太原市城市污泥处置中心设计方案介绍
摘要：城市污水处理厂产生的污泥采用高温好氧堆肥+制肥工艺，成功地实现了污泥减量化、稳定化、无害化、资源化的有机结合。取得了环境效益和经济效益双赢的结果，具有良好的发展前景。
关键词：高温好氧堆肥 隧道窖 发酵
城市污水在处理过程中，将会产生大量的污泥，如不妥善处理，必将引起二次污染。太原市目前日产城市污水70万M3，现有城市污水处理厂六座（其中两座分别由太化集团和太钢集团运营），设计处理能力约40万M3/日，日产污泥量约360M3（含水率为80%），除杨家堡污水净化厂采用高温堆肥+制肥工艺对污泥进行无害化、资源化处理外，尚有约200M3/日的污泥（含水率为80%）只经过机械脱水外，与城市垃圾混合后进行填埋。“十一五”期间，太原市通过新建城南污水处理厂和扩建河西北中部污水处理厂，将使污水处理能力达到70万M3/日，污水处理率将达到100%，日产污泥量约为700M3（含水率为80%），除杨家堡污水处理厂约200M3/日的污泥进行妥善处理外，尚有500M3/日污泥需要进行妥善处理，而污水处理厂污泥处理只进行了减量化处理，并未达到稳定化，无害化和资源化。为了防止产生二次污染，尽快寻找一种妥善的污泥处理方式在太原市变得十分迫切。
一、污泥处理方案
1、污泥处理原则
污泥是污水处理过程中产生的物质，它以好氧微生物为主体，同时包括混入的泥沙，纤维、动植物残体等固体颗粒及其吸附的有机物、金属、病菌、虫卵等物质的综合体。它既含有植物生长发育所需的N、P、K及维持植物正常生长发育的各种微量元素和能改变土壤结构的有机质，同时也含有病原微生物，寄生虫（卵）。它具有体积大，性质不稳定，极易腐化。不利于运输和处理的特点，因此，在设计方案选择时，遵循如下原则：
(1) 无害化处理原则
按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，实现污泥的稳定化，减量化与无害化，彻底解决污泥的二次污染问题，满足处理过程的无害化环境要求。
(2) 节能减排原则
污泥处理要始终坚持节能减排的原则，注意减少污泥处理过程的能源消耗与资源消耗，避免投资过大，运行成本过高所造成的“消耗性污染”，避免污泥处理过程的污染转移和二次污染。
(3) 资源利用原则
污泥中含有丰富的有机物和N、P、K等营养元素及植物必需的微量元素，将其回用于土地作为植物的肥料，可以对污泥进行充分的资源化利用。污泥资源的有效综合利用首先要满足污泥安全妥善，持续处理的要求，其次是资源综合利用所获得的经济效益，当市场功效失灵的时候，可以采取临时填埋的补救方式予以处置。
2、污泥处理方案选择
(1) 卫生填埋
太原市现有垃圾卫生填埋场两座，分别是位于东山的新沟垃圾填埋场，处理能力为1000 t/日；位于阳曲县的侯村垃圾填埋场，处理能力为1500 t/日。太原市现有的污水处理厂产生的污泥，除杨家堡污水处理池进行制肥外，其余都与城市垃圾混合后进入填埋场。由于污泥含水率达到80%左右，进入垃圾填埋场后，碾压困难，为了保证垃圾填埋场的正常运行，要求进入填埋场的垃圾含水率不得超过60%，而污泥脱水后的含水率远远大于60%，如不进行烘干，难以再进入垃圾填埋场。因此，该方案只能作为污泥处置的临时补救措施。
(2) 焚烧+填埋
太原市现建有特种垃圾焚烧厂一座，用以焚烧医用特种垃圾，同时进行发电，设计考虑将污水处理厂脱水后的污泥进行焚烧发电，焚烧后的残渣再进入垃圾填埋场。由于污泥含水率较高，燃烧值低，难以满足焚烧厂要求的达到1500大卡的燃烧值要求，如需进入，需要首先在各污水处理厂进行烘干，实际上操作困难很大，故该方案可实施性不强。
(3) 污泥堆肥+制肥
污泥堆肥是一种减量化、稳定化、无害化的综合处理技术，它是土地利用的前提条件，经堆肥处理后的污泥肥效高，经过制肥加工后，成为符合国家有机肥标准的肥料，在实现稳定化、减量化和无害化的同时，实现了污泥资源化，符合可持续发展的方针。太原市在“十一五”期末，预计污泥产量将达到400~600 M3/日，（不包括杨家堡污水处理厂的污泥），根据对污泥成分的检测分析，有机质约为314 t/d，TN约为27.66 t/d，TP约为21.96 t/d。太原市在污泥堆肥制肥方面取得了较为成功的经验。
杨家堡污水处理厂作为污泥资源化国家示范工程，其产生的有机肥具有良好的市场，实现了污泥的零排放。根据太原市城市污水水质以及污泥组成成分分析，污水处理厂产生的污泥采用堆肥工艺进行处置是较为适宜的。由于受现有污水处理占地条件的限制，在每个污水处理厂分别建有堆肥+制肥的污泥处置设施不现实。因此，考虑保留现有的杨家堡污水净化厂污泥处理设施；将城南污水处理厂、河西北中部污水处理厂、北郊污水处理厂、晋源新城污水处理厂四座污水处理厂的污泥集中起来进行处置，通过建设太原市污泥处置中心，采用好氧高温堆肥工艺实现污泥无害化处理，在此基础上，加工生产园林培植土和污泥肥料等污泥制品，综合利用污泥资源，为城市园林绿化，生态修复及农业种植提供有机肥料，实现污泥的安全，有效处置和零排放。
二、污泥处置中心工艺设计
1、建设规模和产品分析
(1) 建设规模
2010年太原市城市污水处理厂污泥（含水率80%）总产量约为400~600M3/d，不包括杨家堡污水净化厂采用的污泥稳定化处理部分的污泥。综合各种因素，确定污泥处置中心的设计建设规模为500M3/d。
(2) 污泥产品方案分析
①园林培植土
氮磷钾＞4%、
有机质＞30%、活菌数：5×107
目标市场：园林绿化基肥、土壤改良与生态修复
②有机—无机—微生物三维复合肥料
氮磷钾：15~20%
有机质＞15~20%、活菌数：5×107
目标市场：经济作物、大田作物、园林培肥
2、技术方案确定
(1) 工艺比选
根据太原市建设园林绿化城市的发展目标和污水处理厂现状及“十一五发展规划”，本着从实际出发、不断完善的发展思路，根据以下评价指标，慎重选择适应太原市城市污水处理厂污泥的处理处置技术。
① 可持续性：污泥处理技术与污泥处置技术结合的可能性，以及在实施期限上的可持续性；
② 国民经济关联影响：资源与能量的消耗指标。对土地资源的占有及能源消耗所带来的国民经济发展的影响；
③ 技术可行性：技术的成熟程度，维护管理难度等；
④ 经济性：技术经济特性，包括投资和运行费用等；
⑤ 资源利用特性：对于资源综合利用（包括营养物质、建筑材料或能量利用）；
⑥ 环境保护效能：对生态环境的持续性影响与关联程度，防治污染转移，杜绝污染的长期影响，对生态环境保护的效能。
(2) 堆肥工艺确定
堆肥工艺采用密闭式隧道窖高温好氧堆肥工艺，又称密闭式静态好氧生物干化工艺。它是在阳光棚发酵装置长期运行的基础上，消化吸收国际先进的静态容积式污泥发酵工艺而集成的好氧发酵工艺，相对阳光棚发酵装置，密闭式静态好氧生物干化工艺装置对物料混合均匀度要求高，水分含量要求低、返料使用量较大。密闭式静态好氧生物干化工艺具有机械化程度高，技术先进，占地面积小，环境条件好，气候影响小，生物干化质量可控等优点。
密闭式静态好氧生物干化工艺发酵仓由并联隧道窑组成，正面有密封门，背面风机房装有风机和温控氧控装置。发酵过程中通过仓内温控氧控传感器监测发酵物料温度和氧含量，控制风机的启动和关闭，提供充足的发酵条件使发酵过程保持最佳状态，发酵物料在70℃温度保持5天以上。通风系统将空气从发酵仓的底部风道打入堆料，再从发酵仓的上部收集处理发酵废气。尾气收集处理装置将发酵废气通过生物滤池净化处理后排空。
发酵污泥进料系统包括皮带输送机和皮带布料机系统，完成进料后关闭密封门，出料采用皮带出料机和装载机出料两种方式。
(3) 堆肥工艺说明
根据太原污泥处理实际情况与资源循环利用的原则，堆肥工艺方案确定为：脱水污泥挤压预处理、混合、高温好氧堆肥、陈化、筛分等。
①预处理
将含水率为80%的污泥饼利用螺杆式挤压机挤压，把含水率降低到70%左右后。
主要设备：
1、压滤机：SL1250型，生产能力Q＝23m3/h、P=7.5kw。
2、螺旋输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=1.5kw。
3、转运仓：结构为钢板制作，容积为25m3、P＝5.5kw。
②混合
由配料机根据程序按配料比例进行配料，VT复合微生物菌液储存在菌液罐中用小型计量泵加入，各种物料配好后送到混合机中进行充分地搅拌混合，出料由皮带输送机送到发酵间。
主要设备：
1、污泥储仓：储存污泥和返混污泥，结构为钢板制作，容积为25m3、P＝5.5kw。
2、辅料储仓：储存园林剪枝等，结构为钢板制作，容积为35m3、P＝3kw。
3、配料机：用于脱水污泥与辅料按比例配料，可连续配料运行。为非标设备，生产能力Q＝22m3/h、P=11kw。
4、混合搅拌机：用于将几种物料混合搅拌，可连续混合运行。Q＝22m3/h、P=7.5kw。
5、皮带输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=1.5～4kw。
6、粉碎机：B400型，生产能力Q＝50m3/h、P=7.5kw。
③好氧生物干化
混合物料从混合间由皮带输送机转到发酵间布料皮带机，再分布到各个发酵仓中进行好氧发酵生物干化。发酵仓底部布置曝气风沟，由鼓风机通过曝气风沟强制通风供给氧气。发酵周期为15天左右，发酵温度控制在50~70℃之间，根据发酵物料的温度、水分、氧含量等参数的变化，由控制系统开启鼓风机向发酵仓内曝气，同时由引风机抽出废气到生物滤池除臭。物料经过一个发酵周期，由出料机运出，经装载机输送到陈化间陈化。
主要设备：
1、皮带布料机：专用设备，生产能力Q＝50m3/h、P=7.5kw。
2、皮带出料机：专用设备，生产能力Q＝50m3/h、P=7.5kw。
3、皮带输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=11.5kw。
4、曝气风机：9-17No3A，P=4kw。
5、引风机：4-72No3.6A，P=3kw。
6、装载机：柳工836型，P=92kw。
④发酵控制系统
氧控制发酵系统是专们为直接检测发酵氧气含量而开发设计的，它通过实时监测发酵的氧含量，根据肥发酵实际需氧量数据控制对应风机的启停，实现温控和氧控制。系统同时将在发酵监测的氧浓度的信号传输给中央控系统，实现监测。
⑤陈化
发酵物料在发酵过程会又部分有机质没完全降解，需进一步陈化降解。由装载机进行堆垛、翻堆等操作，陈化周期约为20天,发酵物料含水率降至30%以下。考虑到场所的限制与后续资源综合利用，陈化周期按照2周时间设计（物料转运时间）。
主要设备：
1、装载机：柳工836型，P=92kw。
2、运输车：福田10吨自卸车。
3、皮带输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=7.5kw。
4、移动皮带输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=1.5kw。
⑥筛分
物料在筛分间由皮带输送机送到破碎机破碎、再经滚筒筛分机筛分。筛上物料作为返料进入料斗由螺旋输送机输送返回到配料机中；筛下颗粒物料（2~6mm）则由皮带机送入成品料斗，秤重计量包装，作为园林用培植土或土壤改良剂。
主要设备：
1、皮带输送机：B500型，生产能力Q＝50m3/h、P=1.5kw。
2、破碎机：生产能力Q＝30m3/h、P=11kw。
3、滚筒筛：生产能力Q＝50m3/h、P=4kw。
4、定量包装秤：RPG－50－G1型，P＝0.5kw。
⑦除臭
发酵窑为封闭式，发酵过程将产生水蒸气和臭气。臭气处理过程为用引风机将发酵间产生的臭气收集并保持仓内有一定的负压，用管道和引风机输送到生物滤池中，臭气首先进入水喷淋段与喷淋水逆向接触，用水将气体中的可溶于水的有害成份洗涤下来。然后再从底部进入生物滤池，由下向上通过生物填料，由填料表面的生物吸收、分解有害成份，气体从上部排出。
洗涤水循环使用，补充水使用污水处理厂的二级出水，溢流水进入厂区排水管网，返回到污水处理厂。生物滤池法工艺流程为：臭气收集→风管输送→抽风机→预洗池加湿→生物滤池→排气。滤池填料可采用海绵、干树皮、干草、木渣及其混合物等。
处理后的废气排空，废气排放符合《恶臭污染物排放标准》（GB14551-93）的Ⅱ级标准，NH31.5mg/m3，H2S:0.06mg/m3，臭气浓度为20。
主要设备：
1、洗浴塔：MM-2型，P＝0.15kw。
2、生物滤池：SCL-20000型
（5） 污泥资源综合利用
污泥经以上工艺处理后，其中的病原菌灭活、虫卵、草籽被杀死、有害成份破坏、分解或消除、有机物腐殖质化、重金属稳定化，植物可利用形态养分增加，其C/N比、物理性状、无毒化程度、溶解度、养分平衡等都得到了很大改善；接入的有益微生物菌群（VT菌）可进一步活化平衡养分，实现植物对养分的同步吸收。其氮、磷、钾总养分大于10%，有机质含量大于40%。中国农业大学和陕西省土肥所试验、试种对比证实，其综合肥效大大优于农家肥和等养分化肥。
三维复合肥生产线包括配料、热喷造粒、筛分、喷菌、干燥系统，工艺流程见图2。
①配料：通过电子配料秤将各种原料按配方比例分批自动计量。微量元素由人工计量，加入混合机混合。
②混合：计量好的各种物料经输送机进入双轴桨叶式高效混合机，混合周期为3～4分钟。混合后的物料送入待热喷仓。
③造粒：利用造粒机制成颗粒状产品。
④干燥冷却：造粒后的颗粒含水率较高，不能直接贮存。经高温干燥、
却，使颗粒中的水分去掉，达到保存要求，送入下道工序。
⑤筛分：物料经输送设备进入筛分机筛分，合格的产品进入下一道工序，不合格的大颗粒筛出后经破碎返回混合。
⑥计量包装：干燥后的颗粒，进入成品仓，通过喂料装置物料进入电子包装秤，按要求进行自动计量及缝口，完成包装过程，送入成品库。
3、工程方案
太原市污泥处置中心项目建设用地与城南污水处理厂建设用地相邻，规划占地面积70亩。
根据污泥处理规模采用隧道窑式高温好氧发酵生物干化工艺，发酵设施为5组160座混凝土结构的隧道发酵窑（16089m2）、筛分混合车间（15840m2）、制肥间、成品辅料库（1200m2）及厂内道路，总占地面积36508.8m2，日处理500m3脱水污泥（含水率80%）。平面布置一次布局，分期建设。
隧道窑内部容积长15m，宽4m，高4m。每排由隧道窑20座，两排成组，共计160座。
中间过道距离长84m，宽11m，高7m。
采用轻钢彩板结构覆盖，生物滤池建设在发酵窑顶部，共计6座。氧控装置和鼓风机安装在密闭发酵窑背后的风机房内。
混合筛分间长100m，宽90m，高6m，面积9000m2，建筑采用轻钢彩板结构。
发酵间长93m，宽55m，高4m，面积共15345m2，建筑采用钢筋混凝土结构。
生物滤池长15m，宽8m，高3m，面积720m2，建筑采用砖混结构。
制肥间长30m，宽18m，高6m，面积540m2，建筑采用轻钢彩板结构。
成品库长30m，宽18m，高6m，面积540m2，建筑采用轻钢彩板结构。
辅料库长30m，宽18m，高6m，面积540m2，建筑采用轻钢彩板结构。
办公室长27m，宽15m，高3m，面积405m2，建筑采用砖混结构。
三、工程投资处理成本及效益分析
1、工程投资
本工程总投资为13422万元，固定资产投资为12304万元。
2、处理成本
本工程运行后，折湿污泥吨处理成本为153.21元/吨。
3、效益分析
本项目建成后，年稳定化处理污泥17.5万M3（含水率80%），生产园林培植土19330M3，农田肥料3.3万吨，环境效益和资源综合效益突出。
本项目年总收入为5838万元，其中污泥无害化处理费3334万元，污泥制品销售收入2504万元，扣除处理成本后，年利润总额达到2342万元，全部投资财务内部收益率为22.31%，投资利润率为16%，盈亏平衡点37.95%，静态投资回收期为5.48年。
四、结论
对城市污水处理厂产生的污泥集中起来进行商品好氧堆肥处理，并经过适当加工后制成农田肥料和园林培植土，实现了污泥稳定化、减量化、无害化、资源化的有机结合，是贯彻循环经济和可持续发展理念的一个重要手段，具有广阔的发展前景，为城市污泥处理提供了一个新的思路。
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