張曉艷 張學(xué)偉 陳衛(wèi)東

（廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東 佛山 528313）

0 前言

活性污泥法是目前世界上90%污水處理廠采用的處理方法，該方法會(huì)產(chǎn)生大量污泥，未妥善處置污泥將會(huì)導(dǎo)致二次污染擴(kuò)散至環(huán)境中，對(duì)人居健康和生態(tài)安全造成威脅，帶來很高的潛在環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患[1]。污泥引起的危害主要如下：①污泥的填埋處置消耗大量的土地資源。②污泥中滋生一大批病原體（包括各種重金屬、微量高毒性有機(jī)物、大量細(xì)菌和寄生蟲卵等）。③危害地下水源安全。④帶來空氣污染。所謂“治水不治泥、污染大轉(zhuǎn)移”。

污泥減量化、無害化、資源化是當(dāng)今污泥處理的主題，然而，高含水率的污泥，在貯存、運(yùn)輸、裝卸等過程中非常不方便，因此尋找高效綠色的污泥干化處理技術(shù)勢(shì)在必行。

1 污泥干化裝備的分類

污泥干化主要在于減量，干化設(shè)備可按照烘干介質(zhì)與污泥接觸的方式、設(shè)備的形式、熱源的類別等劃分。其中，以太陽(yáng)能污泥干化和電能污泥干化法應(yīng)用為主，電能污泥干化目前應(yīng)用最為廣泛，發(fā)揮不可替代的作用。

污泥蒸發(fā)脫水干化分為高溫干化和低溫干化，高溫干化會(huì)造成污泥里的有害物質(zhì)揮發(fā)，且高溫設(shè)備穩(wěn)定性安全性較差，已漸被淘汰。低溫干化是指循環(huán)干化熱空氣溫度在90℃以下，可以有效的避免NH3、H2S等惡臭氣體的產(chǎn)生，除濕熱泵低溫干化裝備為典型代表。

2 除濕熱泵低溫干化裝備原理及應(yīng)用

目前現(xiàn)有技術(shù)中除濕熱泵污泥干化設(shè)備在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)大同小異，但是基本原理卻相同，主要是利用除濕熱泵原理，見圖1，包括空氣循環(huán)、制冷劑循環(huán)和污泥傳送。

圖1 污泥除濕干化裝置原理圖

空氣循環(huán)：通過循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用，干熱空氣在干燥箱與網(wǎng)帶上的濕污泥形成對(duì)流換熱，從而將濕污泥中的水分轉(zhuǎn)移到空氣中，濕污泥變?yōu)楦稍镂勰?。隨之空氣變成濕熱空氣（狀態(tài)為a），流過熱管蒸發(fā)器（狀態(tài)變?yōu)閎）及蒸發(fā)器后（狀態(tài)變?yōu)閏）中，被蒸發(fā)器中的制冷劑吸熱后，使空氣冷卻析出冷凝水，冷凝水通過排水管統(tǒng)一處理。通過熱管冷凝器后（狀態(tài)變?yōu)閐），此時(shí)空氣變?yōu)榈蜔岣稍锟諝?，然后再通過熱泵系統(tǒng)的冷凝器釋放的冷凝熱加熱后變成高溫干熱空氣（狀態(tài)變?yōu)閑），從而再流過濕污泥表面進(jìn)行循環(huán)。增加熱管蒸發(fā)器和熱管冷凝器是為了提升系統(tǒng)能效比。也可增加廢氣處理裝置，凈化循環(huán)空氣。

制冷劑循環(huán)：制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)后，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器中與外部的低熱干燥空氣換熱后，被冷凝成高壓低溫液體，通過膨脹閥后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，在蒸發(fā)器中與外部低溫高濕度空氣換熱后，制冷劑變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，再通過壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)重新進(jìn)入壓縮機(jī)，開始新一輪循環(huán)。

污泥傳送：含水率為50%~80%的濕污泥通過傳送裝置到達(dá)干燥箱的網(wǎng)帶輸送系統(tǒng)上（一般到達(dá)網(wǎng)帶系統(tǒng)前會(huì)進(jìn)行成型處理，提高干化效率），經(jīng)過與干燥熱空氣的除濕干化，熱干風(fēng)由網(wǎng)帶底部以較快速度上升，與污泥接觸的過程中將污泥干化，該系統(tǒng)可將污泥含水率降低至10%~50%，干化后污泥通過接車、轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)行后續(xù)資源回收利用。

除濕熱泵干燥系統(tǒng)對(duì)污泥的含水率是有一定要求的，對(duì)含水率在85%以上的污泥無法進(jìn)行成型處理，進(jìn)而無法在網(wǎng)帶輸送系統(tǒng)上傳輸，現(xiàn)有技術(shù)和市場(chǎng)上主流廠家的污泥干化設(shè)備可處理的污泥進(jìn)口含水率并不相同，但基本含水率在50%~80%變化。污泥出口的含水率隨著污泥最終的資源化利用工藝處置路線來確定，一般為10%~50%。因?yàn)槲勰喔苫b備目前尚無國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以不同工況、不同干化溫度下，不同廠家的除濕能效比會(huì)有一定差異。市場(chǎng)上主流具有代表性的污泥產(chǎn)品關(guān)鍵性能參數(shù)對(duì)比，見表1。

表1 市場(chǎng)上主流污泥干化廠家的設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

3 污泥干化設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 空氣處理過程

以帶式熱泵除濕污泥干化裝備為例，主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：第一部分是制冷系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥等構(gòu)成，第二部分是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，主要由污泥存放裝置、網(wǎng)帶、輸送部件組成。也可增加尾氣處理系統(tǒng)完成尾氣凈化。制冷系統(tǒng)空氣處理過程見圖2。

圖2 制冷系統(tǒng)空氣處理過程

制冷系統(tǒng)一般采用10 ℃~15 ℃蒸發(fā)溫度，冷凝溫度為50℃~55℃，所有系統(tǒng)的制冷量均用于給主送風(fēng)除濕降溫，冷凝熱加熱主送風(fēng)，主送風(fēng)的干熱空氣與濕污泥直接接觸，進(jìn)而帶走濕污泥中的水分，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表2。然后通過制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器將水分去除，形成冷凝水排入污水池中。為了排出和回收利用富余的熱量，降低制冷系統(tǒng)的能耗，提升能效比和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)中增加了回?zé)崞鞣謩e設(shè)置在蒸發(fā)器和冷凝器的前后端。

表2 空氣處理過程不同狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

3.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

干燥箱內(nèi)的主體設(shè)備為2~4層網(wǎng)帶傳送帶系統(tǒng)。網(wǎng)帶傳送系統(tǒng)占整機(jī)的成本約12%~20%，占比很大。網(wǎng)帶面積設(shè)計(jì)過大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本較高，反之，可能達(dá)不到額定的出水量。四層網(wǎng)帶系統(tǒng)，泥料的進(jìn)料口與出料口在同一側(cè)。濕泥和干泥存儲(chǔ)料倉(cāng)，分別對(duì)應(yīng)于污泥干化處理系統(tǒng)的前、后處理環(huán)節(jié)。干料顆粒性質(zhì)穩(wěn)定，出料溫度低（30℃~40℃），無粉塵危害，污染性低，可滿足衛(wèi)生填埋、燃料利用、建材利用等多種環(huán)保處置措施的要求[2]。

3.3 提升除濕能效比（SMER）

提升除濕能效比的措施如下：1）設(shè)計(jì)更加細(xì)分泥料的前處理裝置；2）有利于穿風(fēng)換熱的引風(fēng)措施；3）對(duì)連續(xù)式污泥干燥應(yīng)使切分的泥料均勻分布于傳送帶上，增大物料比表面積。都將有利于提高機(jī)組的除濕能效比（SMER）。

3.4 模塊化設(shè)計(jì)

出于運(yùn)輸和安裝場(chǎng)地適應(yīng)性考慮，污泥干化除濕機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸多樣復(fù)雜，無疑會(huì)增大裝備設(shè)計(jì)加工難度，采用模塊化拼接機(jī)組可以提升加工效率，可滿足大范圍的污泥處理需求，整體封閉除濕干化過程無臭氣、污水產(chǎn)生，避免了二次污染。特殊設(shè)計(jì)的對(duì)接組合結(jié)構(gòu)，使多模塊機(jī)組的搭建工程能迅速展開，并且模塊間的密封性得到很好保障。以12t處理機(jī)型為例，由2個(gè)6t模塊組成，單個(gè)模塊的空氣處理單元分相同的2組放在回風(fēng)通道兩側(cè)，模塊化拼接模型設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 模塊化拼接模型設(shè)計(jì)

3.5 與太陽(yáng)能結(jié)合的熱泵污泥干化系統(tǒng)

太陽(yáng)能污泥干化由于太陽(yáng)能本身是間歇性能源，其能流密度低、不連續(xù)、不穩(wěn)定、地理位置分布不均，單純依靠太陽(yáng)能提供能源會(huì)使太陽(yáng)能污泥干化系統(tǒng)受到極大限制[3]。采用太陽(yáng)能與熱泵技術(shù)相結(jié)合，通過優(yōu)化控制在干燥箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn)2種熱源的熱量調(diào)配，節(jié)約成本并提高污泥干化機(jī)的應(yīng)用范圍，降低污泥干化的能耗和運(yùn)行成本，太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合的污泥干化組合原理，見圖4。

圖4 太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合的污泥干化組合設(shè)備原理圖

3.6 應(yīng)用工程實(shí)例

目前低溫污泥除濕干化機(jī)已經(jīng)在眾多場(chǎng)所應(yīng)用，如華南某金屬表面處理中心、清遠(yuǎn)某污水凈化廠等 ，將含水率65%~80%，下降到30%~25%，減量比例50%~70%，過程中解決了污泥滲濾液外流及處置成本高的問題，過程無尾氣及廢水外排，無二次污染。

4 新技術(shù)應(yīng)用展望

4.1 拓展設(shè)計(jì)一：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與計(jì)費(fèi)系統(tǒng)

污泥處置流程較多，是制冷空調(diào)熱泵技術(shù)領(lǐng)域與機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的結(jié)合，除熱泵系統(tǒng)外，還包括非常多泥水前置處理段、濕泥傳輸進(jìn)料段、內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)段、干泥向外出料段等，容易出現(xiàn)故障，運(yùn)行管理非常不便。開發(fā)智能控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將污泥干化設(shè)備層的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和污泥的處置參數(shù)通過儀器儀表采集出來，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最后通過監(jiān)控與能耗計(jì)算顯示設(shè)備顯示出來，見圖5，實(shí)現(xiàn)無人值守的智能化動(dòng)態(tài)監(jiān)控并在系統(tǒng)中嵌入電能消耗與費(fèi)用統(tǒng)計(jì)，不但可以對(duì)整體機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)有效監(jiān)控，同時(shí)顯示污泥處置費(fèi)用成本統(tǒng)計(jì)，契合了用戶對(duì)污泥處理成本的關(guān)注，為污泥干化處置節(jié)能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5 新型網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)開發(fā)的示意圖

4.2 拓展設(shè)計(jì)二：磁懸浮大型高效污泥干化機(jī)開發(fā)

當(dāng)前污泥干化設(shè)備都是采用的模塊化拼接設(shè)計(jì)，可以自由組合，尚無大型高效的設(shè)備出現(xiàn)。磁懸浮和變頻技術(shù)當(dāng)前在暖通空調(diào)領(lǐng)域迅速崛起，磁懸浮離心壓縮機(jī)在低頻低電壓下啟動(dòng)，壓縮機(jī)的壽命長(zhǎng)，同時(shí)智能化程度高。磁懸浮壓縮機(jī)各大設(shè)備廠家已經(jīng)在制冷領(lǐng)域大范圍開始應(yīng)用，積極探索開發(fā)各種高能效的冷水機(jī)組，提高機(jī)組的性能后，替代傳統(tǒng)螺桿和渦旋壓縮機(jī)，基于磁懸浮壓縮機(jī)的污泥干化除濕機(jī)比常規(guī)設(shè)備更加節(jié)能，智能化控制程度高，與新型聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的結(jié)合程度更高，可為客戶提供便利和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

該文對(duì)熱泵污泥干化原理、空氣循環(huán)處理過程、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并拓展介紹了當(dāng)前研究熱點(diǎn)新型計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、磁懸浮高效污泥干化裝備開發(fā)等。

當(dāng)前國(guó)家政府部門尚未出臺(tái)污泥干化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，缺乏對(duì)污泥處置設(shè)備的能效監(jiān)管。由申菱環(huán)境牽頭的《低溫污泥干化機(jī)組》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草階段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)將規(guī)范污泥干化機(jī)的技術(shù)水平和要求，規(guī)范現(xiàn)有污泥干化機(jī)市場(chǎng)準(zhǔn)入條件，對(duì)污泥在減量化、無害化、資源化等方面將具有重要意義。