CN103723901A - 利用污泥干化余热对消化处理进泥进行预加热的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用污泥干化产生的冷凝热废水余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征为：在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施；在污泥消化系统侧设置热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管。本发明结合我国住建部、发改委《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行》（2011年3月）确定的“厌氧消化→脱水→干化→土地利用”的典型操作方案，充分利用污泥干化余热，将污泥干化产生的冷凝热废水与中温厌氧消化处理的进泥进行间接换热，提高污泥消化处理进泥温度，减少污泥消化处理加热所需的沼气产量，为污泥干化充分利用污泥厌氧消化产生的沼气量提供有利条件。

Description

利用污泥干化余热对消化处理进泥进行预加热的方法
技术领域
本发明为土木工程和环境保护工程所涉及的污泥处理的技术领域，具体涉及污水处理厂的一种利用污泥干化余热对消化处理进泥进行预加热的方法。
背景技术
目前全国城镇污水处理厂污泥只有小部分进行卫生填埋、土地利用、焚烧和建材利用等，而大部分未进行规范化的处理处置。污泥含有病原体和持久性有机物等有毒有害物质，未经有效处理处置，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接威胁环境安全和公众健康，使污水处理设施的环境效益大大降低。
欧美国家目前比较明确地将土地利用作为污泥处置的主要方式和鼓励方向。其中50%以上的污泥都经过了厌氧消化处理。污泥的厌氧消化为污泥的土地利用提供了较好的基础。
按我国住建部、发改委《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行》（2011年3月），我国污泥消化后进行土地利用的一种典型操作方案如下：厌氧消化→脱水→干化→土地利用（用于改良土壤、园林绿化、限制性农用等）。
污泥厌氧消化分为中温厌氧消化（35℃+2℃）及高温厌氧消化（55℃+2℃）。其中高温厌氧消化的能量消耗较大、运行费用较高、系统操作要求高。
将污泥热干化工艺与余热利用相结合，可充分利用污泥厌氧消化处理过程中产生的沼气热能。污泥干化后蒸发出的水蒸汽和不可凝气体（臭气）需进行分离，水蒸汽通过喷淋冷凝装置冷凝后通常以热废水形式排出，该热废水对前端的中温厌氧消化系统而言具有很好的余热利用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用污泥干化余热对消化处理进泥进行预加热的方法，利用污泥干化产生的冷凝热废水中的余热对中温厌氧消化处理进泥进行预加热，充分发挥污泥干化余热的作用，提高污泥消化处理进泥温度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，污水处理厂包括污泥干化系统和污泥消化系统，其特征在于在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施；在污泥消化系统侧设置热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管；所述热废水收集提升设施收集污泥干化系统产生的冷凝水，该冷凝水经热废水埋地输送管输送到换热设施，该换热设施对匀质池污泥进行加热。
本发明的另一目的在于提供一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的装置，利用污泥干化产生的冷凝热废水中的余热对中温厌氧消化处理进泥进行预加热，充分发挥污泥干化余热的作用，提高污泥消化处理进泥温度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的装置，污水处理厂包括污泥干化系统和污泥消化系统，其特征在于在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施；在污泥消化系统侧设置换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管。
本发明在污泥消化+干化处理工程中，在污泥干化系统与污泥消化系统之间提供干化热废水的收集、提升、输送、利用设施，将污泥干化系统排出的冷凝水通过热废水收集罐、热废水提升泵、埋地保温管、污泥/热废水换热装置，实现对污泥中温厌氧消化处理前端污泥匀质池内污泥的间接加热，提高污泥消化处理系统生污泥的进泥温度。本发明的优点在于充分发挥污泥干化余热的作用，提高污泥消化处理进泥温度，减少污泥消化处理加热所需的沼气产量，增加污泥干化率，为污泥干化系统充分利用污泥厌氧消化产生的沼气量提供有利条件。
附图说明
图1为本发明的一实施例的污泥干化冷凝热废水余热回收系统的工艺流程。
图2为本发明的一实施例的热废水收集提升设施工艺示意图。
图3为本发明的一实施例的热废水埋地输送管示意图。
图4为本发明的一实施例的热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施示意图。
图5为图4的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图所示为一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的装置，污水处理厂包括污泥干化系统和污泥消化系统，其特征在于：在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施（包括热废水收集罐、热废水提升泵）；在污泥消化系统侧设置热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管。
本发明将污泥热干化工艺与余热利用相结合，可充分利用污泥厌氧消化处理过程中产生的沼气热能。污泥干化后蒸发出的水蒸汽和不可凝气体（臭气）需进行分离，水蒸汽通过喷淋冷凝装置冷凝后通常以热废水形式排出，该热废水对前端的中温厌氧消化系统而言具有很好的余热利用价值。利用污泥干化系统产生的热废水中的余热对消化处理进泥进行预加热具有如下优势：
（1）、结合了利用污泥消化产生的沼气对脱水污泥进行干化的污泥干化系统的特点。污泥干化系统一般包括脱水污泥接收储存系统、热量供应系统、成品冷却系统、成品输送储存系统、尾气处理系统、压缩空气系统。污泥干化系统中的循环气体将污泥细粒和蒸发的水分带离干燥机。污泥细粒在旋风分离器内进行分离，蒸发的水分在洗涤冷凝器内采用逆流直喷方式进行冷凝。即干燥气体进行双清洗：旋风分离器内的干法清洗和洗涤冷凝器的湿法清洗。来自冷凝器内气体中的小水珠在除雾器内得到分离，被清洗及冷却后的流化气体通过风机被循环至干燥器。冷凝器产生的热废水为用于中温厌氧消化系统的污泥预加热创造了有利条件。
（2）、上述洗涤冷凝器内对污泥干化蒸发水分的逆流喷水水源可直接取自污水处理厂处理后的出水，而无需采用城市给水管网的水源，可实现节水运行。
（3）、利用干化系统产生的热废水不会对污泥干化工艺本身产生任何的不利影响。而若利用干化系统外排的干化污泥成品中的余热或系统尾气中的余热将对成品冷却系统、成品输送储存系统以及尾气处理系统产生显著干扰，从而影响到整个污泥干化系统的安全可靠运行。
（4）、利用热废水与消化处理进泥实现间接换热，可发挥液/液传热中热介质与冷介质流速高、传热效率高、换热面积要求小、换热设施占地小的优点，优于干化污泥成品或系统尾气与消化处理进泥的固/液、气/液换热，提高余热的利用效率。
如污泥干化热废水余热可提供给消化处理进泥进行预加热的换热量为Q（kw）,消化处理进泥量M (m3/h）,则该污泥与干化产生的冷凝热废水间接换热后，该污泥温度可升高Q*3600/M/4.2/1000（℃）；污泥消化处理产生的用于污泥干化系统的沼气量可增加3.7*Q(m3/d)；可多干化脱水污泥含水量27*Q（蒸发kg H2O/d）。
中温厌氧消化处理进泥流程一般如下：污水处理厂污水处理产生的污泥→各类污泥（如初沉污泥、剩余污泥、化学污泥）的浓缩系统→污泥匀质池5→消化池进泥泵房集泥井6→消化池进泥泵房7→污泥消化池。本发明中，对消化处理进泥进行预加热的污泥取自污泥匀质池5，换热升温后的污泥回入污泥匀质池5后端的消化池进泥泵房集泥井6，然后通过消化池进泥泵房7内的污泥泵提升后进入污泥消化池。在污泥匀质池取泥进行预加热具有如下优势：
（1）、污泥匀质池是各类污泥（如初沉污泥、剩余污泥、化学污泥）经浓缩处理（如重力浓缩、机械浓缩）后的汇总点。此处取泥可通过同一换热设施实现各类污泥的预加热处理，实现不同座消化池的匀质、匀温进泥。
（2）、污泥匀质池接纳的是经浓缩处理的各类污泥，其流量（m3/d）已经较浓缩前显著减少。较少的污泥流量通过与热废水换热后可有更高的温度提升。因此，如在浓缩系统前端取泥则会由于其较大的污泥流量和较低的污泥温度提升值，降低热废水的余热利用价值。
（3）、污泥匀质池与消化池进泥泵房集泥井可通过隔墙分割并合建，易于实现在污泥匀质池内的取泥及其换热升温后在其后端的消化池进泥泵房集泥井内的回入。在不同点的取泥及污泥回入方案可实现任一时间的取泥均为预加热前的污泥，该处污泥具有相对较低的温度，与热废水换热有更高的温度差，可提高换热效率，减少换热面积，从而减小换热器规格。
（4）、污泥匀质池与消化池进泥泵房集泥井是消化池前端最后的污泥可视单体，在污泥匀质池内的取泥及在消化池进泥泵房集泥井内换热升温后的污泥回入易于实现对工艺的检测及运行控制。而其后是至消化池的污泥泵及其管路系统，均为全封闭系统，因此在消化池进泥泵房集泥井之后不具备取泥及污泥回入的条件。
（5）、自消化池进泥泵房的污泥泵至消化池之间的进泥管路系统、消化池循环管路系统、热水锅炉及热水/污泥热交换器系统等均为传统的、完整的系统集成。因此，在消化池进泥泵房的污泥泵前端实现消化池进泥的预加热可避免对传统污泥消化系统运行稳定的影响。
综上，在污泥匀质池内的取泥及在其后端的消化池进泥泵房集泥井内换热升温后的污泥回入是最佳的预加热工艺方案，可实现不同座消化池的匀质、匀温进泥，可实现最大程度的污泥温度提升从而提高热废水的余热利用价值，可提高换热效率、减少换热面积从而减小换热器规格，可实现对工艺的检测及运行控制，并在提高消化池进泥温度、减少消化进泥加温至35℃+2℃所需加热量的同时，避免对传统污泥消化处理系统稳定运行产生的影响。
污泥干化系统设有与干化机房8连接的热废水管道9，其中热废水收集提升设施包括与该热废水管道9连接的热废水收集罐1，该热废水收集罐1通过热水提升泵2与热废水埋地输送管3连接。该热废水收集罐1还与一富余热水收集池10连接，该富余热水收集池10通过废水排放泵11与废水排放管12连接。该富余热水收集池10用于收集多余热废水，并通过废水排放管12将多余废热水排放至厂区污水管。该热废水收集提升设施为全地下式布置，无需上部建筑，因此热废水收集提升设施的设置不会影响区域的景观效果。热废水收集罐和富余热水收集池之间通过管道13连接，该连接管道13安装于热废水收集罐1的设计水位上方，以使热废水收集罐在到达溢流水位的情况下可通过该连接管道溢流至富裕热水收集池；该连接管道上不可设置切断阀门，从而可防止其在关闭情况下造成热废水收集罐罐顶溢水和水泵被淹的问题。在热废水收集罐1旁直接设置提升泵2可实现热废水埋地输送管的压力输送，降低其埋设深度要求，避免其若设置于下游情况下必须增设中间输送罐的问题，同时可实现提升泵运行与热废水收集罐内水位的就近连锁控制，减少控制电缆的敷设长度，在提高运行可靠性的同时可减少实施费用。该提升泵的扬程需要满足自热废水收集罐至余热回收热交换间内热交换器的静扬程及沿程水头差、局部水头差之和。
所述换热设施包括余热回收热交换间，该余热回收热交换间内设有热交换器4，该热交换器4设有热水交换管道，该热水交换管道的一端通过热水进水管19与热废水埋地输送管连接，该热水交换管道的另一端通过热水出水管20与废水排放管连接，所述热交换器设置有与污泥均质池5连接的污泥换热管21。该污泥换热管21的一端通过污泥管道22与污泥均质池5的底部连接，污泥换热管21的另一端通过污泥管道22连接至消化池进泥泵房集泥井6，所述污泥流出管道上还设有污泥循环泵23。该污泥循环泵23工作，将污泥从污泥均质池5内抽出，经热交换器4加热后，送回到消化池进泥泵房集泥井6。
所述热废水埋地输送管3埋设在地下1.2m（对应车行道下）或0.9m（对应非车行道下）的位置。该热废水埋地输送管采用高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管。根据本发明的具体实施例，该热废水埋地输送管包括一工作钢管14，该工作钢管14外侧设置有一环形木支架15，该木支架15外套设置有HDPE（高密度聚乙烯）外护管16，在HDPE外护管16和工作钢管14之间填充有聚氨酯泡沫保温层17，在该所述聚氨酯泡沫保温层17的外端设置防水端面18。根据本发明的具体实施例，该聚氨酯泡沫保温层在50℃状态下导热系数不应大于0.033W/m. K，其厚度应保证外护管的正常使用。外护管最小壁厚2.5mm（对应外径125mm）、3.0mm（对应外径160mm）、3.2mm（对应外径200mm）、3.5mm（对应外径225mm）、3.9mm（对应外径250mm）、4.4mm（对应外径280mm）、4.9mm（对应外径315mm）、5.6mm（对应外径365mm）等；工作钢管最小壁厚6.02mm（对应外径89mm）、6.274mm（对应外径114mm）、7.112mm（对应外径140mm）、8.179mm（对应外径168mm）、10mm（对应外径219~820mm）。
本发明结合我国住建部、发改委《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行》（2011年3月）确定的“厌氧消化→脱水→干化→土地利用”的典型操作方案，充分利用污泥干化余热，将污泥干化产生的冷凝热废水与中温厌氧消化处理的进泥进行间接换热，提高污泥消化处理进泥温度，减少污泥消化处理加热所需的沼气产量，为污泥干化系统充分利用污泥厌氧消化产生的沼气量提供有利条件。其具体特征如下：
1、该发明与国家环保部《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》（2010年2月）关于“污泥预处理污染防治最佳可行技术”的内容相一致。按此指南，污泥预处理污染防治最佳可行技术系统包括污泥收集系统、浓缩系统、消化系统、脱水系统、存储与输送系统等。本发明即针对污泥消化系统的进泥。
2、该发明与国家环保部《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》（2010年2月）关于“污泥厌氧消化污染防治最佳可行技术”的内容相一致。按此指南，污泥中温厌氧消化污染防治最佳可行技术包括污泥预处理系统、污泥中温厌氧消化系统、沼气综合利用及净化系统等；污泥中温厌氧消化的最佳运行温度为35℃+2℃。本发明即针对污泥中温厌氧消化。
3、该发明与国家环保部《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》（2010年2月）关于“污泥土地利用污染防治最佳可行技术”的内容相一致。按此指南，污泥土地利用污染防治最佳可行技术使用污泥要求满足稳定化、无害化、污染物限制的指标要求。本发明对应的污泥消化处理系统、污泥干化处理系统即可满足该稳定化（如其指标有机物降解率≥40%）、无害化（如其指标含水率≦45%）等指标要求。
4、该发明与我国住建部、发改委《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行》（2011年3月）关于“污泥热干化技术二次污染控制要求”的内容相一致。按此指南，污泥干化后蒸发出的水蒸汽和不可凝气体需进行分离，水蒸汽通过冷凝装置冷凝后应优先回用。本发明即利用了污泥干化产生的冷凝热废水中的余热。
5、该发明可体现我国污泥处理处置“循环利用、节能降耗”的污泥处理处置原则。一方面利用污泥消化处理系统回收沼气作为污泥干化处理的热源，另一方面利用污泥干化系统产生的载热性余热作为污泥消化处理的热源。
6、该发明遵循了能量回收的原则。在提高污泥干化冷凝设备利用效率的基础上，在污泥处理工序上就近利用，并有很好的余热回收利用效果和经济效果。从干化系统排出的冷凝水的温度约为60摄氏度，污泥中温厌氧消化的最佳运行温度为35℃+2℃。该温度差可为利用污泥干化系统产生的余热对中温消化处理进泥进行预加热创造有利条件。
7、该发明在“厌氧消化→脱水→干化→土地利用”的典型操作方案中具有普遍推广的工艺技术应用条件。污泥消化处理系统前端均含有匀质池及消化池进泥泵房集泥井，各种类型的污泥干化处理系统均含有干化水蒸汽的冷凝处理系统及其冷凝水的排放。
8、该发明具有设施投资低、运行简单、技术成熟的特点。废水收集提升设施、热废水埋地输送管、热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施均为传统的给排水处理设备及管道。
9、为充分利用该余热，设备及管道宜进行保温处理。其中，热废水埋地输送管可采用《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》CJ/T 114-2000、《高密度聚乙烯外护管聚氨酯-硬质泡沫塑料预制直埋保温管件》CJ/T155-2001，并按《热水管道直埋敷设》05R410埋地敷设。
10、鉴于污泥厌氧消化处理系统中消化温度是影响污泥厌氧消化的关键参数，消化温度的波动超过2℃就会影响污泥消化效果及其沼气产生量，因此本方法中该余热的利用应首先用作中温消化处理进泥的预加热。
11、鉴于常规污泥匀质池→消化池进泥泵房集泥井→消化池进泥泵房→污泥消化池的流程特点，预加热的污泥宜取自污泥匀质池，污泥与热废水通过换热设施间接换热后回入消化池进泥泵房集泥井，然后通过消化池进泥泵房内的污泥泵提升后进入污泥消化池进行消化处理，换热降温后的废水可就近排入下水道。

Claims (10)

1.一种利用污泥干化余热对消化处理进泥进行预加热的方法，污水处理厂包括污泥干化系统和污泥消化系统，其特征在于在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施；在污泥消化系统侧设置热废水与消化池前端匀质池污泥的换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管；所述热废水收集提升设施收集污泥干化系统产生的冷凝水，该冷凝水经热废水埋地输送管输送到换热设施，该换热设施对消化处理进泥进行预加热。
2.根据权利要求1所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：热废水收集提升设施包括与干化机房连接的热废水收集罐，该热废水收集罐通过热水提升泵与热废水埋地输送管连接。
3.根据权利要求1所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：对消化处理进泥进行预加热的污泥取自污泥匀质池，换热升温后的污泥回入消化池进泥泵房集泥井，通过消化池进泥泵房内的污泥泵提升后进入污泥消化池。
4.根据权利要求3所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：所述换热设施包括余热回收热交换间，该余热回收热交换间内设有热交换器，该热交换器中设有热水交换管道，该热水交换管道的一端通过热水进水管与热废水埋地输送管连接，该热水交换管道的另一端通过热水出水管与废水排放管连接，所述热交换器上设置有与污泥均质池连接的污泥换热管。
5.根据权利要求4所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：该污泥换热管的一端通过污泥管道与污泥均质池的底部连接，污泥换热管的另一端通过污泥管道连接至消化池进泥泵房集泥井，所述污泥管道上还设有污泥循环泵。
6.根据权利要求1所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：热废水埋地输送管采用高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管。
7.根据权利要求1所述的一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的方法，其特征在于：干化热废水的余热利用首先用作中温消化处理进泥的预加热；污泥消化温度的控制仍通过热水锅炉热水系统对消化池循环污泥进行温控调节。
8.一种利用污泥干化余热对中温消化处理进泥进行预加热的装置，污水处理厂包括污泥干化系统和污泥消化系统，其特征在于在污泥干化系统侧设置热废水收集提升设施；在污泥消化系统侧设置换热设施；在热废水收集提升设施与换热设施之间设置热废水埋地输送管。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于热废水收集提升设施包括与干化机房连接的热废水收集罐，该热废水收集罐通过热水提升泵与热废水埋地输送管连接。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述换热设施包括余热回收热交换间，该余热回收热交换间内设有热交换器，该热交换器设有热水交换管道，该热水交换管道的一端通过热水进水管与热废水埋地输送管连接，该热水交换管道的另一端通过热水出水管与废水排放管连接，所述热交换器设置有与污泥匀质池连接的污泥换热管。
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