城市污水处理厂污泥堆肥工艺设计课程设计讲课教案.docx
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城市污水处理厂污泥堆肥工艺设计课程设计讲课教案
城市污水处理厂污泥堆肥
工艺设计
学院：
水利与环境学院专业：
环境工程指导老师：
黄绪泉
姓名：
公子毅
学号：
2011108106
二零一四年一月二十四日
第一部分前言
一、概述
随着国家对环保治理力度的加大，越来越多的污水厂投入运行，由此处理污水而产生的剩余污泥也越来越多，污泥是污水处理后的产物,是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体污泥等组成的极其复杂的非均质体。
污泥的主要特性是含水率高（可高达99%以上）,有机物含量高,容易腐化发臭,并且颗粒较细,比重较小,呈胶状液态。
它是介于液体和固体之间的浓稠物,可以用泵运输,但它很难通过沉降进行固液分离。
污泥的成分非常复杂，不仅含有较丰富的氮、磷及多种微量元素和大量有机质，同时还含有病原菌、寄生虫（卵）、重金属、盐分及某些难分解的有机毒物。
堆肥化是指在人工控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生物将固体废物中可生物降解的有机组分分解，向比较稳定的腐殖质进行生物转化的微生物过程。
这一过程包含堆肥材料的矿质化和腐殖化两个相互交替的过程。
堆制初期，矿质化过程占优势；后期则腐殖化过程占优势，重视污泥的处置显得非常重要。
适用于堆肥法处理的废物主要有城市垃圾、粪便、城市及某些工业废水处理过程中产生的污泥、农林废物等。
放置在任一场所的有机团体废物在湿度、通风条件满足的情况下，会自动产生热量（如秸秆堆垛、垃圾堆垛），尤其在冬季这种现象更为明显，会产生大量热蒸汽。
堆肥化就是在人工控制下，在一定的水分、C/N比和通风条件下通过微生物的发酵作用，将有机物转变为肥料的过程。
在这种堆肥化过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其土壤环境不构成危害，而把堆肥化的产物称为堆肥。
在堆肥化过程中，伴随着有机物分解和腐殖质形成的过程，堆肥的材料在体积和重量上也发生着明显变化。
通常由于挥发性成分分解转化，重量和体积均会减少1/2左右。
堆肥化过程是地球表面生态过程中的一部分，并在不断地发挥着重要的作用，如可使地表面残留的枯枝落叶、杂草堆、树皮和其他半团体的有机物分解后再进一步参与到物质和能量的循环中去。
二、本设计概况及原始资料本设计为城市污水处理厂的污泥堆肥工艺，规模为日处理脱水污泥200t，
每年处理脱水污泥6万t的污泥堆肥处理厂，年生产有机肥1.6万t。
脱水污泥含水率为80%，挥发性固体比重为75%，碳氮比为8：
1，典型化学成分C10H19O3N。
三、设计依据
1、《污水污泥处理处置与资源化利用》尹军谭学军编著；
2、《固体废物处置与资源化》蒋建国编著；
3、《固体废物处理处置实践教程》宁平编著；
4、《固体废物管理手册》乔治•乔巴诺格劳斯弗朗克•克赖特主编。
四、设计原则污泥堆肥工艺技术应符合建城[2009]23号《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》要求；有机肥产品达到或超过GB24188-2009《城镇污水处理厂污泥泥质》、GB4284-8《4农用污泥中污染物控制标准》和GB8172-87《城镇垃圾农用控制标准》要求。
第二部分堆肥厂处理工艺方案
一、工艺类型确定好氧堆肥是在有氧的条件下，借助好氧微生物（主要是好氧细菌）的作用来进行的。
在堆肥过程中，有机废物中的可溶性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物所吸收；固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，然后在微生物所分泌的胞外酶的作用下分解为可溶性物质，再渗入细胞内部。
微生物通过自身的生命活动—氧化还原和生物合成过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放出微生物生长、活动所需要的能量，把另一部分被吸收的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。
也就是说好氧堆肥是在通空气的条件下，好氧微生物分解大分子有机固体废物为小分子有机物，部分有机物被矿化为无机物，并放出大量的热量，使温度升高至50-65摄氏度，如果不通风，温度会升高到80-90C。
这期间发酵微生物不断地分解有机物，吸收和利用中间代谢产物合成自身代谢物质，生长繁殖；以其更大数量的微生物群体分解有机物，最终有机固体废物完全腐熟成稳定的腐殖质。
常见的典型堆肥工艺有：
好氧静态堆肥工艺、间歇式好氧动态堆肥工艺、连续式好氧动态堆肥工艺。
1、好氧静态堆肥工艺好氧静态堆肥形式一般采用露天强制通风垛，或是在密闭的发酵池、发酵箱、静态发酵仓内进行。
当一批物料堆积成垛或置入发酵装置之后，不在添加新料和翻垛，直至物料腐熟运出。
好氧静态堆肥由于堆肥物料始终处于静止状态，有机物和微生物分布不均匀，特别是当有机物含量高于50%时，静态强制堆肥难以在堆肥中进行，使发酵周期延长，影响该工艺的推广应用。
我国在好氧静态堆肥技术方面有较丰富的实践经验。
2、间歇式好氧堆肥工艺间歇式好氧堆肥工艺路线类似于静态一次发酵过程，其特点是发酵周期缩短，有可能减小堆肥体积。
具体操作是采用间歇翻堆的通风垛或间歇进出料的发酵仓，将物料批量的进行发酵处理。
对高有机质含量的物料在采用强制通风的同时，用翻堆机械间歇式对物料进行翻动，以防物料结块并保证其混合均匀，提供通风效果使发酵过程缩短。
3、连续式好氧动态堆肥工艺连续式好氧动态堆肥工艺师一种发酵时间更短的动态二次发酵技术。
其工艺采取连续进药和连续出料的方式进行，在一个专设的发酵装置内使物料处于一种连续翻动的动态下，易于使组分混合均与，形成空隙利于通风，水分蒸发迅速，使发酵周期得以缩短。
连续好氧动态堆肥对处于高有机质含量的物料极为有效，正是由于具有以上的一些优点，该型堆肥工艺包括所使用的装置在一些发达国家已广为使用，如DAN（达诺系统）回转滚筒式发酵器、桨叶立式发酵器等。
根据所给原始资料并比较各工艺优缺点，本设计采用好氧静态堆肥工艺。
二、好氧堆肥工艺流程
1、工艺流程图如下图所示：
2、工艺流程说明
本设计工艺流程由预处理、一次发酵（主发酵）、二次发酵（后发酵）、后处理（精加工）、
脱臭等工序组成。
（1）预处理
由于本设计是处理城市污水处理厂污泥，发酵原料为污水污泥饼，其含水率太高、碳/
氮比低，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，同时添加调理剂和额外营养，接种菌液以
促进发酵过程正常进行。
本设计采用的调理剂为木片，其有效化学组成为C295H420O186N,含
水率为20%，挥发性固体含量为20%，有机物降解系数为0.2，密度为350kg/m3。
（2）一次发酵（主发酵）
主发酵主要在发酵仓内进行，靠强制通风来供给氧气。
在发酵仓内，由于原料中存在的微生物作用而开始发酵，首先是易分解物质分解，产生二氧化碳和水，同时产生热量使堆温上升。
这时微生物吸取有机物的碳、氮等营养成分，在合成细胞质自身繁殖的同时，将细胞
中吸收的物质分解而产生热量。
发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌（生长繁殖最适宜温度
为30〜40C）进行的。
随着堆温的升高，最适宜温度45〜65C的嗜热菌取代了嗜温菌，能
进行高效率的分解。
氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响。
后面
将进入降温阶段。
通常将温度升高到开始降低为止的阶段，称为一次发酵期（主发酵期）。
一次发酵期为10天。
（3）二次发酵（后发酵）经过一次发酵（主发酵）的半成品被送去二次发酵（后发酵）。
在一次发酵（主发酵）工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解，变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。
二次发酵（后发酵）也在专设仓内进行，但把物料堆积到1.5m高度，进行敞开式二次发酵（后发酵），并设置有防止雨水的设施。
为提高二次发酵（后发酵）效率，仍需进行通风。
二次发酵（后发酵）时间为20天。
（4）后处理经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变了形，数量也减少了。
净化后的散装堆肥产品，直接销售给用户，施于农田、菜园、果园，或作土壤改良剂，也可以根据土壤的情况，用户的需要，在散装堆肥中加入N、P、K添加剂后生产复合肥，做成袋装
产品，既便于运输，也便于贮存，而且肥效更佳。
（5）脱臭在整个工艺过程中，每个工序系统都有臭气产生，主要有氮、硫化氢、甲基硫醇、胺类等，必须进行脱臭处理。
去除臭气的方法主要有化学除臭剂；水、酸、碱水溶液等吸收剂吸收法；臭氧氧化法；活性炭、沸石、熟堆肥等吸附剂吸附法等。
本设计采用方法是熟堆肥氧化吸附除臭法。
将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器，堆高约1.0m,将臭气通入系统，使之与生物分解和吸附及时作用，氮、硫化氢的去除效率均可达98％以上。
第三部分工艺设计及计算
一、相关参数设定脱水污泥的含水率为80%，采用木片为调理剂，调理剂与脱水污泥的体积比由含水率控制。
污泥质量符合农用国家标准（GB8172-87），堆肥质量符合无害化卫生标准（GB7959-87）。
采用强制通风静态垛系统进行堆肥，该系统采用加大垛形式，其单垛大小
（长X宽X高）为30mX2mX1.5m。
因该加大垛包含7个单垛，故加大垛大小（长X宽X高）为30mX14mX1.5m。
堆肥周期为30d。
有机质含量取60%最佳含水率在50%-70%取60%C/N为30，pH为7.5-8.5;温度为55-60C。
二、发酵前处理
1、处理指标确定
（1）含水率
污泥Xs=80%木片xa=20%堆料混合后使xm=60%
（2）挥发性固体含量
污泥ys=75%木片ya=20%堆料混合后使ym=45%
（3）有机物降解系数
污泥ks=0.3,木片ka=0.2。
（4）空气
进口温度Ti=20C,相对湿度①=0.75，饱和水蒸气压Ps,20c
=17.54mmHg（1mmHg=133.322paf同）。
出口温度E=60C,相对湿度①=1.0，饱和水蒸气压PS,60c=149.40mmHg
（5）比热容
空气CP,a=0.241kcal/（kg•C）（1cal=4.184J,后同），水CP,w=1.00kcal/（kg•C）,堆肥固体CP,m=0.25-0.29kcal/（kg•C）,取0.25kcal/（kg•C）。
（6）常数
a=3312.5kcal/kg，水在60C时的汽化潜热B=573kcal/kg，氧气在空气中的质量比为0.232。
2、调理剂体积比计算
（1）污泥相对密度丫（相对于水）
_25000_25000
丫==
250p（100P）（1001.5Pv）25080（10080）（1001.575）
=0.562
上式中P:
污泥含水率（取百分号前整数）
Pv:
挥发性固体所占百分数（取百分号前整数）
（2）污泥密度Ps的确定
33
Ps=Y・p水=0.562x1000kg/m=562kg/m
（3）体积比Rv的确定
3
木片密度已知Pa=350kg/m,
体积比△一xm=562x80%60%=4
Vsaxmxa35060%20%5
（4）单垛体积的确定
3
每天处理污泥总体积vs=—=20010kg=356m
s562kg/m3
污泥和木片混合物的总体积V总=仝=640.8m3
5/9
单垛体积V0=V^=640.8=91.5m3，取90m
77
33
V）=Vj+V5，贝UVa=40m，Vs=50m
三、通风量计算
m（Q）=Q•m•（1-Xs）•ys•ks+Oa•m•（1-Xa）•ya-ka
P0：
空气密度
0.232:
C2在空气中的质量比
2、去除水分所需通风量V2的确定
（1）堆料干质量nm的确定
m=（VS+ps）-（1-xm）=（50X562+40X350）X（1-60%）=16840kg
（2）水分蒸发量mw的确定
空1ys）=80%-4°%（175%）=3.70（kg水/kg干
（1xc）（1yc）180%（140%）（145%）
物料）
mw=wXnm=3.70x16840=62308kg
Hd:
出口相对湿度
H入口相对湿度
3、散热所需通风量V3的确定
（1）散热所需空气量ma
由热量衡算qr=qa+cw+qm得:
qr=a・mO2=3312.5x2829.96=9374242.5kcal
qa=mm-Cp,a•（To-Ti）=16840x0.241x（60-20）=162337.6kcalqw=nw-CP,w•（To-Ti）+maB=623°8x1.00x（60-20）+max573=2492320+573naqn=mmTCp,m•（To-Ti）=16840x0.25x（60-20）=168400kcal
由上述公式得：
9374242.5=1723376+（2492320+573na）+168400
解得ma=11433.1kg
（2）散热所需通风量V3
4、通风总量Q的确定
VV2V3_10337.38
Q==
t
t:
一次发酵周期（天）
四、通风管道的计算
管道设计及管径的选择通风管道布置遵循均匀对称原则，在堆体底部中间纵向铺设通风干
管，长29.5m，干管两侧对称布置长1m的支管，相邻支管纵向间隔2.5m，支管周身穿孔，
孔径为10mm，间距50mm。
按照通风设计标准，通风系统中干管风速应控制为6-14m/s，支管则为2-8m/s
4.1通风干管设计
通风系统干管，直径Di的计算。
取通风系统干管中气流的速度vi=10m/s，则
D,1000.4Q/3600v1=185（mm）
取D1=190mm,则干管中气体的实际流速为
2
4Q1000
V19.44（m/s）
3600D1
4.2通风支管设计
通风系统支管直径D2的计算。
取通风系统支管中的气体流速为V2=5m/s，则
D21000/4Q/3600V2261（mm）
取D2=270mm，则支气管中气体的实际流速为
2
4Q1000
V4.68（m/s）
3600D2
五.风机轴功率的计算
N=Q额P额/1000
风机的选择根据整个通风系统风压及所需风量确定。
在本设计中，风机风压要保证气流能克服通风管道阻力并到达堆体中绝大部位，
其中取风压P=8cmHO=784.3Pa
P额=k2P=1.1784.3=862.74（Pa）
式中，k2—压力系数，一般取1.1
其中风机额定风量由下式确定：
333
Q额=k1•Q总=1.1963.5m/h=1059.9m/h=0.29（m/s）
式中，k1—通风系数，一般取1.1；
3
Q总一总系统通风量，m/h;
3
Q额一额风机额定风量，m/h。
取=70%则N=Q额P额/1000
=0.29862.74/（100070%）
=0.36（kW）
在保证通风系统运行时风量和风压有一定余量情况下，风机依据风量为1059.9m3/h和
风压为862.74Pa选择型号4-72离心通风机。
为使整个通风系统运行合理有效，在堆肥过程中有必要采用变化的通风量。
堆肥初期风
机以较小风量对堆体进行鼓风，使堆体温度逐渐上升至55C以上；接着加大通风量，使反应
当堆温超过60C时就开启风机，风机的开停由安置在堆体中的温度反馈器来控制，如此反复,持续5-7d;后期则改为抽风方式，逐渐减少通风量，使堆温降低。
六、堆肥工艺参数堆肥化过程是复杂多变的，物料经混匀后，受营养平衡、水分含量和物理结构等的影响。
工艺过程中要控制的各种参数，就是那些对堆肥过程有影响的物理、化学和生物因素。
它们决定微生物活动的程度，从而影响堆肥的速度与质量。
1、一次发酵主要参数
（1）水分含量
在一次发酵过程中，水分是一个重要的物理因素。
水分含量是指整个堆体的含水量。
水分的主要作用在于：
（1）溶解有机物，参与微生物的新陈代谢;
（2）水分蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用。
水分的多少，直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败，因此水分的控制十分重要。
在堆肥期间，如果水分含量低于10%~15%，细菌的代谢作用会普遍停止;含水量太高，会使堆体内自由空间少，通气性差，形成微生物发酵的厌氧状态，产生臭味，减慢降解速度，延长堆腐时间。
大量的研究结果表明，确定堆肥一次发酵阶段的含水率一般在50%-60%。
（2）通气量供气是好氧堆肥成功的重要因素之一，也是一次发酵阶段重要的控制参数。
供气的作用主要有三个方面：
为堆体内的微生物提供氧气。
如果堆体内的氧气含量不足，微生物处于厌氧状态，使降解速度减缓，产生H2S等臭气，同时使堆体温度下降;调节温度。
堆肥需要微生物反应而产生的高温，但是，对于快速堆肥来讲，必须避免长时间的高温，温度控制的问题就要靠强制通风来解决;散除水分。
污泥堆肥的一个目的是降低其水分含量。
在该阶段，通气主要是提供微生物
02以降解有机物。
3
本设计中通风量确定为：
供氧所需通风V1=10337.38m,去除水分所需通风量
333V2=211213.56m,散热所需通风量V3=9689.07m,通风总量V=963.5m/h。
2、二次发酵主要参数
（1）周期二次发酵指物料经过一次发酵后，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1—2米高的堆垛进行二次发酵并腐熟。
当温度稳定在40C左右时即达腐熟，一般需20—30天。
本设计取20d。
（2）碳氮比
C/N比是堆肥原料与填充料混合物的C/N比。
微生物生长需要碳源，蛋白质合成需要氮源，微生物合成一份蛋白质大约需要30份碳，对于堆
肥来讲，C/N比为30看起来是理想的。
C/N比低、特别是当PH值和温度高时，使废弃物中的氮以NH3的形成挥发损失，散发出臭味。
用C/N比低的原料（15.7:
1）进行堆肥实验，结果是微生物对有机物的生物氧化过程中显示了严重的氮素损失。
但是，当C/N比高于35时，微生物必须经过多次生命循环，氧化掉过量的碳，直到达到一个合适的C/N比供其进行新陈代谢，保证二次发酵阶段的顺利进行，为后处理阶段产品的腐熟提供保障。
第四部分项目影响结论与建议
一、环境影响与分析
1、废气
评价项目大气污染物主要为污泥转运、装卸过程产生的氨气、硫化氢等气体，为无组
织排放，好氧发酵过程中会产生少量氨气，拟通过吸气罩收集后通过15m高排气筒外排。
经
过预测可知，拟建项目对周围大气环境质量影响较小，不会降低环境空气质量等级，对环境保护目标的影响在可接受范围内。
项目有组织废气可做到达标排放，厂界臭气度达标。
项目排放大气污染物对周围敏感点及周围环境影响较小。
项目需设置大气环境防护距离为500m。
项目卫生防护距离内无居住点。
2、废水评价项目废水主要为场内职工生活污水、地面、设备冲洗水和生物吸附池除臭废水等。
废水经过场区内污水处理系统处理达到《污水综合排放标准》（GB8978－
1996）一级标准后外排至附近水域，对周围水环境影响较小。
3、噪声评价项目环境噪声主要为各生产设备运行时产生的噪声。
根据类比分析其
源强声级在75〜85dB（A）之间。
评价建议采取隔声、消声等噪声防治措施，通过预测分析评价项目噪声对周围环境影响较小，满足相关排放标准限值要求。
4、固废本项目固废主要为职工日常生活产生的生活垃圾。
生活垃圾经厂内垃圾箱
收集后由环卫部门集中清运至生活垃圾填埋场卫生填埋，不会对区域环境造成影响。
5、环境风险拟建项目生产装置发生事故概率、储存罐区发生事故概率，其风险值均小
于化工行业风险值8.33X10-5死亡/a。
项目火灾、爆炸危害主要局限于厂区，项目距离最近的村庄600m事故情
况下，不会造成居民伤亡。
项目储罐发生火灾、爆炸的事故概率较少，且事故时燃烧分解产物无有毒有害物质，对大气环境的影响较小。
因此，事故状态下项目沼气爆炸风险事故对周围的环境造成的影响属于可接受范围之内。
项目按规定设计了应急预案、应急措施。
因此，只要严格遵守各项安全操作规程和制度，加强安全管理，本项目投产后，环境风险可以接受。
二、有机肥产品优点
1、有机质含量高。
有机肥一般含有机质20％左右，这是区别有机肥和化肥的重要标志，也是土壤有机质的主要来源。
2、养分全面。
生物有机肥中不仅含有植物必需的大量元素、微量元素，还含有生物活性小分子化合物，如维生素、植物生长调节剂等，当然也包括一些有益的生物菌。
总之，凡是植物必需的功能元素，包括已知的和未知的，植物能够从土壤中吸收到的，生物有机肥料中都存在。
3、具改善土壤理化性状的良好作用。
有机肥能调节和缓冲土壤的酸碱度，所以不管是酸性土还是碱性土施用效果都比较好。
有机肥能增加土壤的阳离子代换量，提高土壤的保肥性，增加土壤有机质的含量，有利于土壤良好结构的形成，特别是水稳团粒结构的增加，从而可改善土壤的松紧度、通气性、保水性和热状况，有利于土壤的物理化学性状向好的方向转化。
许多试验和实践都表明长期施用有机肥，一般土壤含水量能增加2%〜4%,早春和晚春能提高地温2〜3C。
4、肥力柔和，肥效持久而稳定。
有机肥的施用量多一些、少一些，一般不会危害作物的生长，允许变动的幅度较大。
施用有机肥不仅当季作物增产，一般若干年后仍可见成效。
5、可维持和促进养分平衡。
植物从土壤中摄取各种养分制造出大量的有机物，带走土壤中大量的养分元素，这些养分很大一部分可以通过施用有机肥的途径回归土壤。
这是一条维持和促进土壤养分平衡的重要途径。
三、结论与建议
1、结论堆肥是有机固体废弃物无害化和资源化的有效途径，堆肥过程中应该根据物料的基本性质，调节适合堆肥发酵的条件，使堆肥发酵过程快速高效进行。
对堆肥的腐熟和稳定性方面的评判应该利用物理、化学、生物活性和植物毒性等手段，综合分析，形成有利于堆肥产品品质稳定的评价体系。
另外，从现在有机食品和绿色食品的迅速发展，人们对食品安全性要求的进一步提高以及有机肥在农业中的不可替代的作用和优势来看，有机肥的应用和发展必将掀起一个新的高潮，采用堆肥的方式处理有机固体废弃物，无论作为一种环保手段还是作为一种资源化利用的途径，都将具有广阔的前景。
项目工艺可靠，资源能源利用效率较高，采取了一定的清洁生产措施，对废物尽量回收利用，符合清洁生产和循环经济要求。
该项目符合国家产业政策，厂址选择及平面布置合理，项目经济效益、社会效益较好。
该项目的产污量较小，只要切实落实设计和环评中提出各项污
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