地下污水处理厂污泥干化车间通风除臭系统设计
发布时间:2022年9月28日 点击数:6593
0 引言
随着城市的快速发展，污水处理厂的数量和污水处理量同步增加[1],导致污泥量快速增大，以往仅将浓缩污泥通过机械脱水的方式处理到80%含水率再进行相关处置，存在二次污染等严重影响城市可持续发展的问题。以广州市为例，中心城区的市政污泥泥质特点为：含水率较高，有机质含量偏小，并呈季节性变化；寄生虫卵、病原微生物等致病物质普遍超标；部分污水处理厂污泥中存在的铜、锌、铬等重金属超标；含有多氯联苯等难降解有机物。因此，需要对污泥进行妥善处理处置，避免造成二次污染，满足污泥处理处置的减量化、稳定化、无害化的要求[2]。国家早在“十三五”时期即对相关重点城市提出“到2015年底，全市污泥无害化处理处置率达到100%”的考核目标。为此，各重点城市对于市政污泥的后续处置开展了专题研究，指出含水率30%～40%的污泥可用作水泥生产、回填土、免烧砖等材料；含有一定有机质的污泥，可用于焚烧和其他热处理，产生热能；重金属达标的污泥也可用于园林业培植植物的基质土。
考虑到不同含水率的污泥特性及对各污水处理厂出厂泥质的要求，将污泥在厂内处理至含水率30%～40%是合适的，并以此作为污水处理厂新建和改扩建污泥处理设施技术升级改造的目标。广州市2010年新建投产了全国第一座全地下膜生物反应器污水处理厂，开创了地下污水处理厂之先河，并在此领域一直走谌傲校嚼丛蕉嗟牡叵挛鬯沓П唤ㄉ瑁勰喔苫枋┥柚迷诘叵碌慕仙伲餮谐阒萃饨鲇猩虾Ｊ刑┖臀鬯沓А１疚募丛诖饲疤嵯拢岷瞎阒菔兄行某乔�8个地下污水处理厂设置污泥干化车间的通风除臭系统实施情况进行介绍。
1 污泥干化车间通风除臭系统重难点分析及应对措施
地下污泥干化车间在污泥干化过程中存在如下关键问题：
1) 污泥干化及传送过程中易产生粉尘，尤其在装车时粉尘颗粒细小、浓度较高。如设计考虑不周或运营管理不规范，粉尘逸散到空气中，在重力作用下沉积在地面及设备表面，日积月累，沉积的粉尘成为臭气污染源，不断散发臭味。
2) 污泥干化基本采用高温(高于150 ℃)加热或低温真空干化。无论采用何种干化工艺，干化设备外表面的温度均远高于室内空气温度，虽然污泥干化设备通常设置保温材料，但仍存在保温材料厚度不够、保温不完全等缺陷，导致干化设备热量源源不断传递到操作车间。特别是采用高温干化工艺的污泥干化车间，实测室内空气温度一般超过34 ℃,部分污泥干化车间的室内空气温度甚至达到39 ℃。较高的室内温度加剧了恶臭污染物的逸散，导致臭气浓度增大。
3) 污泥中有机质含量较高，存储转运中容易发生厌氧发酵反应，产生氨气、硫化氢等较高浓度臭气，且对污泥进行加热会产生更多有机恶臭物质。在检修、取料和运输过程中，恶臭物质逸散至操作车间，影响室内空气品质。同时，污泥干化后的尾气中臭气浓度较高，可达5 000～100 000,且臭气浓度的波动范围大，较难处理到达标排放。
根据上述分析，为有效收集恶臭物质，主要采用加罩及压差控制方式。脱水机落料及清洗机污泥干化设备取料时均存在臭气逸散，脱水机设置玻璃除臭罩，干化设备内部设置负压系统收集臭气(见图1)。污泥料斗在干泥装车时，设置了负压臭气系统，避免装泥时粉尘逸散。通过加罩及负压收集系统，可有效减少由于检修门的缝隙或由于检修开启门等情况导致的恶臭污染物逸散。
高浓度的污泥干化区与低浓度区域、车道、走道连通区域设置缓冲间(见图2),缓冲间送入离子风，保证其相对臭气源区域维持正压，有效控制臭气逸散至非臭气源区域。
为减少和便于核实污泥干化设备散热负荷，统一要求各设备厂家提供所有热源管路和设备表面积，并保证表面温度不高于34 ℃。污泥干化车间设置空调降温，将室内空气温度有效控制在30 ℃以下，减弱恶臭污染物逸散，提高工作人员的热舒适感。
2 污泥干化车间除臭系统设计
2.1 广州8个地下污水处理厂污泥干化工艺简介
2018—2020年广州新建8个地下污水处理厂的污泥干化车间基本情况如表1所示，除沥滘三期污泥干化车间在地上，其他污泥干化车间均在地下。采用了4种污泥干化工艺，其中4个厂的热源为蒸汽锅炉，其他4个厂为热泵。上述工艺是基于在全国范围内开展的污泥干化工艺调研结果，综合各方面因素(包括产能、粉尘、臭气等),选取的适宜在地下设置的污泥干化工艺。
2.2 地下污泥干化车间通风除臭系统设计
污泥干化车间根据臭气源分布特点和臭气污染物的浓度，设置除臭系统。高浓度臭气源区域为污泥干化设备内部、污泥运输管道及污泥储存设备，采用多级除臭进行处理，根据臭气源臭气浓度和排放限值要求选择除臭工艺。以西朗二期、大沙地扩建及健康城污水处理厂采用的板框压滤机+圆盘干化机为例，简要介绍高浓度臭气源的除臭工艺选择。
表1 广州8个地下污水厂污泥干化工艺基本情况 导出到EXCEL
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形式 | 设备产能规模/(t/d) | 工艺方案 |
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西朗二期 |
地下 | 42 | 板框压滤机(60%)+圆盘干化机(30%～40%);热源为电锅炉，提供200 ℃蒸汽 |
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大沙地扩建 |
地下 | 37 | 板框压滤机(60%)+圆盘干化机(30%～40%),热源为电锅炉，提供200 ℃蒸汽 |
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健康城污水处理厂 |
地下 | 14 | 板框压滤机(60%)+圆盘干化机(30%～40%),热源为电锅炉，提供200 ℃蒸汽 |
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沥滘三期 |
地上 | 35.0 | 离心脱水机(75%)+卧式薄层干化机(30%～40%);热源为电锅炉，提供200 ℃蒸汽 |
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龙归三期 |
地下 | 21.0 | 板框压滤机(60%)+热干化机(30%～40%);热源为空气源热泵机组，提供热风 |
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大观污水处理厂 |
地下 |
32.8 |
低温真空深度脱水干化一体机(深度机械脱水(60%)+真空干化(30%～40%));热源为污水源热泵机组，提供85 ℃热水 |
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石井净二期 |
地下 |
21.0 |
低温真空深度脱水干化一体机(深度机械脱水(60%)+真空干化(30%～40%));热源为污水源热泵机组，提供85 ℃热水 |
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江高污水处理厂 |
地下 |
22.4 |
低温真空深度脱水干化一体机(深度机械脱水(60%)+真空干化(30%～40%));热源为污水源热泵机组，提供85 ℃热水 |
注：括号中的数值指处理完的污泥的含水率。
根据该工艺臭气处理的以往项目，平均臭气浓度为4 100,考虑臭气源臭气浓度存在波动情况，最高浓度可达8 200,因此设置了活性炭吸附作为应急措施，保证尾气达标排放。根据该工艺的特点，高浓度臭气处理选用了水洗+碱洗+生物除臭+次氯酸钠酸洗+活性炭应急吸附。高浓度初始进气浓度和主要污染物在各工艺段的去除效率如表2所示，处理完的臭气浓度为224,满足广州净水公司控制在300以下的要求，硫化氢和氨气浓度均在限值以下。多级除臭工艺流程如图3所示。活性炭吸收装置设置有旁通管路，正常运营时，活性炭吸收装置不开启，尾气由旁通管高空排放；检测到出口浓度超标时，关闭旁通管，尾气经活性炭应急装置处理达标蟾呖张欧拧�
表2 主要污染物在各工艺段的去除效率分析 导出到EXCEL
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特征 污染物 |
初始浓度 |
水洗塔 去除率/% |
下一级 入口浓度 |
碱洗塔 去除率/% |
下一级 入口浓度 |
生物除臭 去除率/% |
下一级 入口浓度 |
次氯酸钠酸洗 去除率/% |
预计出口 浓度 |
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氨气 |
21.5 mg/m3 | 30 | 15.02 mg/m3 | 0 | 15.05 mg/m3 | 90 | 1.505 mg/m3 | 30 | 1.053 mg/m3 |
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硫化氢 |
1.5 mg/m3 | 10 | 1.35 mg/m3 | 20 | 1.08 mg/m3 | 90 | 0.108 mg/m3 | 30 | 0.075 mg/m3 |
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臭气 |
4 100 | 20 | 3 280 | 0 | 3 280 | 90 | 320 | 30 | 224 |
多级除臭工艺满足污泥干化车间高浓度臭气源尾气处理要求，设置应急处理满足其浓度波动处理要求的同时，降低运行能耗，减少活性炭更换量。不同污泥干化工艺臭气源的臭气浓度和污染物的种类及其浓度不尽相同，需根据特性，组合不同除臭工艺。
在布置臭气收集风口时，根据地下污水处理设施各区域臭气浓度和臭气源的分布特点，按照臭气浓度高低、有无臭气源等情况，通过控制送排风量，实现臭气低浓度区域相对高浓度区、无臭气源区相对于低浓度区保持10 Pa的压力梯度，尽量减少臭气向低浓度或无臭气源区域逸散。污泥干化车间各区域送风量为排风量的70%,各区域排风换气次数[3]见表3。
表3 污泥干化车间各区域排风换气次数 h-1 导出到EXCEL
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装泥间 |
12 |
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脱水机、干化机密闭罩 |
10 |
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脱水机、干化机设备 |
15 |
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脱水机房污泥料仓 |
6 |
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污泥浓缩池操作间 |
8 |
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脱水机房 |
6 |
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污泥干化间 |
6 |
在污泥干化车间其他构筑物中，由于污泥存储、转运输送工程中存在臭气逸散到空间的情况，采用空间隔离、设备加盖或设置密封等形式将臭气控制在尽可能小的范围内，负压收集至生物除臭装置处理，生物除臭装置的工艺流程如图4所示。
2.3 地下污泥干化车间空调系统设计
污泥干化车间主要负荷包括：污泥干化设备散热量和直流送风的新风负荷，有透明玻璃吊装孔的污泥干化车间的冷负荷还包括太阳直射得热和玻璃传热得热引起的冷负荷。
根据GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》要求[4],当工艺无特殊要求时，生产厂房夏季工作地点的温度可根据夏季通风室外计算温度及其与工作地点的允许最大温差进行设计，并不得超过表4规定值。
表4 夏季工作地点温度 ℃ 导出到EXCEL
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夏季通风室外计算温度 | ||||||||
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≤22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29～32 | 33 |
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允许最大温差 |
10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 |
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工作地点温度 |
≤32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32～35 | 35 |
生产厂房不同相对湿度下空气温度的上限值应符合表5的规定。
表5 生产厂房不同相对湿度下空气温度的上限值 导出到EXCEL
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相对湿度φ | ||||
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<55% |
55%≤φ <65% |
65%≤φ <75% |
75%≤φ <85% |
≥85% |
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温度/℃ |
30 | 29 | 28 | 27 | 26 |
对于地下污泥干化车间，其冷负荷主要为干化设备的散热量，工艺生产过程一般无散湿量，热湿比较大。根据笔者所在单位开展的相关研究，室内温度越高，污泥干化时产生的恶臭污染物的逸散速率越大，当室温控制在20 ℃时，其逸散速率相对较低。综合能耗及室内环境要求，新建地下污泥干化车间设计温度取30 ℃,相对湿度φ<55%。
除石井污水处理厂二期、大观污水处理厂由于土建和运营管理原因，其他5个地下污水处理厂均设置了空调系统，各水厂的送风量及冷负荷统计见表6。中心城区建设的地下污水处理厂的地面区域通常被规划为湿地、体育公园等，甚至可能用来进行综合开发。从景观、卫生和综合开发考虑，地面不适合设置冷却塔或者风冷型空调机组。考虑到地下污水处理厂有丰富的中水，利用处理完的中水作为冷却水，采用中水源直膨式空调机组系统，其水系统原理图见图5。
表6 广州地下污水处理厂污泥干化冷负荷 导出到EXCEL
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冷风送风 量/(m3/h) |
冷负荷/ kW |
设备发热 量/kW |
围护结构冷 负荷/kW |
新风负 荷/kW |
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健康城污水处理厂 |
33 872 | 311 | 77 | 113 | 121 |
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大沙地扩建 |
41 538 | 334 | 48 | 136 | 150 |
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西朗二期 |
45 451 | 391 | 94 | 143 | 154 |
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江高污水处理厂 |
37 570 | 201 | 50 | 10.5 | 135.5 |
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龙归三期 |
60 516 | 548 | 268 | 75 | 205.4 |
3 试运行效果
改善了地下空间空气环境状况，根据摘自第三方对污水处理厂内外部环境的监测报告(见表7、8),脱水机房、干化机房的臭气浓度控制在20以下，经处理后的尾气集中排放口臭气浓度控制在300以下，达到国际领先水平，厂界处的污染物浓度均低于国家标准规定数值，对于周边环境没有造成二次污染，实现了和谐共生。
表7 地下污水处理厂内部环境第三方监测报告 导出到EXCEL
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浓度测定结果 | 浓度设计限值 | |
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脱水机房 | 干化机房 | |
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总粉尘 |
0.80 mg/m3 | 0.70 mg/m3 | 1.00 mg/m3 |
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呼吸性粉尘 |
0.30 mg/m3 | 0.50 mg/m3 | 0.70 mg/m3 |
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硫化氢 |
未检测到 | 未检测到 | 10.00 mg/m3 |
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氨 |
1.16 mg/m3 | 1.18 mg/m3 | 20.00 mg/m3 |
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二硫化碳 |
未检测到 | 未检测到 | 0.50 mg/m3 |
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臭氧 |
未检测到 | 未检测到 | 0.16 mg/m3 |
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甲醛 |
未检测到 | 未检测到 | 0.50 mg/m3 |
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氯气 |
未检测到 | 未检测到 | 1.00 mg/m3 |
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一氧化碳 |
1.20 mg/m3 | 1.60 mg/m3 | 10.00 mg/m3 |
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臭气 |
15 | 16 | 20 |
表8 地下污水处理厂外部环境第三方监测报告 导出到EXCEL
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厂界浓度 | 除臭风塔出口浓度 | ||
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测定结果 | 设计限值 | 测定结果 | 设计限值 |
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硫化氢 |
未检测到 | 0.06 mg/m3 | 0.000 03 mg/m3 | 0.06 mg/m3 |
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氨 |
0.20 mg/m3 | 1.50 mg/m3 | 0.053 mg/m3 | 0.60 mg/m3 |
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臭气 |
12 | 20 | 173 | 300 |
4 结语
广州近年新建的8个地下污水处理厂中有7个污水处理厂的污泥干化车间设置在地下，其关键问题是污泥干化车间的臭气污染物能否有效控制，以确保室内外的工作和生活环境最大限度地不受污染。在缺乏实际成功案例的情况下，结合多年的科研成果，根据对既有地面污泥干化车间的室内外环境实地测试情况进行分析总结，提出了相关解决方案。此轮建设的污泥干化车间基本完工，从污泥干化车间3天连续运行的第三方监测效果来看，总体达到设计要求，全年运行效果有待持续检验。
