地下污泥干化车间冷风降温系统设计

唐宏辉 刘承东

广州市市政工程设计研究总院有限公司

0 引言

随着城市人口增多，工业企业增加，城市规模越来越大，市政污水产生的污泥量产生得也越来越多。污泥干化是一种污泥深度脱水方式，是将热能传递至污泥中的水，并使其蒸发汽化，以降低污泥的含水率的过程。主要干化方式包括低温干化和高温干化。

污泥干化工艺设置在地下空间，可减少对地面景观（地下污水处理厂地面景观通常被规划为湿地、体育公园等）的破坏，也杜绝了作为臭气污染源对地面环境的影响。但由于污泥干化过程工艺设备向车间环境散发的热量较大，且散发的气体具有较高臭气浓度，因此提出针对地下污泥干化车间结合通风除臭系统的冷风降温系统设计，从而有效降低车间温度和臭气等污染物浓度，改善作业人员工作环境。

1 工程概况

广州市2010 年新建投产了全国第一座地下污水处理厂——京溪净水厂[1-2]，开创了地下污水处理厂之先河，并在此领域一直走在全国前列，近年更是在中心城区新建和扩建了多个地下污水处理厂，并积极推进污泥减量，将污泥干化工艺设置在各地下污水处理厂地下空间内。

根据《广州市城镇生活污水处理厂污泥处理处置技术指引》，广州市中心城区污泥处理处置主要方法是首先将污泥脱水到含水率60-80%，然后干化减量至含水率30-40%外运堆肥、填埋、焚烧或制作建材。推荐工艺路线为就地厂内处理方式：浓缩+深度机械脱水+热干化（优先选用低温干化）。

2 冷源方案比选

一般地下污泥干化车间分为负一层和负二层两层，面积根据不同工艺和规模有所不同，但单层小于1000 m2。据多个项目估算，冷风降温系统负荷基本小于1000 kW。

冷源方案可选择性很多，主要有：风冷螺杆冷水系统、水冷（再生水或冷却塔）螺杆冷水系统、风冷直膨式空调机组系统、水冷（再生水或冷却塔）直膨式空调机组系统。需要通过比选才能确定究竟选用何种冷源方案适合地下污水处理厂和污泥干化车间。

中心城区之所以建设地下污水处理厂，从很大程度来讲是因为地面污水处理厂占地较大，为了集约化利用土地的需要。

首先，地下污水处理厂地面区域通常被规划为湿地、体育公园等，甚至可能用来作为综合开发。从景观，卫生和综合开发考虑，在地面设置大型室外风冷设备或冷却塔都不合适。另外，污水处理厂水资源是非常丰富的，尤其是出水或再生水，水量相当大，最小的污水处理厂日处理能力都在8 万立方米以上，完全可以用来进行利用。因此选用水冷（再生水）系统是合适的。其次，地下空间可利用面积并不宽裕，各污泥干化工艺设备布置非常紧凑，很难留出一个较大面积区域作为冷水机房。

综合以上论述，选择再生水冷却直膨式空调机组系统方案是符合地下污泥干化车间实际情况的。

3 系统设计

3.1 空调负荷计算

污泥干化车间负荷计算室内、外参数（工程地点：广州）如下[3]：室内温度30 ℃，夏季室外空调计算干球温度34.2 ℃，夏季室外空调计算湿球温度27.8 ℃。

地下污泥干化车间冷风降温负荷包括三个部分：污泥脱水，干化设备散热负荷，新风负荷和顶部吊装口玻璃传热负荷。

污泥干化设备散热负荷需要设备厂家提供，由于各个设备厂家采用的脱水+干化工艺不一样，有的是离心脱水+薄层干化，有的是板框脱水+圆盘干化，有的是板框脱水干化一体，有的是板框脱水+干化，因此设备厂家提供的数据没有可比性，数据可靠性也大打折扣。为了减少和便于核实污泥干化设备散热负荷，统一要求各设备厂家提供所有热源管路和设备表面积，并保证表面温度不大于34 ℃，这样可以通过34 ℃表面温度物体传热到30 ℃空间计算出传热量。由于有厂家反映不是每个地方保温都能保证表面温度34 ℃，因此考虑一定的系数，需要与厂家具体沟通确定。

冷风降温的风量为全新风直流，应考虑此部分负荷，且占比很大。

地下污泥干化车间吊装口的封闭有很多种方式，有用膜结构，有用钢结构+钢板，有用钢结构+玻璃罩等。此次建筑专业均选用钢结构+玻璃罩的形式进行吊装口封闭，虽然白天可采光，车间视觉效果得到改善，但带来冷风降温负荷增加的问题。

3.2 风系统设计

3.2.1 风量计算

对于污泥干化车间环境控制指标，最主要的是H2S，NH3和臭气浓度（无量纲）等[4]。为了去除和稀释这些有毒有害气体，除臭系统风量计算都是围绕这些指标达标进行。除臭系统风量计算换气次数取值可参考表1：

表1 风量计算换气次数取值

为了防止有臭气源房间向其它品质较好房间扩散臭气，臭气源房间相对于其它品质好房间一般都做到5～10 Pa 负压。污泥干化车间属于地下污水处理厂最臭的区域之一，负压控制更加需要重视，要不然整个地下空间都会受之影响。因此送风量要小于除臭风量（排风），一般可以按各单体压差控制计算，也可按经验数据除臭风量的70%取值。

3.2.2 空气处理过程

首先，污泥干化工艺专业一般将脱水工艺设置在负一层，干化工艺布置在负二层。其次，地下污泥干化车间风量比较大，设置一台空调机组对风系统管路设计带来较大困难。因而负一层和负二层各设置一台直膨式空调机组，分别对各层所需新风进行了冷风降温处理。

负一层和负二层冷风降温负荷构成不一致，负一层负荷包括玻璃传热，新风负荷和板框压滤设备散热负荷。负二层包括新风负荷和干化设备散热负荷。风量计算换气次数也不相同。因此空调机组的空气处理过程也不一样。必须要根据冷量和风量的匹配，核实空调机组能否处理到所需送风状态点。

由于受建筑布局影响和自身设备特点，有部分污泥干化工艺专业将脱水和干化工艺两者同层布置，空调机组可以根据现场情况合设一台也可分设两台，合设一台时需校核脱水间和干化间风量与冷量的匹配关系。

3.2.3 气流组织设计

冷风降温系统送风方式和送风口位置及形式需结合除臭系统臭气收集管路和收集口位置统一考虑。首先，污泥干化车间为高大空间，新风经空调机组冷风降温后又经过氧离子发生器，既有降温作用，又有除臭功能，故送风应送至工作人员经常检修及行走的区域，如设备检修处、通道、板框压滤机玻璃罩内走道等地方。

其次应杜绝送风口与臭气收集口短路，以免浪费能源和离子除臭效能，臭气收集口设置在臭气源内（干化机、板框压滤机、料仓、凝水箱、调理罐、浓缩池、提升运输系统）和大空间、装泥间上部空间。送风口与臭气收集口在水平，垂直空间上拉开距离。

3.3 水系统设计

目前污水处理厂的再生水水质指标符合《城市污水再生利用景观环境用水水质》GB/T18921-2019 要求，对比《采暖空调系统水质》GB/T29044-2012 开式循环冷却水水质和《城镇污水热泵热能利用水质》CJ/T337-2010 再生水水质标准，污水处理再生水水质和冷却水水质两者关注的指标略有不同，尤其在浊度，电导率，钙硬度，总碱度和氯离子（CL-）等指标上，再生水水质没有要求。

笔者收集了部分污水厂的再生水水质测试数据，部分冷却水水质关注的指标如钙硬度还单独做了试验，均低于《城市污水再生利用景观环境用水水质》GB/T18921-2019 要求，故直接将再生水作为空调系统冷却水。

根据负一层和负二层空调负荷数据，计算水冷直膨式空调机组冷却水流量，冷却水采用厂区再生水，设计进、出水温度28/33 ℃，共设置两台冷却水泵，一用一备。

典型水系统原理图见图1。

图1 水系统原理图

4 设计重点与难点

污泥干化工艺设备以及其连接的管道发热是车间热负荷主要来源，必须由设备厂家进行保温，保温层表面温度应≤34 ℃，在避免烫伤作业人员的同时降低车间内散热。

污泥干化工艺设备漏风率高，不仅臭气会泄露，散热量也会增高，导致所需除臭风量和送风量相应增大，车间热负荷也增大。因此需要规定厂家设备漏风率不高于0.01%。

建筑专业对设备吊装口的封闭措施和处理方式对降低车间内热负荷也有较大的作用，比如如果建筑专业采用钢结构+玻璃罩方式，则建议玻璃罩优先选用low-e 玻璃。

对暖通空调专业来说，冷却水系统为直流式，只要知道取水点与排水点在何处，引管取水和排水即可。但对污水处理工艺而言，与工艺的设计有直接关系。取水点是设在消毒段后，如果取水点设在巴式计量槽前，则排水点也需设在巴式计量槽前，保证此部分再生水能够被计量。如果设在巴式计量槽后，则排水点也必须设在巴式计量槽后，避免此部分再生水被重复计量。另外还需避免取水点与排水点距离过近。

应充分与污水处理工艺专业沟通，并告知冷却水会有大约5 ℃[5]的温升，且不存在冷却水被污染的情况。如果工艺专业认为有污染，则冷却水会排至污水处理工艺进水段。

如果水质标准不完全满足，则需要针对具体水质情况考虑设置中间换热器或对机组冷却水侧换热器材质防腐性能予以提高。因此无论采用何种设计，均应该以再生水水质试验分析结果为前提。

5 结语

各污水处理厂配置污泥干化工艺，对污泥减量有积极的意义。当污泥干化设备设置在地下时，在南方地区如果通过通风不能解决污泥干化车间排热时，需考虑冷风降温问题。利用再生水采用水冷直膨式末端设备冷却新风经氧离子发生器后送入车间，既满足污泥干化车间通风除臭的要求，也满足冷风降温的需要，改善了生产环境，保障了员工健康，同时对地面景观不造成影响。