大型污泥干化焚烧厂除臭工程技术与设计要点

何 进

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092)

污泥是污水处理过程必然产生的副产物,聚集了大量的污染物,同时也蕴含着丰富的资源。随着我国城镇化的推进和污水处理设施的完善,我国污水污泥产生量已突破6 000万m3/a(以含水率为80%计)。根据调研,目前国内超过半数的污泥处理处置仍以卫生填埋为主,该方式不仅消耗大量的土地资源,还会对环境造成二次污染。污泥干化焚烧具有快捷、集中、占地小、污泥减量化、稳定化、无害化等特点,特别适用于土地资源宝贵、经济发展水平较高的城市。上海中心城区已经建设完成3座污泥焚烧厂;南京、成都、香港等地均已建设污泥焚烧处置中心;广州、深圳等地也在规划之中,预计国内以干化焚烧处置污泥的比例将会越来越高。

污水处理厂处理污水和污泥过程中会释放恶臭污染物到周围空气中形成恶臭气体,而其中污泥处理车间是除臭的重点区域,其产生的恶臭气体具有恶臭污染物组成复杂、气体浓度变化大等特点。白龙港污水厂周边居民区较多,之前也因为臭气问题遭到居民投诉,加之上海对于大气环境控制标准的日益严苛,本次污泥干化焚烧项目的除臭设计乃重中之重。

污泥处理设施除臭设计会存在关键臭气散发源分析不足、隔断不到位、恶臭气体收集效率低等问题。本文旨在对污泥储存运输、离心脱水、流化床干化、流化床焚烧设备的臭气源全面分析,通过可靠的物理隔断、送风和吸风对侧布置的除臭管路设计、离子发生器分散布置、四级组合式除臭工艺等设计理念,克服以上问题,为同类污泥干化焚烧项目的除臭设计、建设和运行提供借鉴经验。

1 工程概况

上海市白龙港污水处理厂污泥干化焚烧工程位于白龙港污水处理厂北侧的污泥处理处置预留用地,建设规模为486 t DS/d (2 430 t/d,含水率为80%),包括白龙港污水处理厂448 t DS/d的污泥量和虹桥污水处理厂38 t DS/d的污泥量[1]。工程于2018年3月动工,2020年底完成调试运行。

白龙港污泥干化焚烧厂建成后,为亚洲最大的污泥独立干化焚烧项目,工程分为2个地块,共设置6条污泥干化焚烧生产线。污泥处理处置总体工艺方案采用“现状设施利用+脱水+干化焚烧”,工艺流程如图1所示。

图1 白龙港污泥干化焚烧工程工艺

厂内污泥经现状浓缩和部分经厌氧消化处理后,进入储泥池。污泥浓缩脱水设施采用离心脱水;污泥干化工艺选用流化床干化;污泥焚烧工艺采用鼓泡流化床污泥焚烧炉;焚烧烟气处理达标后排放。本工程接收的外来虹桥污水处理厂污泥含水率为30%,进厂前污泥处理采用“机械浓缩+板框低温真空脱水干化”工艺。本工程设置01和02地块,2个地块采用的污泥处理工艺完全相同,主要区别体现在设备处理能力上。01和02地块污泥脱水车间分别设置7台和10台离心脱水机,单台能力相同;污泥干化焚烧车间分别设置2条和4条干化焚烧生产线,单线能力相同;全厂外来脱水污泥接收设置于02地块污泥接收车间。本次除臭工程为该工程的配套系统。

2 除臭标准及设计思路

2.1 臭气排放标准

该工程臭气排放标准同时满足上海市地方标准《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》(DB 31/982—2016)、《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)和国标《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)。其中,《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)为上海市目前最严格的恶臭污染物排放标准,也是国内较为严格的标准之一[2],包括了污水处理厂常规的几种主要恶臭污染物在内的共22种污染物指标,相较于国内外现行标准,在指标数量和限值上提出更高的要求[3]。本项目常规的几种恶臭污染物排气筒执行的排放标准如表1所示。

表1 排气筒恶臭污染排放控制限值

本项目常规的几种恶臭污染物厂界监控点执行的标准如表2所示。

表2 厂界监控点恶臭污染物标准值

2.2 臭气源分析

该项目的工艺全流程包括原生稀污泥储存、污泥离心脱水、脱水污泥流化床干化、干污泥焚烧和烟气处理,此外还有外来脱水污泥和干污泥接收系统。污泥干化焚烧工程涉及的工艺单元较多,污泥在进入焚烧炉燃烧之前,均存在臭气散发源,包括储泥池、污泥离心脱水机及其附属设备、污泥中间缓存料仓、污泥流化床干化机及其附属设备,干污泥输送设备、焚烧炉进料仓等。除了污泥本身,污泥干化系统产生的不凝载气也是容易散发臭气的源头,其中包括载气换热器和载气循环风机。本工程需除臭的建(构)筑物及主要臭气源如表3所示。

表3 主要区域臭气源分析

2.3 臭气源强

该项目设计污泥脱水、接收、干化系统的臭气源强参考上海市某污泥处理工程,参考工程污泥处理采用离心脱水+干化焚烧,干化段同为热干化工艺,同时接收外来脱水污泥,工艺上与本工程较为类似。现场实际测试中各区域恶臭污染物和臭气浓度如表4所示。

表4 上海某污泥处理工程各区域臭气污染物浓度

同时,参考《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》(CJJ/T 243—2016)中臭气污染物浓度,确定本工程最终污泥处理区域臭气污染物浓度参考值:硫化氢质量浓度为5～30 mg/m3;氨质量浓度为1～10 mg/m3;臭气浓度(无量纲)为5 000～10 000。

2.4 除臭设计要点及思路

鉴于本项目较为严格的臭气控制标准、较为分散和复杂的臭气散发源,本工程总体的除臭设计要点及思路如下。

(1)加强臭气散发源的密闭,如储泥池、污水池设置土建盖板加盖,干化载气风机、载气换热器单独布置于独立的小房间内,污泥接收车间设置双重隔断等措施。

(2)以各污泥处理车间作为独立除臭单元,通过加强除臭吸风量以及设置离子风幕门,保证车间大空间微负压状态。

(3)通过送离子新风,一方面即时净化车间空气,另一方面以送风和排风形成对流的形式有效收集臭气。

(4)重点的污泥接收车间以及干化区域钢平台下部辅以植物液喷淋装置,加强除臭效果。

(5)干化车间物流大门设置离子风幕机,形成风幕隔断,进一步控制车间臭气外溢。

(6)末端除臭采用“生物滤池+化学洗涤+活性炭吸附”多级工艺,确保恶臭污染物排放浓度满足标准要求,并设置旁路系统,灵活运行。

(7)臭气产生较为严重的设备单独接入除臭风管,包括脱水污泥料仓、半干污泥料仓、离心脱水机等,并在抽风管上增设管道风机,保证臭气的抽取压力。

本工程除臭设计与国外案例相比,首先除臭标准上,上海地标《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)已经达到国际水平[2],涵盖了22种臭气污染物指标,提高了臭气处理的可控性。其次,不同于国外采用单级生物法或者化学除臭,本工程采用先进多级组合式除臭工艺,确保了对不同臭气污染物、外界寒冷气温条件、某级除臭设备检修工况下排放浓度都能够达标。

3 除臭工程设计

3.1 除臭风量计算

除臭风量的计算参照《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》(CJJ/T 243—2016)中规定的计算公式。储泥池区域按单位水面面积臭气风量指标[3 m3/(m2·h)]计算,并增加2次/h水面上空间换气量。为保证车间微负压环境,离子新风系统送风量应略低于除臭排风量[4],因此,大空间离子送风换气量取10次/h,大空间除臭排风换气量取12 次/h。具体风量计算结果如表5所示。

表5 除臭风量计算结果

3.2 除臭设备

3.2.1 工艺流程选取

污泥脱水、干化车间前端通过送离子新风,产生的负氧离子能在极短的时间内氧化分解除臭空间内的甲硫醇、氨、硫化氢等污染因子,即时净化车间空气[5],经过初步降解处理的臭气再送入末端组合式除臭设备。

“生物除臭+化学洗涤”的组合式工艺在市政污水、污泥处理厂中应用广泛[6-7],并且技术成熟。生物滤池利用微生物的新陈代谢活动将恶臭物质分解转化为无臭或少臭物质,具有适应各种类臭气、可处理气量大、运行成本较低的优势;而化学洗涤利用呈碱性的苛性钠和次氯酸钠溶液,去除污泥工程臭气中常见的硫化氢等酸性物质以及甲硫醇、胺类、酚类等有机臭气物质,具有去除效率高、适应高浓度臭气、针对性强的优势。为了确保处理后的臭气各项指标满足《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)的要求,在末端增加一级活性炭吸附除臭装置,作为兜底和应急处理措施。

收集的臭气首先进入生物除臭单元,在这里生长着大量的除臭微生物。除臭微生物以臭气成分为食物,通过新陈代谢作用,把臭气成分分解掉,从而使排出的气体基本不臭。除臭微生物产生的代谢产物,通过排水带出系统。在此阶段可以去除大部分硫化氢及其他易生物分解的臭气成分。

生物段后续设置有化学洗涤单元,为了确保处理效果,设置2种药剂:氢氧化钠和次氯酸钠。当进气浓度较高时候,可以通过开启化学洗涤系统的加药装置,进一步提升除臭效率。同时为了确保最终排风口稳定的除臭效果,在化学洗涤除臭之后设置活性炭系统一套,主要起保障作用。当外部条件不利时,可开启活性炭除臭装置,确保组合式除臭设备出口完全达到设计标准。本工程除臭工艺流程如图2所示。

图2 除臭工艺

考虑到臭气源强较高,而排放标准严格,本工程组合式除臭设备共有2种运行工况,一种是生物除臭+化学洗涤,另一种是生物除臭+化学洗涤+活性炭除臭。活性炭除臭装置的开启与否,根据2个参数来判断:①生物除臭设备总进口的硫化氢质量浓度超过过去24 h的2倍以上,或者大于288 mg/m3,此时对应臭气浓度约为30 000;②化学洗涤设备出口的硫化氢质量浓度大于4.33 mg/m3,排气筒出口排放要求不高于5 mg/m3。

3.2.2 设备设计参数

组合式除臭设备的风机位置设在化学除臭设备之后,每套除臭设备配备风机数量不少于2台。

根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)规定的相关参数:生物除臭填料区停留时间不小于15 s,洗涤塔停留时间可取1～3 s,活性炭停留时间宜为2～5 s。适当延长臭气在除臭设备内部的停留时间可以提高除臭效果,本工程除臭设备空塔流速(即臭气经生物除臭设备的平均流速)≤400 m/h,臭气在生物除臭设备内的空床停留时间不小于30 s;在化学洗涤塔填料区停留时间不小于5 s;在活性炭除臭设备中的空床停留时间不小于3 s。与本工程类似,为应对目前全国较为严格的上海市地方排放标准要求,如上海石洞口污泥处理工程[5]和上海某污泥干化厂[8]的除臭设计,均选取了与本工程较为一致的停留时间参数。

所有除臭设备排气筒高度均高于厂区地坪标高15 m,并按照《固定源废气监测技术规范》(HJ/T 397—2007)的要求,设置取样平台和取样口。

3.2.3 设备布置

该工程室外的组合式除臭设备布置面临2个难题,第一为项目建设选址位于白龙港污水厂内,平面用地十分紧张;第二为除臭装置的布置应满足厂外雷达部队的限高规定,其中01地块限高为12 m,02地块限高为22 m。

因此,部分除臭设备布置采用叠放的形式,主体为钢结构形式。其中,下层为生物滤池以及化学洗涤加药罐区,上层为化学洗涤塔、活性炭吸附装置以及排气筒,上层利用钢平台支撑,多套设备共用一套排气筒,减少设备占地面积。同时,将部分除臭设备放置于室外储泥池顶部以及污泥接收车间的屋顶上,以解决用地面积不足的问题。本工程采用的叠放形式的组合式除臭设备如图3所示。

图3 叠放形式的组合式除臭设备

3.2.4 除臭设备规格

该工程共设置41套离子送风除臭设备,具体参数规格和配置如表6所示。

表6 离子送风除臭设备

该工程共设置24套组合式除臭设备,具体参数规格和配置如表7所示。

表7 组合式除臭设备

3.3 除臭管路设计

3.3.1 室内管路设计

该工程所有管道均采用不锈钢304材质,风管支吊架材质为镀锌碳钢。管径计算上,支管风速取4～10 m/s,干管风速取10 ～14 m/s。采用不锈钢风管,除臭管路布置上采用同程布置原则,室内不锈钢风管均架空敷设,下部净空不低于3 m,厂区内除臭风管架空敷设,过路段下部净空不低于5 m。

为了形成车间内微负压状态,同时保证合理的气流组织方向,室内的除臭管路设计上采用送风和吸风对侧布置方式,使得臭气在车间内形成对流,避免短流。以干化车间为例,除臭干管水平布置于车间上部空间内,风管整体高度高于流化床干化系统,以避免对工艺系统产生影响。支管沿柱子和墙体竖向布置,除臭吸风口风速设计为2～4 m/s,离子送风采用多孔管,每个小孔的离子风出口风速设计为5～7 m/s。

01地块污泥干化车间内共有3条干化生产线,干化线南侧为臭气散发较为严重、检维修频率较高的螺旋输送机、污泥提升机、载气冷凝器等设备,因此,除臭排风管布置于南侧,沿车间柱子依次布置3根700 mm×600 mm立管,每根立管布置6个400 mm×400 mm方形吸风口。离子送风管布置于干化线北侧,车间柱子依次布置3根700 mm×500 mm立管,每根立管布置95个DN70送风孔。气流方向自北向南,由此形成对流,提高臭气的收集率。该工程除臭管道布置如图4所示。

图4 脱水车间除臭管道布置

3.3.2 离子发生器布置

目前多数除臭项目中的离子发生器布置在前端,风机抽取室外空气后紧接着离子发生器,空气被电离产生高活性离子被送至臭源点,从而达到除臭的目的。上述传统做法的问题是离子一次性产生,高活性离子会随着管长的增加越来越少,到达风管末端后,离子含量可能达不到设定的范围。本项目创新地采用离子发生器分散布置的方式,在各水平主管和竖向支管上均设置离子发生器,新鲜风经过离子发生器后途径很短的距离即被送入待除臭空间,离子损失量很小,提高了整体的除臭效果。为保证离子发生器的性能,在规定的电压和功率下,离子发生器(安装5根离子管)出口地方离子浓度为20 000个/cm3。本项目的离子发生器及送风管如图5所示。

图5 离子发生器及送风管

3.3.3 建筑信息模型(BIM)碰撞检测

污泥干化焚烧工程涉及的设备和管路众多,除臭风管管径较大,除臭管路设计上应避免和土建墙柱楼板、各专业设备、管路、电缆桥架等发生碰撞,从而提高施工效率。因此,本次设计利用Revit、CADPlant3D以及Naviswork等多个BIM软件检测管路设计合理性。具体做法:首先在涵盖所有工艺设备及管线的污泥处理车间三维模型上附加除臭管路,然后利用Naviswork软件功能自动进行碰撞检测,发生碰撞后协调各专业进行调整解决,减少了不必要的施工返工情况。可以利用Naviswork软件对除臭管路进行碰撞检测过程。

4 调试运行效果

本工程01地块除臭系统在2020年12月调试期间运行正常,各项指标在线监测数据均能达到设计除臭标准的控制要求,其中01地块组合式除臭设备168 h考核监测数据如表8所示。

表8 组合式除臭设备监测数据

本工程02地块除臭系统在2020年9月调试期间运行正常,各项指标在线监测数据均能达到设计除臭标准的控制要求,其中02地块组合式除臭设备168 h考核监测数据如表9所示。

表9 组合式除臭设备监测数据

2020年12月,环境监测部门对厂界无组织废气排放进行多次监测,各项臭气污染物指标均达标,具体监测数据如表10所示。

表10 厂界无组织废气监测数据

5 结语

本除臭工程为大型污泥干化焚烧项目的配套系统,臭气控制标准需满足《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)等,是国内较为严格的标准之一。

除臭设计思路上体现“有效密闭+高效臭气收集率+重点区域针对除臭+强化末端臭气处理”的理念。

除臭工艺选用“离子送风+生物滤池+化学洗涤+活性炭吸附”的四级组合式除臭工艺,同时在重点区域辅以植物液除臭,车间物流大门设置离子风幕,确保除臭效果。

除臭管路设计上,采用送风和吸风对侧布置方式,使得气体在车间内形成对流,从而完成高效的臭气收集。同时采用不同于传统的离子发生器布置方式提高送离子新风效率,BIM设计软件的介入也解决了管路设计中的碰撞问题。

有效的臭气密闭和收集以及多级臭气处理工艺的选用,能够满足较为严格的臭气排放控制标准,做到稳定达标。