高碑店污水处理厂情况介绍

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IssuestobeNotedintheDesignofSludgeTreatmentSysteminGaobeidianSewageTreatmentPlantZhangYun,FengYunling（BeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteB-2SouthYuetanStreet,10045Beijing）Abstract:GaobeidianSTPwhichhasbeenputintooperationforquietanumberofyearsiscurrentlythelargesturbansewagetreatmentplantinChina.Itisequippedwithacompletesludgetreatmentsystem,composingprocessesasanaerobicdigestionofsludge,methanegenerationandutilizationofresidualheatfromgeneratingsets.Thispaperfocusesonanintroductionofthedesignofthesludgetreatmentsystem.BasedonananalysisofthepracticaloperationoftheSTPinrecentyears,thispaperalsopointsouttheissuestobenotedinthedesignofthesludgetreatmentsystemandproposessomesuggestionsinthisregard.Keywords:sludgetreatmentsystem,anaerobicdigestion,methanegeneration,utilizationofresidualheat1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m3／d。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75~80%；采用高分子混凝剂，投加量约2~5‰。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：消化池内沼气静压：200~800mmH2O沼气量：53000m3/d（一期、二期分别为26500m3/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0.1～1g／m3；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=200~400mmH2O；球罐容积为V=2000m3，球罐内气体压力为P＝5~6kg/cm2。二期储气采用一座气柜。气柜容积为V=10000m3，压力为P=200~400mmH2O。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P＝4.2~5.0kg/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P＝500～1000mmH2O，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=0~1104m3/hr/台=0~26500m3/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1：5~14（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。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