高碑店污水处理厂污泥处理系统及设计中应注意的一些问题

高碑店污水处理厂污泥处理系统及设计中应注意的一些问题张韵 冯运玲北京市市政工程设计研究总院摘 要：高碑店污水处理厂是目前国内最大的城市污水处理厂并已投入运行多年，该厂具有完善的污泥处理系统，其中包括污泥的厌氧消化、沼气发电以及发电机组余热利用系统等。本文着重介绍了该厂污泥处理系统的设计，并结合近年实际运行情况进行了分析总结，提出设计中应注意的一些问题和建议。关键词：污泥处理系统，厌氧消化，沼气发电，余热利用Issues to be Noted in the Design of Sludge Treatment Systemin Gaobeidian Sewage Treatment PlantZhang Yun , Feng Yunling（Beijing General Municipal Engineering Design & Research InstituteB-2 South Yuetan Street,10045 Beijing）Abstract:Gaobeidian STP which has been put into operation for quiet a number of years is currently the largest urban sewage treatment plant in China. It is equipped with a complete sludge treatment system, composing processes as anaerobic digestion of sludge, methane generation and utilization of residual heat from generating sets. This paper focuses on an introduction of the design of the sludge treatment system. Based on an analysis of the practical operation of the STP in recent years, this paper also points out the issues to be noted in the design of the sludge treatment system and proposes some suggestions in this regard.Key words: sludge treatment system, anaerobic digestion, methane generation, utilization of residual heat1序言随着污水处理的不断普及，污泥处理也越来越引起人们的重视。污泥的处理在污水处理过程中是不可忽视的重要环节。在污水处理过程中污染物一部分被微生物降解，一部分以污泥的形式存在。污泥中含有有机物、重金属、病原菌等，若处理、处置不当很容易造成对环境的二次污染，使污水处理厂不能发挥其应有的功能。污泥处理和处置费用在整个污水处理厂处理费用中约占40%左右。无论在污染控制上还是在运行费用上，污泥处理和处置在整个污水处理过程中都起到十分重要的作用。近十多年来，我国城市污水处理有了较大的发展，全国已建成400多座城市污水处理厂，城市污水处理率34%以上，全国已建成的污水处理厂中采用污泥中温消化的污水处理厂约占25%，采用污泥浓缩脱水的污水处理厂约占60%，另外还有小部分采用好氧消化和污泥自然干化处理。可见，采用中温厌氧消化的污泥处理仍只占小部分，利用污泥消化产生的沼气发电及余热利用的更少。其原因，一方面是我国经济实力所限，另一方面是我国污水处理总体起步较晚，污泥处理较污水处理更晚些。本文就高碑店污水处理厂污泥系统的设计及运行进行总结和分析，对今后污水厂污泥处理系统的设计及运行具有重要意义。2高碑店污水处理厂概况高碑店污水处理厂是在90年代建设的大型城市污水处理厂，位于北京市东郊朝阳区高碑店乡，距市中心约14km，接纳旧城区及东郊工业区的污水，总流域面积约100km2。处理规模100万m3/d，分两期建成，一期50万m3/d于1993年竣工，二期50万m3/d于1999年竣工。出水回用或排入通惠河。该厂总占地约68公顷。目前，实际处理污水量约80余万m3d。高碑店污水处理厂的水处理工艺采用倒置A2O污水处理工艺；污泥处理工艺采用重力浓缩、二级中温消化、带式脱水机脱水；利用消化产生的沼气发电并网，利用发电机发电过程中产生的余热进行消化池内污泥的加热，不足部分由厂内蒸汽锅炉提供。图1所示为该厂工艺流程图。图1 高碑店污水处理厂工艺流程图3污泥处理系统设计介绍高碑店污水处理厂的污泥处理系统是一个典型且完整的系统，它包括污泥系统、沼气及安全系统、余热利用系统等。二期工程的设计在充分总结一期工程的基础上，结合一期工程实际运行情况，工艺设计做了部分调整。污泥处理系统中一期、二期的主要不同点见表1。3.1污泥系统污泥系统是指对污泥的处理过程，主要构筑物为浓缩池、消化池及脱水机房。图2 高碑店污水处理厂全厂实景图 图3 高碑店污水处理厂泥区实景图表1 一期、二期污泥处理系统设计的不同点项目一期二期浓缩池固体负荷(kg/m2/d)5170池直径(m)23.520消化池搅拌方式沼气间歇搅拌机械连续搅拌加热方式泥水热交换及蒸汽直接加热，间歇式泥水热交换及汽水热交换，连续式排泥方式泵排泥静压排泥（溢流排泥）脱硫方式干式脱硫（Fe2O3）湿式脱硫（NaOH）沼气储存方式3000m3气柜2000m3球罐10000m3气柜发电进气方式高压进气发电低压进气发电3.1.1浓缩池浓缩池采用连续式重力型式。设计进、出泥含水率分别为97%、94%；设计固体负荷一期、二期分别为51、70kg/m2/d。一期、二期浓缩池直径分别为23.5m、20.0m；浓缩池数量为12座（一期、二期各6座）；浓缩池运行方式采用间歇进泥、间歇排泥。3.1.2消化池消化池采用二级中温厌氧消化。消化池设计进泥含水率为94%；消化时间为28天；设计进泥有机物含量60%，有机物分解率为50%，沼气产量为12m3/m3湿泥；一期消化池加热方式在正常情况下为泥水热交换器间歇加热，在没有热水源的情况下，用蒸汽直接加热；二期加热方式均为泥水热交换器连续加热；一期、二期消化池搅拌方式分别为沼气间歇搅拌、机械连续搅拌；一期、二期消化池一级消化池排泥方式分别为泵排泥、溢流排泥。消化池直径为20m，有效水深25m，一级、二级消化池池数分别12座、4座；消化池进泥方式为间歇式。3.1.3脱水机房脱水机型式为带式压滤机，一期、二期带宽分别为3.0m、2.6m，一期、二期各5台，共10台，；设计进泥含水率为95%，出泥泥饼含水率为7580%；采用高分子混凝剂，投加量约25。3.2沼气及安全系统沼气及安全系统是指对污泥气的脱硫、收集、利用及沼气安全系统的设计，主要包括的构筑物及设备为：脱硫塔、沼气柜（罐）、沼气发电机房、废气燃烧器等。该系统的主要设计参数：l 消化池内沼气静压：200800mmH2Ol 沼气量：53000 m3/d（一期、二期分别为26500 m3/d）3.2.1脱硫塔沼气脱硫是沼气系统中十分关键的处理单元，脱硫的好坏直接关系到后续设备的效率。一期、二期工程的脱硫形式分别为干式脱硫、湿式脱硫，采用的脱硫剂分别为TTL-1（主要活性组分氧化铁）、 NaOH 碱液；设计压力为P=500mmH2O；设计H2S浓度为 0.11gm3；一期脱硫塔直径D=3.0m、塔高H=13.0m，二期脱硫塔直径D=0.6m、塔高H=6.2m；一期、二期各两座，均为1用1备。3.2.2沼气储存装置一期储气采用一座气柜和一座球罐。气柜容积为V=3000m3，压力为P=200400mmH2O；球罐容积为V=2000m3，球罐内气体压力为P56kg/cm2。二期储气采用一座气柜。气柜容积为V=10000m3，压力为P=200400mmH2O。3.2.3发电机房一期工程的沼气发电机型式为高压进气发电机（Cooper），共4台。发电机进气压力为P4.25.0kg/cm2，发电量为470kw/台，发电效率为29%，热回收效率为37%。二期工程的沼气发电机型式为低压进气发电机（Jenbacher），共3台。发电机进气压力为P5001000mmH2O，发电量为652kw/台，发电效率为38%，热回收效率为50%。根据计算，当发电机满负荷运行时，年发电量可达3300万度，可节省全厂40%以上的用电量。3.2.5废气燃烧器当沼气产生量高于沼气利用量时，多余沼气通过废气燃烧器烧掉；当沼气发电系统未工作时，沼气通过废气燃烧器烧掉。设计共设两台废气燃烧器，燃烧能力为Q=01104 m3/hr/台=026500 m3/d/台。3.2.6安全系统沼气由55%70%的甲烷、25%40%的二氧化碳和1%5%的氮硫化合物和硫化氢组成。沼气与空气以1：514（体积比）混合时，如遇明火会引起爆炸。同时，空气中沼气含量达到一定浓度会具有毒性。因此，沼气是具有很高利用价值同时是系统设计中具有一定危险的物质。因此，在污泥处理系统设计中，沼气安全系统的设置很重要。首先是污泥处理区的平面布置要满足消防安全的要求，对于外界条件要特别注意，如与铁路的安全距离，公路的距离等；内部平面设计，要注意构筑物的间距；沼气压缩机房、增压机房注意防爆要求；有沼气通过的室内要安装可燃气体报警装置。沼气安全系统是指在消化池及沼气系统中安装了系列安全阀。高碑店工程主要有消焰器、真空压力安全阀、负压防止阀及回流阀等。（1）消焰器：防止外部火焰进入沼气系统及火焰在管路系统中传播，从而防止系统的爆炸。主要设置在气柜、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器等沼气管进口处，以及所有沼气系统与外界连通部位。（2）真空压力安全阀：当沼气产量大于气柜所承受的量或沼气管道发生堵塞时，该阀门打开将多余的沼气释放到大气中去。主要设置在消化池和气柜顶部。（3）负压防止阀：防止阀门前部系统沼气量不足的情况下，后部使用系统依然继续抽吸气体从而使系统形成负压。主要设置在沼气压缩机和脱硫塔装置的入口处。（4）回流阀：防止消化池产生负压。主要设置在气柜回流到消化池的沼气管路上。图4 沼气安全系统设计示意图（高碑店污水处理厂二期工程）3.3余热利用系统污泥的中温消化需要大量的热来维持消化温度，经计算高碑店污水处理厂消化池所需最大加热量约288万460万Kcal/hr，沼气发电系统运行中产生大量可利用的余热可用于消化池的加热。余热利用主要有燃气混合、缸套水、润滑油及尾气等四部分热能。经计算，当发电机组满负荷运行时，可利用的余热约430万Kcal/hr。可见，即使发电机满负荷运行时其余热也不能完全满足消化池的加热需要，故还需要有备用热源。高碑店污水处理厂中有两套加热系统即沼气发电机余热利用系统及汽水热交换系统（蒸汽锅炉）加热。图5为二期工程余热回收与加热系统工艺流程图。热回收与加热系统分四种情况运行：（1） 当发电机组余热满足消化池所需热量时，即全部利用发电机组余热加热污泥系统，其工艺流程为：泥水热交换器（冷水）冷水环管发电机水循环泵发电机组循环泵热水环管（热水）泥水热交换器（热泥）消化池（2） 当沼气发电机未运行或未正常运行时，消化池需要用蒸汽锅炉加热系统进行加热，其工艺流程为：泥水热交换器（冷水）冷水环管汽水热交换器（蒸汽锅炉）热水环管（热水）泥水热交换器（热泥）消化池（3） 当发电机未满负荷运行，发电机组余热不能满足消化池所需热量时，需要沼气发电机热交换系统和汽水热交换器串联系统为消化池供热，其工艺流程为：泥水热交换器（冷水）冷水环管发电机水循环泵发电机组循环泵汽水热交换器（蒸汽锅炉）热水环管（热水）泥水热交换器（热泥）消化池（4） 当沼气发电机余热经泥水热交换器回至发电机冷却水入口处，其温度大于70，不满足发电机冷却要求或消化池本身污泥系统未运行时，需要发电机自身配套水水热交换器，通过紧急风冷器冷却。热泥泥水热交换器冷水环管热水环管发电机水循环泵发电机组循环泵冷泥热水汽水热交换器紧急风冷蒸汽锅炉冷水热水消化池管道泵图5 二期工程热回收与加热系统工艺流程图4污泥处理系统运行中存在的问题及分析目前高碑店污水处理厂污泥处理系统运行以来，运行情况良好。一级消化池有机物分解率为理论分解率的80%以上，有机物产气率为690ml/gVSS以上，为理论产气率的85%以上。沼气发电平稳，年发电量达1000万度，2003年占全厂用电的23%，且已顺利并网。可以说高碑店污泥处理系统是一个十分成功、典型的污泥厌氧消化处理系统。但由于处理厂实际进水水质与设计不同等因素，导致污泥处理系统运行中仍存在一些问题。4.1固体内循环现象浓缩池实际运行出泥含水率偏高。设计浓缩池出泥含水率为94%，而实际运行的浓缩池出泥含水率9596%，浓缩池固体回收率仅为21%47%，即单从浓缩池这一环节（通过浓缩池上清液）回流到污水处理系统的固体就是正常排泥量的14倍。造成固体内循环现象主要是原因是污泥处理系统的运行与水处理系统的运行不同步。浓缩池的排泥应该作为消化池的进泥，因为种种原因，消化系统的启动滞后于脱水系统，就造成泥区从一开始运行，浓缩排泥均需要脱水系统来消纳。因为缺少消化系统的污泥减量化的环节，引起脱水机的处理量超过设计值，脱水机长期疲劳运转造成设备的老化和磨损严重，同时部分污泥不能及时脱水，日积月累就形成了一段时间的固体内循环现象。由于固体内循环造成初沉池污泥量增加，使浓缩池进泥量大于设计污泥量，超过了浓缩池的浓缩能力，从而导致上清液浓度较高，同时排泥浓度较低,污泥含水率到不了94%的设计值，使得后续处理单元的运行效率也受到影响（1）由于消化池进、出泥含水率高于设计值，故其单位湿泥产气量低于设计值，即总沼气产量低于设计值，造成发电机组非满负荷运行，其后续余热利用也受到了影响。（2）由于消化池出泥含水率偏高，即脱水机进泥含水率偏高，造成脱水机干泥产量低于设计值。为了使污泥系统正常运行，必须消除固体内循环现象，这就要求增加后续脱水等设备数量或更换能力更高的脱水设备，使其脱水能力大于目前每天产生的新鲜固体，逐渐减少内循环的固体量，从而使运行逐渐恢复正常。4.2沼气脱硫问题沼气脱硫效果不理想，引起后续处理设备的腐蚀（如球罐出现漏点、发电机系统内的汽水热交换器发生腐蚀穿透等现象）以及堵塞等，影响了发电机的发电效率及余热利用效率。设计H2S参数偏低是造成脱硫效果不理想的主要原因之一。该设计是根据高碑店污水处理厂中试试验结果进行的。但由于目前工业结构调整，厂内进水水质发生了很大变化，工业用水减少，生活污水含量逐渐升高，粪便污水大量排入，导致沼气中H2S含量升高。原设计沼气中H2S含量0.11gm3，而目前实际H2S含量已高达110gm3提高了十倍左右。4.3消化池运行中有关问题（1）上清液管路易堵浮渣是造成上清液管路堵塞的主要原因，应加强破渣措施，并适当增大上清液管的管径。（2）溢流排泥不畅由于消化池溢流排泥管入口在消化池底部，加之消化池底部一般沉砂较多，使得溢流排泥起始阶段容易排泥不畅，可考虑通过泵辅助来改善溢流排泥效果。4.4沼气管路中水封罐设置由于进行高碑店污水处理厂设计时，国内尚无沼气管路中水封罐设置的相关规范，且国内这方面的设计经验也比较少，设计是参考相似规范进行的，并均在低点设置了水封罐，但设置的数量还是偏少，使沼气中冷凝水排除不够充分，导致了沼气管路的堵塞并加重了其腐蚀。目前高碑店污水处理厂已经增加了水封井的设置，并加强了沼气管路的冷凝水的排除及管理。5污泥处理中值得探讨的几个问题(1) 污泥系统与污水处理系统工艺有密切关系，应注意水系统运行效果对泥系统运行的影响。(2) 缩池一般是污泥处理系统中的第一个处理单元，其设计参数的选择直接影响到后续处理单元的处理规模选择，设计中应考虑将来运行的灵活性。(3) 处理系统中，是剩余活性污泥直接处理，还是与初沉污泥混合后处理值得研究。(4) 对于污泥管，管径应适当加大，对于重力流的管道应尽量增加其坡度。(5) 应重视沼气、冷热水系统管路的保温及防腐，尽可能选择高质量的管材。(6) 设计中应充分考虑沼气中H2S的含量，适当考虑硫的回收。沼气脱硫十分重要，它将影响后续工艺的运行效果及设备的使用寿命。(7) 沼气管路中水封罐的设置十分重要，它在降低H2S对管道及设备的腐蚀中起着举足轻重的作用。管路中应尽可能多设置水封罐，并加强其管理。(8) 沼气的计量在污水处理厂实际运行中较难测量，应考虑设置特殊计量装置。(9) 注意污泥处理中的除臭问题。(10) 污泥系统运行复杂，应注意安全系统、维护检修系统及自动化控制系统的配备并尽量做到操作简单。参考文献1 张自杰主编，排水工程，中国建筑工业出版社，2001。2 张韵等，污泥处理能源的利用沼气发电及其热能回收，北京市市政工程设计研究总院建院四十五周年论文集，2000.04。3 史骏等，污泥厌氧消化沼气安全系统的设计，北京市市政工程设计研究总院建院四十五周年论文集，2000.04。4 刘坤一，高碑店污水处理厂二期工程设计，北京市市政工程设计研究总院建院四十五周年论文集，2000.04。5 金儒霖主编，污泥处置，中国建筑工业出版社，2001。6 常憬、杭世珺，高碑店污水处理厂一期工程设计及运行考察，国内外废水工程设计实例，化学工业出版社，2000.05。7 杭世珺、常憬，高碑店污水处理厂二期工程设计，国内外废水工程设计实例，化学工业出版社，2000.05。8 北京市市政工程设计研究总院主编，给水排水设计手册 第5册 城镇排水，中国建筑工业出版社，2004。8 / 8文档可自由编辑打印