置中心已接近满负荷运行。此外,城市填埋场容量有限,将不再接收市政污泥填埋处置,因此,亟需为污水厂污泥寻求新的处理处置出路。

另外,为全面整治黑臭水体,该市已逐步建立河道水体清淤治理方案与排水管道定期清淤工作制度,河道淤泥与通沟污泥产量差异较大、有机质含量较低,与污水厂产生的剩余污泥具有明显不同。结合工程建设要求,本次污水处理厂提标改造的同时,需新建污泥综合处理中心,用于集中协同处理污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥。污泥经深度脱水处理后,送至城市发电厂进行焚烧处置,以实现污泥减量化与无害化的工程目标。

2 设计难点

(1)污泥来源多、成分复杂、性质不同

与常规污水处理厂仅需处理厂内产生的污泥不同,本项目需要统筹考虑污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥的协同处理,污泥来源多、成分复杂、性质各不相同,具体为: ①污水厂污泥,即伴随污水处理过程中产生的污泥,包括初沉污泥、剩余污泥和化学污泥,经混合匀质后,污泥含水率可达99.2%～99.6%,且有机质含量高,并含有大量的病原微生物等。该类污泥的产量与组分相对稳定。 ②通沟污泥,主要来自该城市排水管网养护过程中疏通清掏出的管道沉积物。通沟污泥与污水厂污泥成分相似[3],但其微生物、有机质含量相对较低,以及部分重金属含量超标等。由于排水体制及精细化养护管理水平不同,通沟污泥产量与组分随城市地区、雨季变化差异较大。 ③河道淤泥,主要来自该城市部分河道水系定期清淤疏浚产生的淤泥。河道淤泥一般处于流态,含水率高且自然脱水困难,不同清淤水体产生的淤泥成分差异较大,对于受污染水体,有机质含量将大幅增加,并存在重金属超标污染现象。不同来源污泥性质比较如表1所示[3-7]。

表1 不同来源污泥性质比较Tab.1 Comparison of Sludge Properties from Different Sources

(2)用地限制、工艺复杂、老旧衔接改造困难

目前,污水厂一期污泥采用“机械脱水+好氧发酵+填埋或土地利用”的处理处置方式,由于有机固体废弃物处理处置中心已接近满负荷运行,且填埋场容量限制,故污泥的处置方式将由“混合填埋”向“发电厂焚烧”转变,并要求污泥处理的含水率降至60%以下。而已建污泥脱水机房尺寸仅24 m×10 m、设备脱水效率较低、不具备改造条件,无法满足发电厂接纳要求,因此,需重新设计污泥深度脱水处理系统。此外,本工程还需要同时考虑通沟污泥与河道淤泥的集中处理,包括预处理筛分、砂石分离和深度脱水处理系统,导致污泥处理工艺十分复杂,加上现状厂区用地较紧张,对新建污泥综合处理中心集约化布置提出了更高要求。如何衔接已建污泥处理设施、统筹考虑3类污泥的综合处理,避免工程重复建设,并降低工程投资与减少用地,将是本次工艺设计的重点与难点。

3 技术路线

本工程污泥处理对象包括污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥,考虑到污水厂污泥以活性污泥为主,有机质含量高,与其他两种污泥性质明显不同,因此,需要单独设计污泥处理工艺。而通沟污泥与河道淤泥中常含有纤维、石块、树枝、砂砾等杂物,工艺处理流程相似,将两者合并处理可以实现。此外,污水厂深度处理工艺产生的化学污泥,以无机质含量为主,可与通沟污泥、河道淤泥进行协同处理,因此,本次工艺设计总体考虑将污水厂污泥与通沟污泥、河道淤泥进行分类集中处理,并通过设计进泥连通管道,使得两条工艺路线在一定工况下(处理峰值或设备检修等)可以互为备用,达到协同处理的目的,能够提高设备利用率、降低工程建设成本及运营管理难度、最大限度发挥工程效益。

3.1 污水厂污泥处理

污水处理过程中将产生初沉污泥、剩余污泥和化学污泥,三者经储泥池(已建)充分混合匀质后进入污泥综合处理中心(新建)进行深度脱水处理。混合污泥平均含水率约为99%,首先输送至叠螺式污泥浓缩机进行机械脱水,同时投加高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)强化泥水分离,污泥经浓缩处理后含水率降至97%～98%[8];之后经污泥缓存罐泵送至污泥调理池,在调理池中投加FeCl3和石灰乳药剂,以改善污泥的脱水性能;最后由污泥柱塞泵压入超高压弹性压滤机进行处理(设计每天运行8 h,单批次时间为2 h),脱水泥饼含水率降至60%以下外运至发电厂焚烧。而对于污水厂一期已建污泥脱水机房,本次考虑保留应急备用,以提高运营生产安全。污水厂污泥处理工艺流程如图3所示。

图3 污水厂污泥处理工艺流程Fig.3 Sludge Treatment Process of WWTP

3.2 通沟污泥与河道淤泥处理

通沟污泥与河道淤泥在组成上主要包含有机质和无机矿化成分两大类,是有机污泥、砂石、生活垃圾以及其他杂物的混合体。结合工程建设目标,并考虑到污泥中砂砾对机械设备磨损的影响,本次通沟污泥与河道淤泥综合处理推荐采用“预处理筛分+砂石分离+污泥调理+高压板框压滤机”工艺[9-10]。根据城市管理计划,通沟污泥与河道淤泥定期清掏(淤)后,首先由污泥车转运至污水厂内卸料池,接着进行喂料至双层振动筛(双层振动筛上层格栅冲板孔径为80 mm,下层格栅冲板孔径为15 mm),用于粗大物料的预处理筛分;之后依次进入洗砂装置、沉砂池,主要目的为分离出0.2～10.0 mm的可沉砂砾,实现砂水分离,降低对后续机械设备的磨损;然后沉砂池出水经静止格栅进入储泥池混合匀质,并通过污泥泵输送至污泥调理池,同时投加PAM药剂;最后由污泥柱塞泵压入河湖专用高压板框压滤机进行深度脱水处理(设计处理周期为1～1.5 h,两台压滤机每天运行8 h),泥饼含水率降至60%以下外运处置。通沟污泥与河道淤泥处理工艺流程如图4所示。

图4 通沟污泥与河道淤泥处理工艺流程Fig.4 Process Flow of Sewer Sludge and River Sediments Treatment

4 工艺设计

4.1 污泥产量计算

(1)污水厂污泥产量

本工程污水厂内污泥产量来源于已建初沉池、已建生物反应池与新建高效沉淀池,经复核计算,初沉污泥产量为3 920 kg DS/d,含水率为98.2%;剩余污泥产量为3 786 kg DS/d,含水率为99.3%;化学污泥产量为157 kg DS/d,含水率为98.0%。故污水处理厂污泥总量为7 863 kg DS/d,折合污泥流量为766 m3/d,平均含水率为99.0%。

(2)通沟污泥与河道淤泥产量

目前,我国通沟污泥与河道淤泥治理的系统数据还比较缺乏,本次设计参考上海市及其他城市的经验数据:(1)对于通沟污泥,按照排水管道污泥产量为8 t/(km·a)(以含水率为80%计)进行估算[11],该城市中心城区现状污水管网、雨水管网及合流制管网总长度约为500 km,清掏周期为1年一清,故通沟污泥产量约为4 000 t/a;(2)对于河道淤泥,应根据水质考核要求、底泥污染评价、防洪排涝标准及河道周边条件等确定河道清淤深度,平均清淤深度宜为60～100 cm[12]。结合该城市实际情况,拟对中心城区西河、南河等主要水系进行定期清淤,清淤深度取30～60 cm,清淤周期为1～2年一清,计算得出河道淤泥产量约为57 500 m3/a(以含水率为90%计)。综合考虑,本工程通沟污泥与河道淤泥处理总量约为75 100 m3/a,平均含水率为87.5%,设计每年工期为320 d,计划每天运行8 h,故污泥处理量约为30 m3/h,并以此为依据进行设备选型与工艺设计。

4.2 主要构(建)筑物设计

4.2.1 卸料池

新建卸料池1座,尺寸为24.6 m×6.6 m×2.5 m,钢筋砼结构。卸料池安装有双层振动筛与转轮洗砂机,可去除污泥泥浆中大部分粗大垃圾和砂石。主要设备包括:双层振动筛1套(网板宽度为1 800 mm,上层格栅冲板孔径为80 mm,下层格栅冲板孔径为15 mm,功率N=18.5 kW)、转轮洗砂机2套(流量Q=40～80 t/h,N=7.5 kW)。

4.2.2 沉砂池、储泥池及尾水池

新建沉砂池、储泥池及尾水池各1座(合建),尺寸为30.9 m×15.2 m,有效水深为4.0 m,钢筋砼结构。其中,沉砂池用于进一步去除泥浆中粒径大于0.2 mm,密度大于2.65 t/m3的砂粒,以减轻后续工艺处理的负荷;储泥池主要用于污泥泥浆暂存,消除污泥产量波动的影响;尾水池主要用于收集污泥上清液以及一部分生产废水排水。

主要设备包括:污泥提升泵2台(Q=200 m3/h,扬程H=15 m,N=15 kW,1用1备,变频)、砂水分离器1套(Q=60 m3/h,N=0.75 kW)、吸沙泵1台(Q=60 m3/h,H=10 m,N=1.5 kW)、污泥回流泵1台(Q=100 m3/h,H=7 m,N=5.5 kW,变频)、废水排水泵1台(Q=105 m3/h,H=8 m,N=4 kW)。

4.2.3 污泥脱水车间

新建污泥脱水车间1座,建筑面积为1 540.44 m2,地上框架结构。污泥脱水车间是整个污泥处理工艺的核心单元,主要内容如下。

(1)污水厂污泥脱水处理系统。主要设备包括:污泥进料泵2台(Q=40～80 m3/h,H=30 m,N=18.5 kW,1用1备,变频)、叠螺式污泥浓缩机1套(Q=720～1 200 kg DS/h,N=5.23 kW)、调理池搅拌机2套(N=7.5 kW)、污泥柱塞泵1台(Q=100 m3/h,H=1.6 MPa,N=30 kW,变频)以及超高压弹性压滤机1套(Q=1 200 kg DS/h,N=18.5 kW,压滤面积S=150 m2)。

(2)加药系统。本工程污泥脱水絮凝剂采用阳离子PAM,设计投加量为2～5 kg/(t DS),配制质量分数为0.5%,投加浓度为0.1%～0.2%;铁盐与石灰调理剂设计投加量分别为干污泥量的8%、20%,实际投加量均应通过生产性试验确定。主要设备包括:絮凝剂制备装置1套(Q=3 000 L/h,N=2.5 kW,用于污水厂污泥处理)、絮凝剂制备装置1套(Q=6 000 L/h,N=3.7 kW,用于通沟污泥与河道淤泥处理)、三氯化铁储罐1套(容量V=10 m3)、石灰料仓1套(V=10 m3,N=10 kW)。

(3)给水系统。用于絮凝剂制备装置的在线稀释供水。主要设备包括:钢板水箱1套(V=8 m3)、稀释水泵2台(Q=30 m3/h,H=20 m,N=5.5 kW,1用1备,变频)。

(4)压缩空气系统。用于高压板框压滤机和气动阀门供气。主要设备包括:空压机1套(Q=0.71 Nm3/min,1.0 MPa,N=5.5 kW)、冷干机1套(Q=0.7 Nm3/min,0.7 MPa)、反吹储气罐1套(V=1 m3,1.0 MPa,碳钢)、仪表储气罐1套(V=0.3 m3,1.0 MPa,碳钢)。

(5)通沟污泥与河道淤泥脱水处理系统。主要设备包括:污泥调理池1套(V=108 m3,碳钢)、调理池搅拌器3套(N=7.5 kW)、河湖专用高压板框压滤机2套(Q=15 m3/h,N=16 kW,过滤面积S=500 m2)、污泥柱塞泵2台(Q=100 m3/h,H=2.0 MPa,N=22 kW,变频)。

4.3 除臭设计

为消除污泥处理过程中臭味对周围环境及工作人员的影响,对新建污泥综合处理中心采取除臭措施是非常必要的。本工程设计采用“不锈钢骨架+钢化玻璃”对污泥处理设备及水池构筑物进行密封,并按密封空间计算法进行除臭风量计算,换气次数取12次/h,单位水面面积臭气风量指标取10 m3/(m2·h),以此得出生物土壤滤池设计流量为22 000 m3/h,设计接触停留时间不小于40 s。臭气经土壤生物滤池处理后达标无组织排放,恶臭气体浓度执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)厂界二级排放标准。

5 工程分析

5.1 碳排放分析

污泥处理处置过程对于污水处理行业的碳排放有重要影响。研究[13]表明,污泥处理处置产生的碳排放占污水厂总排放量的65%～76%。本工程根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》提出的排放因子法,对污泥深度脱水处理进行碳排放量计算,碳排放因子取值[14]如表2所示。可以看出,在不考虑有机质含量变化对污泥脱水碳排放影响的前提下,本工程污泥深度脱水处理单位碳排放量为976.9 kg CO2/(t DS),其中药剂投加碳排放量为952 kg CO2/(t DS),占比达97.45%,因此,通过工艺升级、减少药剂投加,对于污泥深度脱水处理碳减排具有重要意义。

表2 碳排放因子取值Tab.2 Value of Carbon Emission Factors

5.2 效益分析

根据初步设计批复,工程总投资为6 850.33万元,其中新建污泥综合处理中心单项投资为1 144.48万元。污泥处理每日的单位直接运行成本中,电费约为46.92元/t,药剂费约为187.18元/t,脱水泥饼外运费为40元/t,人工、水费及其他费用暂不计入,合计每日的直接运行成本为274.1元/t,此外,发电厂接纳泥饼的处置费为219.2元/t。可以看出,本次污泥处理工程不产生直接的经济效益,但通过污泥深度脱水处理,并进行焚烧处置,可将部分有机质转化为能量,降低生产能耗,有效解决了污泥的最终出路,避免了城市污泥对生态环境造成影响,具有显著的环境效益和社会效益。

6 结论与建议

(1)“双碳”背景下,我国城市污水处理事业正在逐步由“重水轻泥” 向“泥水并重”转变,统筹考虑污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥的处理处置已成为城市管理的迫切需求。

(2)以某城市污泥综合处理中心设计为例,分别采用“叠螺式浓缩机+污泥调理+超高压弹性压滤机”与“预处理筛分+砂石分离+污泥调理+高压板框压滤机”工艺,并通过设计进泥连通管道,实现了污水厂污泥、通沟污泥与河道淤泥的集中协同处理,脱水泥饼含水率可降至60%以下。

(3)对于不同来源污泥的集中处理,可充分利用污水厂既有条件,节约用地、降低工程投资,但同时也应考虑城市条件、运输费用等,建议从城市专项规划层面作出指导,整体分析、兼顾实施。