李 勝

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司廣東分院，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市污水處理廠的污泥產(chǎn)量急劇增加。要滿足污泥土地利用、污泥填埋、污泥建材利用、污泥焚燒等污泥處置方式的需求，污泥處理后的含水率需要達到30%～40%。要達到這樣的含水率要求，其處理的能耗勢高，給污水處理廠正常運行帶來壓力，所以需要采用節(jié)能的污泥處理方式予與解決。

1 我國目前污泥處理現(xiàn)狀及面臨的問題

1.1 污泥處理現(xiàn)狀

隨著我國城市污水處理率逐年提高,城市污泥產(chǎn)量也急劇增加,污泥的處理與處置已成為一個亟需解決的問題。污泥處理的難點在于其高含水率,降低其含水率已成為污泥處理處置的關(guān)鍵一步。我國目前常用的污泥處理辦法是在建立污水處理廠的同時在廠內(nèi)建立相應(yīng)的污泥處理設(shè)施，就地將污泥濃縮、脫水和干燥成含水量較少的濾餅后，外運進行其他處理處置。而目前的處理處置方法普遍存在能耗偏高的現(xiàn)象，污泥噸處理處置全成本在 150～500 元 /t或更高[1]。

1.2 面臨的問題

E20研究院發(fā)布的《中國污泥處理處置市場分析報告（2014版）》針對目前國內(nèi)污泥處理處置項目（以BOT項目為主）進行了多方調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示：厭氧消化+土地利用整體技術(shù)路線的處理成本為80～120元/t；好氧發(fā)酵+土地利用整體技術(shù)路線的處理成本在100～120元/t；污泥干化焚燒的處理成本為200～350元/t；污泥干化建材利用的處理成本為250-350元/t；污泥微生物蛋白提取整套工藝成本為180～220元/t。從報告調(diào)研結(jié)果來看，報告給出的污泥處理處置全成本區(qū)間為150～500 元 /t，平均成本為 270 元 /t。研究投資能耗低的污泥處理工藝以降低處理成本至關(guān)重要。

2 獵德污水廠污泥處理能耗與技術(shù)分析

獵德污水處理廠污水處理總規(guī)模為120萬t，旱季污泥產(chǎn)量為150 t DS/d，據(jù)廣州市降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)，雨季污泥產(chǎn)量為27 t DS/d。因此，獵德廠污泥總設(shè)計規(guī)模為177 t DS/d。

2.1 污泥處理工藝

《廣州市城鎮(zhèn)生活污水處理廠污泥處理處置技術(shù)路線及廠內(nèi)技術(shù)改造工程方案》推薦廣州市污泥處理處置工藝路線為濃縮+深度機械脫水+熱干化的就地廠內(nèi)處理方式。

（1）濃縮（調(diào)理）+深度脫水處理系統(tǒng)：應(yīng)用注泥泵將濃縮調(diào)質(zhì)后的污泥注入到隔膜板框壓濾機中，通過對注泥壓力、保壓時間、壓榨壓力、壓榨時間進行智能化動態(tài)控制，水分以濾液的形式排出并流至污水處理廠總管，污泥顆粒則被濾出并形成軟硬適中的污泥泥餅。壓榨后的泥餅輸送至污泥干化處理系統(tǒng)處理。

（2）污泥干化處理系統(tǒng)

熱干化系統(tǒng)是污泥實現(xiàn)干化的主要場所，由熱源供給設(shè)備送來的低溫?zé)犸L(fēng)在其中與污泥直接接觸，帶走污泥的水分，實現(xiàn)干化。污泥水分的去除要經(jīng)歷兩個過程，一是蒸發(fā)過程，由于污泥表面的水蒸氣壓高于低溫?zé)犸L(fēng)的水蒸氣分壓，水分從污泥表面移入熱風(fēng)中；二是擴散過程，當(dāng)污泥表面水分被蒸發(fā)掉，形成污泥表面的濕度低于污泥內(nèi)部濕度時，需要熱量的推動力將水分從內(nèi)部移到表面；這兩個過程的持續(xù)、交替進行，逐漸把污泥的水分轉(zhuǎn)移到熱風(fēng)中，實現(xiàn)污泥干化。

板框機壓濾后的污泥通過輸送裝置進入熱干化工藝，污泥在熱作用下進一步去除水分，熱干化后污泥含水率為30%～40%。尾氣經(jīng)過除塵、水洗、除沫和消聲等處理設(shè)施后達標排放。

2.2 工藝物料平衡計算

該項目實際投加量需根據(jù)泥質(zhì)進行調(diào)整，一般情況下的工藝物料平衡計算可按圖1所示的流程進行。

注：處理規(guī)模為177 t DS/d；成品污泥是理論數(shù)據(jù)，會隨成品污泥含水率的變化而變化；添加劑的配方是理論數(shù)據(jù)，實際投加量需根據(jù)污水處理廠的泥質(zhì)進行調(diào)整。

物料平衡計算過程如下：

（1）177 t DS/d的干基量對應(yīng)的含水率為99%的污泥為17 700 t。

（2）投加1#添加劑0.885 t，用 885 t水溶解，溶解后1#添加劑為885.885 t，1#藥劑的投加濃度0.1%，投加量為污泥干基的0.5%。

（3）1#添加劑溶液投入污泥中后，污泥重量為18 585.885 t。

（4）經(jīng)濃縮后，排出上清液約為15 045.885 t，剩下濃縮污泥約為3 540 t。

（5）投入2#添加劑約26.55 t，投入3#添加劑約 26.55 t，投入 4#添加劑約為 14.16 t，用 42.48 t水溶解，溶解后4#添加劑溶液為56.64 t，由于4#添加劑的投加和反應(yīng)，污泥的干基增加了約14.16 t，總干基約為191.16 t，總調(diào)質(zhì)泥量約為3 649.74 t。（根據(jù)各添加劑的反應(yīng)原理，僅有4#添加劑會增加污泥的固體質(zhì)量，1#、2#、3#添加劑均不會增加污泥的固體質(zhì)量。）

（6）經(jīng)壓濾機壓濾，約排出3 224.94 t濾液，形成含水率為55%的板框污泥約424.8 t。

（7）經(jīng)熱干化，蒸發(fā)水約130.7 t，最后得含水率約為35%的成品污泥294.1 t。

2.3 能耗平衡與計算

該污泥處理工藝主要包括污泥濃縮調(diào)理、污泥深度脫水、污泥熱干化三個過程，其中污泥濃縮調(diào)理和污泥深度脫水在常溫下進行，在這兩個過程中污泥熱量變化可忽略不計，污泥熱干化采用的是低溫直接熱干化技術(shù)，污泥在熱干化過程的熱負荷平衡如圖2所示。

圖2 熱量平衡圖

表1 熱平衡計算結(jié)果

熱平衡計算過程如下：

（1）177 t DS對應(yīng)的污泥，在投加添加劑調(diào)整并進行壓榨后，泥餅重量約為424.8 t；干化到含水率35%時，重量為294.1 t；蒸發(fā)量為130.7 t。

（2）處理177 t DS對應(yīng)的污泥，需輸入空氣：

式中：Q總為輸入空氣總流量，m3/d；Q為每套系統(tǒng)風(fēng)量，m3/h；T為通風(fēng)時間，h；n為系統(tǒng)的套數(shù)；將Q=15000m3，T=24h，n=24 代入式（1）得Q總=15 000×24×24=8 640 000 m3/d。

（3）設(shè)環(huán)境溫度為22℃，相對濕度為75%，常壓（參考廣州環(huán)境條件）,則空氣密度約為1.2 kg/m3，含濕量為12.2 g/kg的干空氣。

（4）令輸入的8 640 000 m3空氣本身熱量為Q1，輸入的424.8 t泥餅本身熱為Q2。查《濕空氣焓濕圖》，得輸入空氣的焓約為53.5 kJ/kg的干空氣，故輸入空氣本身的熱量為：

式中：Q1為輸入空氣本身熱量，kJ；H為空氣熱焓值，kJ/kg；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度 ，k g/m3； 將H=53.5 kJ/kg，Q總=8 640 000 m3/d，ρ=1.2 kg/m3代入上式得：

（5）熱源供給設(shè)備的輸入功率為1056kW，其中約1015kW在裝置運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)成熱，則輸入熱量為

式中：Q3為熱源設(shè)備輸入熱量，kJ；W熱為設(shè)備轉(zhuǎn)為熱的功率，kW；t為設(shè)備工作找時間，h；將W熱=1 510 kW，t=24 h代入式（3）得：

（6）假定可通過輸入電能及熱回收的方式，使進入干化機的8 6400 000 m3熱風(fēng)溫度達到80℃。

（7）輸入干化機的熱空氣熱量

式中：Q4為輸入干化機的熱空氣熱量，kJ；Q1為輸入空氣本身熱量，kJ；△t為空氣溫度變化量，℃；C2為空氣比熱熔，kJ/kg·℃；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度，kg/m3；將Q1=548 002 371 kJ，C2=1 kJ/kg·℃ ，Q總=8 640 000 m3/d，ρ=1.2 kg/m3，△t=（80-22）℃代入上式得：

（8）成品泥的出倉溫度約為35℃，故成品泥熱量

式中：Q6為成品泥熱量，kJ；Q2為輸入泥餅熱量，kJ；c1為污泥熱容，kJ/kg·℃；m1為成品泥質(zhì)量，kg/m3；△t為泥餅溫度變化量，℃；將c1=4.5 kJ/kg·℃，

（9）根據(jù)測定，干化機的熱量損失，約相當(dāng)于3℃熱風(fēng)的熱量，故干化機熱量損失

式中：Q10為干化機熱量損失，kJ；C2為空氣比熱容，kJ/kg·℃；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度，kg/m3；△t為空氣溫度變化量，℃；將c2=1 kJ/kg·℃，Q總=8 640 000 m3/d，ρ=1.2 kg/m3，△t=3℃代入式（6）得

（10）干化機排氣熱量Q7=Q4+Q2-Q6-Q10=1 101 037 521 kJ

（11）設(shè)干化機排氣溫度為T1，由

式中：Q7為干化機排氣熱量，kJ；Q1為輸入空氣本身熱量，kJ；c2為比熱容，kJ/kg·℃；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度，kg/m3；r為水氣化潛熱，kJ/kg；m2為蒸發(fā)量，kg；T1為設(shè)干化機排氣溫度，℃；將Q7=1 101 037 521 kJ，Q1=548，002，371 kJ；c2=1 kJ/kg·℃，Q總=8 640 000 m3/d，=1.2 kg/m3，r=2 400 kJ/k，m=130 700 kg代入上式得：

得T1=44.8℃

（12）因為蒸發(fā)量為130 700 kg，入風(fēng)拐帶的水分為12.2 g/kg的干空氣。故每公斤空氣需帶出水分為：

式中：m3為每公斤空氣需帶出水分，g；m2為蒸發(fā)量，kg；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度，kg/m3；將m2=130 700 kg，Q總=8 640 000 m3/d，ρ=1.2 kg/m3代入上式的

（13）排氣經(jīng)尾氣處理裝置回收熱量后，尾氣溫度約為20℃。查《濕空氣焓濕圖》可得，20℃時，飽和空氣含濕量約為14.5 g/kg干空氣。此次析出的冷凝水量

式中：m4為析出的冷凝水質(zhì)量；m3為每公斤空氣需帶出水分，g；m5為飽和空氣含濕量，g/kg；Q總為輸入空氣流量，m3/d；ρ為空氣密度，kg/m3；將m3=24.81g，m5=14.5 g/kg，Q總=8 640 000 m3/d，ρ=1.2 kg/m3代入上式的

（14）回收的熱值包括潛熱和顯熱，故回收的熱量為：

式中：Q8為回收的熱量，kJ；r為水氣化潛熱，kJ/kg；m4為 析出的冷凝水質(zhì)量，kg；c2為空氣比熱容，kJ/kg·℃；m3為每公斤空氣需帶出水分，g；ρ為空氣密度，kg/m3；Q總為輸入空氣流量，m3/d；T1為干化機排氣溫度為，℃；將m3=2 400 kJ/kg，m4=106 894 kg，c2=1 kJ/kg·℃，ρ=1.2 kg/m3，Q總=8 640 000 m3/d，T1=44.8℃代入式（9）得：

約44 233 kW·h，回收率約為47%。

（15）把8 640 000 m3空氣由22℃提溫到80℃需熱量

式中：Q為8 640 000 m3空氣由22℃提溫到80℃需熱量，kJ；c2為空氣比熱容，kJ/kg·℃；ρ為空氣密度，kg/m3；Q總為輸入空氣流量，m3/d；將c2=1 kJ/kg·℃，ρ=1.2 kg/m3，Q總=8 640 000 m3/d,

由 于Q3=87 696 000 kJ，Q8=513 672 000 kJ，Q3+Q8≈Q，綜上，該工藝熱值平衡。

3.3.2 能耗計算與比較

經(jīng)過上述的熱平衡計算，該項目采用方案能耗情況及單位處理量的耗能見表2。

表2 污泥單位處理量能耗表

該項目方案t泥能耗（折算80%污泥）為69.566 kW·h/t污泥，小于70 kW·h/t污泥。通過比較北京市地方標準《污泥處理能源消耗限額》（DB T1118—2014）可以看出，該項目的t泥能耗（折算80%污泥）為69.6 kW·h/t污泥遠遠小于該標準相似工藝的110.1 kW·h/t的能耗值，只有其63%。說明節(jié)能效果十分突出。

2.3.3 節(jié)能措施分析

（1）工程采用“濃縮＋深度機械脫水+熱干化”處理工藝路線，比“濃縮+常規(guī)機械脫水+熱干化”和“濃縮+機械脫水+深度機械脫水+熱干化”投資運行成本更低；

（2）通過比選四種工藝設(shè)備方案，選擇了具有較大節(jié)能降耗優(yōu)勢的“濃縮調(diào)質(zhì)+機械深度脫水+低溫?zé)岣苫钡墓に囋O(shè)備組合；

（3）采用了尾氣熱回收系統(tǒng)，將尾氣的熱量回收用于加熱空氣，循環(huán)利用，極大的降低了處理系統(tǒng)的能耗。

3 結(jié) 論

（1）獵德污水廠的污泥減量處理方案為“濃縮＋深度機械脫水+熱干化”的處理工藝和“濃縮調(diào)質(zhì)+機械深度脫水+低溫?zé)岣苫钡墓に囋O(shè)備組合，在節(jié)能降耗上具有較大的優(yōu)勢。

（2）尾氣熱回收系統(tǒng)能回收尾氣47%的熱量，回收的熱量折算為電度數(shù)為44 232 kW·h/t,用于加熱空氣，循環(huán)利用，極大的降低了處理系統(tǒng)的能耗。

（3）經(jīng)過平衡計算，該項目方案t泥能耗（折算80%污泥）為69.566 kW·h/t污泥，小于70 kW·h/t污泥，與現(xiàn)行的工藝相比能耗有較大的降，低投加劑約占污泥干固的8%。