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：*********学号：**********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》、GB4284-84《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80-90℃。
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DANO（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30～40℃）进行的。
随着堆温的升高，最适宜温度45～65℃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（GB 8172-87），堆肥质量符合无害化卫生标准（GB 7959-87）。
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×宽×高）为30m×2m×1.5m。
因该加大垛包含7个单垛，故加大垛大小（长×宽×高）为30m×14m×1.5m。
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55-60℃。
二、发酵前处理1、处理指标确定（1）含水率污泥x s=80%,木片x a=20%，堆料混合后使x m=60%。
（2）挥发性固体含量污泥y s=75%，木片y a=20%，堆料混合后使y m=45%。
（3）有机物降解系数污泥k s=0.3,木片k a=0.2。
（4）空气进口温度T1=20℃，相对湿度Φ=0.75，饱和水蒸气压P s,20℃=17.54mmHg(1mmHg=133.322Pa ，后同)。
出口温度T 2=60℃，相对湿度Φ=1.0，饱和水蒸气压P s,60℃=149.40mmHg 。
（5） 比热容空气C p,a =0.241kcal/(kg ·℃)(1cal=4.184J,后同)，水C p,w =1.00 kcal/(kg ·℃),堆肥固体C p,m =0.25-0.29kcal/(kg ·℃),取0.25 kcal/(kg ·℃)。
（6） 常数α=3312.5kcal/kg ，水在60℃时的汽化潜热β=573 kcal/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γ（相对于水）γ=)5.1100)(100(p 25025000v P P +-+=)755.1100)(80100(8025025000⨯+-+⨯ = 0.562上式中P ：污泥含水率（取百分号前整数）P v :挥发性固体所占百分数（取百分号前整数）（2） 污泥密度ρs 的确定ρs =γ·ρ水=0.562×1000kg/m 3=562 kg/m3 (3) 体积比Rv 的确定木片密度已知ρa =350 kg/m 3，体积比Rv=s V a V =a s ρρ·a m m s x x x --x =350562×%20%60%60%80--=54 (4) 单垛体积的确定每天处理污泥总体积V s =s ρm =33/56210200m kg kg ⨯=356m 3 污泥和木片混合物的总体积V 总=5S V =640.8m 3 单垛体积V 0=7总V =78.640=91.5m 3，取90m 3 V 0=V a +V s ，则V a =40m 3，V s =50m3 三、 通风量计算1、供养所需通风量V 1的确定（1）每克有机物需氧量O SC 10H 19O 3N+225O 2→10CO 2+8H 2O+NH 3 201 225⨯32 1.0g O SO S = 1.99g g 2010.132225=⨯⨯ （2）每克调理剂需氧量O a木片的化学成分为C 295H 420O 186NC 295H 420O 186N+4612O 2→295CO 2+2417H 2O+NH 3 6950 324612⨯ 1.0g O aO a =g 70.0g 6950.1324612=⨯⨯ （3）堆肥需氧量m （O 2）m （O 2）=O S ·m s ·（1-x s ）·y s ·k s + O a ·m a ·（1-x a ）·y a ·k a=2.02.03.0%20-14035070.03.075.0%80-15056299.1⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯）（）（kg 96.2829=（4）供氧所需通风量V 1V 1=0232.0m 2ρo =18.1232.096.2829⨯=10337.38（m 3） ρ0:空气密度0.232：O 2在空气中的质量比2、去除水分所需通风量V 2的确定（1）堆料干质量m m 的确定m m =（V s +ρs ）·(1-x m )=(50×562+40×350)×(1-60%)=16840kg（2）水分蒸发量m w 的确定w=s s x -1x -)1)(1()1(x c c s c y x y ---=%801%80--%)451(%)401(%)751(%40-⨯--⨯=3.70(kg 水/kg 干物料)m w =w ×m m =3.70×16840=62308kgV 2=00)(m ρi w H H -=18.1)75.00.1(62308⨯-=211213.56m 3 H 0:出口相对湿度H i 入口相对湿度3、 散热所需通风量V 3的确定（1） 散热所需空气量m a由热量衡算q r =q a +q w +q m 得：q r =α·m O2=3312.5×2829.96=9374242.5kcalq a =m m ·C p,a ·(T 0-T i )=16840×0.241×（60-20）=162337.6kcalq w =m w ·C p,w ·(T 0-T i )+m a β=62308×1.00×（60-20）+m a ×573=2492320+573 m a q m =m m ·C p,m ·(T 0-T i )=16840×0.25×（60-20）=168400kcal由上述公式得：9374242.5=1723376+（2492320+573 m a ）+168400解得 m a =11433.1kg(2) 散热所需通风量V 3V 3=0m ρa =18.11.11433=9689.07m 3 4、 通风总量Q 的确定 Q=t V V V 321++=1007.968956.21121338.10337++=23124 m 3/d=963.5 m 3/h 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 。
