中国污泥堆肥技术变迁与发展趋势
洛阳污泥一期、二期工程时间跨度近10年，为数据分析与经验积累提供了难得的机遇。分别对洛阳污泥两期工程概况、工艺流程、工程设计、设计特点进行了详细阐述，并对核心设计参数进行了对比。总结了我国污泥堆肥技术从始至今经历的三个阶段，介绍了洛阳污泥两期工程在其中的位置，以及每一阶段堆肥技术总体发展趋势。
洛阳市污泥处理厂源自洛阳瀍东污水处理厂污泥无害化处理工程，也称洛阳污泥一期工程，自2007年投运至今已超过10年。该项目创造了多项 “第一”：中国第一座200 t级污泥堆肥项目，第一座利用外国政府贷款建设的污泥处理项目，同时还是业内著名的德国BACKHUS系统在中国的第一个应用案例。
随着社会发展速度的加快，为适应环境与需求的变化，洛阳污泥处理厂进行了改扩建工程，并于2014年底完工投入使用，也称洛阳污泥二期工程。该项目第一次由完全自主知识产权国产堆肥系统完整替代进口系统，同时也是唐山城市污泥处理工程后国产SACT系统又一应用范例。洛阳污泥一、二期工程时间跨度近10年，设计均由机科发展公司承担，这也从设计意图根源上为数据分析与经验积累提供了难得的机遇。
1 洛阳污泥一期工程设计
1.1 项目概况
洛阳瀍东污水处理工程污泥无害化处理项目是瑞典政府贷款项目——洛阳瀍东污水处理工程配套项目，主要解决瀍东污水处理厂和涧西污水处理厂(部分)脱水污泥无害化处理问题。项目建设地点位于洛阳市区北部邙山岭，距市区规划区边缘8 km，厂址距最近的水口村村民居住地约2 km，距北郊机场1 km，距离瀍东污水处理厂20 km左右。厂址地势较高，四周空旷，通风条件较好。
项目处理规模为228 t/d(含水率82%)，总占地面积126 152㎡。建设内容包括污泥晾晒车间、好氧堆肥车间、营养土造粒车间、营养土存放库、成品及原料存放库等车间设施。项目于2006年开工建设，2007年12月投入运行。
1.2 工艺流程
项目采用动态(翻堆曝气)条垛堆肥工艺，核心设备采用德国BACKHUS车式翻堆机，并设置了较为完善的营养土造粒(制肥)系统，工艺流程如图1所示。
1.3 工程设计
项目主要处理设施包括污泥机械翻堆晾晒车间16座，好氧堆肥车间1座，营养土造粒车间1座，营养土存放库1座，成品及原料存放库1座。
1.3.1 污泥机械翻堆晾晒车间
(1)晾晒处理工序描述。每天将从污水处理厂运来的228 t脱水污泥运至晾晒车间，用专用晾晒翻堆设备将污泥铺平，经过15 d的自然晾晒，使脱水污泥含水率由82%降到65%，体积减容约一半，以便于与其他干料混合后堆肥。晾晒过程完全依靠太阳能以及晾晒翻堆设备作用，通过翻动增大污泥水份蒸发面积和蒸发速率来降低污泥的含水率。
(2)晾晒车间的设计。该项目晾晒车间设计如采用污泥晾晒停留时间15天，污泥铺摊厚度为15 cm，校核晾晒车间总面积为28 500 ㎡，按照晾晒车间总面积39 680 ㎡则污泥铺摊厚度约为11 cm，满足要求。因此最终确定晾晒车间总面积为39 680 ㎡。
共设置16个晾晒车间，每个车间的平面尺寸为62 m×40 m，面积为2 480 ㎡。
1.3.2 好氧堆肥车间
污泥经过太阳能干化后，每天将有117 t晾晒污泥通过载重车运输进入堆肥车间相应位置，装载机按照比例添加干料、熟料并将混合物料整理成条垛，之后采用车式翻堆机定期将物料翻堆、打散，发酵最高温度可达70 ℃，污泥中的病原体、杂草种子等被杀死，经过15 d左右的充分好氧发酵，污泥含水率降到35%左右，颗粒小于15 mm，实现污泥减量化、无害化的目的。
车间工艺尺寸：162 m×48 m×9 m;停留时间：15 d;翻堆频率：1次/2 d～1次/d。
1.3.3 营养土造粒车间
好氧堆肥后的产物(营养土)含水率在35%左右。为了利于用户施用，以及便于储存及运输，将部分营养土送入营养土造粒车间制成颗粒，颗粒含固量≥90%，颗粒形状为球状;粒径3~8 mm。项目设计日产成品颗粒为24 t，年产8 400 t规模。
1.3.4 营养土存放库
好氧堆肥后的污泥经无害化处理后，部分通过自卸车运到该存放库，根据需要每天进库量32 t。营养土存放库总建筑面积为1 440 ㎡，尺寸40 m×36 m×6.8 m。营养土存放高度为2 m，储存周期约为60 d。
1.3.5 成品及原料存放库
营养土造粒车间每天生产24 t营养土颗粒，存放于成品及原料存放库，总建筑面积为1 008 ㎡，尺寸42 m×24 m×6.8 m。成品为25 kg、50 kg两种袋装产品，通过叉车堆放高度可达4 m，储存周期为60 d。剩余面积用于存放干料。
1.4 设计特点
(1)简洁的工艺流程。项目工艺流程简洁，管理水平要求较低，系统可靠性较高，抗冲击负荷能力较强。
(2)自然晾晒前处理工序。自然晾晒作为好氧堆肥前处理工序，具有减量化程度高、运行成本低等优势，在用地和自然条件允许的情况下，自然晾晒是经济有效的堆肥预处理技术;与传统自然晾晒系统相比，洛阳项目采用全FRP屋面板晾晒车间，自然气候适应性和运行可靠性明显提高。
(3)封闭式大跨度堆肥车间和车式翻堆机的应用。动态条垛式堆肥工艺在国外多为露天条件下采用，洛阳项目同样基于自然气候适应性和运行可靠性的考虑，并根据车式翻堆机的特点设计了封闭式大跨度堆肥车间，162 m的车间长度和136 m的条垛长度使翻堆机尽量直线运行，减少挑头作业，提高设备有效利用率，并且在增加车间封闭性的前提下，最大程度适应设备使用条件。
(4)完善的制肥系统。项目设置了完善的营养土造粒生产线，可以生产有机颗粒肥，略加改造即可满足有机无机复混肥料生产要求，并且设置了专门颗粒肥料库房。
2 洛阳污泥二期工程设计
2.1 项目概况
洛阳市污泥处理厂改扩建工程主要解决瀍东污水处理厂、涧西污水处理厂和新区污水处理厂近期脱水污泥无害化处理问题，此外大幅度提升了自动化程度和二次污染控制水平，项目建设地点位于一期工程内。
项目处理规模为328 t/d(含水率82%)，包含新建原料接收间、污泥发酵车间、生物除臭滤池、原料库、污泥成品库、变配电间、消防水池及泵房、地量衡与计量间等车间设施。项目于2013年开工建设，2014年11月投入运行。
2.2 工艺流程
项目采用SACT隧道仓堆肥工艺，核心设备采用国产F5.110翻堆机，并增设了专用生物除臭系统，工艺流程如图2所示。
2.3 工程设计
项目新建处理设施包括原料接收间1座，污泥发酵车间1座，生物滤池2座，原好氧堆肥车间被作为二次发酵车间，原部分晾晒车间被作为原料堆棚，原营养土造粒车间继续使用。
2.3.1 原料接收间
项目共设置1座原料接收间，平面尺寸为27.64 m×10.8 m，地上7.65 m，地下5.7 m。
含水率80%的市政污泥通过污泥自卸汽车运输到原料接收间中的污泥料仓，污泥料仓是地下式，钢筋混凝土形式，共2座，单座污泥料仓的有效容积为52.5 m3。污泥料仓下设液压闸板阀，用以控制污泥下落量。污泥通过料仓下滑至料仓底部的计量螺旋输送机中，然后落入污泥及秸秆进料皮带输送机，最终运送至位于物料混合区内的混料机中。
秸秆粉等干料通过自卸汽车运输到原料接收间中的干料料仓，干料料仓与污泥料仓结构、尺寸、数量相同，仓下部设液压闸板阀，用以控制秸秆下落量。干料通过料仓下滑至料仓仓底的计量螺旋输送机中，然后落入污泥及干料进料皮带输送机，最终运送至位于物料混合区内的混料机中。
2.3.2 污泥发酵车间
项目设置污泥发酵车间1座，平面尺寸为：221.62 m×70.50 m，高9.7 m。污泥发酵车间是整个高温好氧发酵工艺的核心部分，分成物料混合区、好氧发酵仓区和卸料区三个主要区域。
(1)物料混合区。污泥与干料由原料接收间内的皮带输送机输送至混料机中。返混料通过卸料皮带机输送至返料料仓，在返料料仓下设有计量螺旋定量配料至混料机进料皮带输送机中，然后通过皮带机输送至混料机中。上述三种物料在混料机内完成混料过程后，含水率60%的混合物料由混料机出料皮带输送机输送至布料皮带输送机，利用布料皮带输送机上的犁式卸料器，实现每个发酵槽的均匀进料，完成自动进仓过程。
(2)好氧发酵仓区。混合均匀的物料在好氧的条件下，进行高温好氧发酵。仓底部布置有曝气系统，采用数量众多的小型鼓风机对发酵槽的不同区域，也针对发酵不同的反应阶段，进行分区域精确供氧，以控制发酵的工艺反应过程。
物料从仓内一侧向另一侧移动，在翻抛物料的同时，打碎物料颗粒，保证均匀性，且有效蒸发水分，最终实现从发酵仓一端出料的工艺运行效果。翻抛机的工作时间与物料阻力特性相关，但须确保每个发酵仓中的物料每天翻抛1次的工艺要求。翻抛机在布料皮带机布料之前完成物料的翻抛，为混合后的混合物料进料做好准备。物料在发酵仓内通过好氧生化反应，降解有机物的同时释放大量的生物热，嗜热菌种不断大量繁殖，湿污泥中的水分得到蒸发。好氧发酵仓区分两个处理系列，每个处理系列设置16个发酵仓，每个发酵仓的尺寸为：54 m×5.02 m×4.5 m。
(3)卸料区。物料从发酵仓一端出料后通过皮带输送机输送到返料料仓，其中一部分物料做为发酵产物进入下一工序;另一部分物料做为混料组分之一，由皮带机输送至返料料仓，进而输送至混料机，与进料的市政污泥和干料按设计比例进行混合。污泥发酵车间安装的主要设备包括：布料皮带输送机、翻抛机、转仓机、鼓风机和布气系统、卸料皮带机、混料机和返料料仓等。
2.3.3 生物除臭滤池
项目设置生物除臭滤池2座，单座处理量Q为28万m3/h，生物除臭滤池尺寸40.3 m×25.3 m×5 m。生物滤池中填料主要为有机-无机复合填料，填料高度为1.7 m。
每座生物除臭滤池设置离心风机4台，设备性能参数：Q=7万m3/h，风压P=2 300 Pa，N=75 kW;设置循环水泵14台，设备性能参数：Q=100 m3/h， H=32 m，N=15 kW。
2.4 设计特点
(1)隧道式发酵仓与F5.110翻堆机。F5.110 翻堆机的特殊设计使发酵仓形成与翻堆机尺寸匹配且周圈封闭的矩形断面隧道，臭气收集容易;自由空间极大压缩，臭气收集动力消耗降低。
(2)生产车间采用机械-建筑协同理念设计。“机械-建筑协同设计”(简称MCCD)就是在整个建(构)筑物设计中融合建筑设计与机械设计理念、方法、过程，使机械与建筑设施共同完成建(构)筑物功能的设计过程。通俗地讲就是将建(构)筑物看作一台设备，土建设施作为壳体或结构支撑件，机械作为运动部件。MCCD可以极大压缩系统无效空间，对堆肥系统除臭具有积极意义，并且在保障性能的前提下降低投资、减少占地面积。MCCD首先做到“机械设计建筑化”。在核心非标机械设计过程中，充分考虑到土建施工精度极限，在确保性能的前提下排除不必要的精度要求。MCCD其次要做到“建筑设计机械化”，在工程设计中充分考虑与机械的配合。
(3)臭气收集系统引入FLUENT辅助设计。在洛阳项目中根据设计参数建立模型，通过FLUENT模拟验证实施效果，为寻找最佳通风量与最经济通风量的结合点提供了量化参考依据。
(4)多段曝气与多种控制模式。项目采用动态槽式曝气，为优化工艺运行控制，每条发酵槽采用4台鼓风机进行4阶段曝气，并且曝气系统可以根据实际情况在时间模式、温度模式等多种模式间自由切换。
(5)自动布料与出料系统。项目参考了沈阳市污水处理厂污泥处理工程布料系统的特点，采用犁式卸料器完成卸料工序;项目参考了唐山城市污泥处理工程出料系统的特点，采用转仓机导流板与皮带输送机配合完成出料工序。
3 两期设计核心参数对比
洛阳市污泥一、二期工程设计核心参数对比见表1。
4 中国污泥堆肥技术变迁与发展趋势
中国污泥堆肥技术从始至今经历了三个阶段：
(1)1998~2007年。这一阶段是中国污泥市场萌芽阶段，也是污泥堆肥技术的起步阶段。1998年，随着唐山西郊污水处理厂污泥堆肥项目正式投入运行，中国污泥堆肥行业正式开启序幕，之后北京密云、太原杨家堡、北京庞各庄、太原河西北中部、唐山西郊二厂等污泥堆肥系统先后运行，但技术处于模仿、探索阶段，处理规模较小，市场需求尚未形成。
这一阶段堆肥技术总体围绕翻堆机等专用设备研发，呈现机械化发展趋势。
(2)2007~2009年。这一阶段虽然时间短暂，但是中国污泥堆肥市场形成的关键时期，国家相关技术政策密集出台：2007~2009年，住建部颁布实施了《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》(CJ248-2007)、《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》(CJ/T 291-2008)、《城镇污水处理厂污泥处置 农用标准》(CJ/T 309-2009)等8部污泥处理处置相关标准;2009年2月，住建部、环保部、科技部联合发布了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》。
污泥市场被迅速激活，但在国内堆肥技术相对于大规模集中处理尚未成熟的情况下，德国BACKHUS系统以其简单、便捷和高可靠性等特点进入中国并迅速占领市场，洛阳污泥一期项目就是在这一背景下完成并投入使用的，与之类似的还有2008年投运的北京庞各庄二期项目、厦门项目，以及2009投运的郑州市八岗污泥处理厂项目。这一阶段堆肥技术总体围绕工艺呈现规模化发展趋势。
(3)2009年至今。这一阶段是中国污泥市场发展成熟阶段，随着技术政策的逐步落实，市场快速形成，堆肥技术也呈现百花齐放的特点：2009年秦皇岛市绿港污泥处理厂第一套国产CTB系统投入使用;2011年唐山城市污泥处理项目第一套国产SACT系统投入使用，并创造了平行双层系统的先例;2012年沈阳城市污泥处理项目IPS系统投入使用，创造了世界同类项目处理规模之最。随着污泥堆肥技术的快速发展、日臻完善，早期堆肥系统存在的技术问题逐渐凸现出来，系统地改造提升也随之展开，洛阳污泥二期也正是在这一背景下立项、建设、投入运行。
这一阶段堆肥技术总体呈现规模化、精细化发展趋势。
5 结语
污泥堆肥系统运行环境一般呈现高温、高湿、腐蚀性特点，因此从目前的运行经验来看，平均改造周期为10年。洛阳污泥二期工程已正式运行超过三年，利用原来1/3的面积将处理能力提升近50%，在高自动化水平的前提下展现了系统的可靠性，同时展现了项目良好的经济性。项目所采用的技术和模式为今后陆续到达改造周期时点的污泥堆肥项目提供了一个不错的参考。
微信对原文有删减。原文标题“从洛阳污泥两期工程设计看中国污泥堆肥技术变迁与发展趋势”;作者：王涛;作者单位：机械科学研究总院环保技术与装备研究所、机械工业有机固废生物处理与资源化利用工程技术研究中心。刊登在《给水排水》2018年第9期。
