趙 偉

（上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度突飛猛進，伴隨而來的就是生活污水的大量排放，給社會帶來了巨大壓力。越來越多的大規(guī)模污水處理廠拔地而起，根據(jù)國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)，全國城市污水日處理能力達到19 171萬m3（2019 年），根據(jù)污泥產(chǎn)量約為污水處理量的0.3%～0.5%（按污泥含水量97%計算），市政污泥日產(chǎn)量達到766 840 t，其年產(chǎn)量約2.8 億t[1]。污泥的妥當(dāng)處理與處置已經(jīng)成為了不可忽視的問題。

市政污泥有許多危害。首先，污染物的含量嚴(yán)重超標(biāo)，如果不加以處理，會對環(huán)境安全、動植物生長以及人類的健康帶來巨大的威脅。其次，污泥的產(chǎn)量高導(dǎo)致了污泥的存放面臨嚴(yán)重問題，如果不能高效處理污泥，將會造成土地面積的浪費，甚至是嚴(yán)重的污染。所以，污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化以及資源化是目前亟待解決的重要問題[2]。

污泥干化和熱解工藝具有技術(shù)要求高、邏輯關(guān)系復(fù)雜、控制精度嚴(yán)格、成熟經(jīng)驗十分少等特點。為了探究污泥熱解工藝，保證污泥熱解的運行效果，本文通過搭建污泥處理自動化系統(tǒng)，并使用大規(guī)模污泥處理設(shè)備進行了污泥熱解實驗。

1 熱解處理技術(shù)

污泥熱解處理技術(shù)是一項環(huán)境友好且資源化程度高的固廢處理技術(shù)，是在近年來迅速發(fā)展起來的一種可以高效無污染處置污泥技術(shù)。該技術(shù)將脫水干化后的污泥放置在高溫?zé)o氧或缺氧條件下的容器中發(fā)生熱解反應(yīng)，污泥中的有機物大分子被分解為小分子物質(zhì)，并在反應(yīng)前期由固體轉(zhuǎn)化為液體和氣體，如果反應(yīng)進行得徹底，最終產(chǎn)物應(yīng)為固體殘渣和可燃氣體兩種。熱解產(chǎn)物均具有良好的資源化應(yīng)用前景，同時污泥在熱解過程中，可以徹底地消除污泥中有機污染物和重金屬。由以上可知，熱解處理污泥具有廣闊的發(fā)展前景，采用熱解方法處理污泥是非常妥當(dāng)?shù)摹?/p>

2 污泥處理設(shè)備簡介

整套設(shè)備主要分為：污泥儲存?zhèn)}、液壓泵系統(tǒng)、雙層干化機、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、熱解爐、熱解反應(yīng)器、廢氣清洗裝置、殘渣冷卻收集裝置、沉淀池以及生物濾池等部分構(gòu)成。其整套系統(tǒng)工作原理圖與現(xiàn)場實物圖如圖1 所示。

圖1 污泥熱解系統(tǒng)工作原理圖和現(xiàn)場實物圖

該系統(tǒng)具有污泥大規(guī)模一站式處理、干化程度可調(diào)、熱解效率高、過程清潔、產(chǎn)物可回收利用和安全保護程度高等優(yōu)點。

該設(shè)備真正實現(xiàn)了污泥干化、熱解、產(chǎn)物回收以及廢氣清洗一體化，可以將污水處理廠的污泥直接變廢為寶，實現(xiàn)了污泥處理處置的減量化、無害化、穩(wěn)定化以及資源化。同時，該設(shè)備處理污泥的規(guī)模達到了一定的工業(yè)水平，平均日處理污泥達到20 t。

該設(shè)備的雙層干化機，通過導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)加熱，可以維持在200～220℃。通過調(diào)節(jié)干化機螺旋槳葉轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)濕污泥的干化時間，達到調(diào)節(jié)干污泥含水率的目的。該特性可以靈活應(yīng)對不同含水率的污泥，從而在熱解系統(tǒng)中得到穩(wěn)定且固定的產(chǎn)物。

熱解反應(yīng)器與熱解爐是整套設(shè)備的核心裝置。經(jīng)過干化機后的污泥，可以簡稱為“干污泥”。干污泥經(jīng)過旋轉(zhuǎn)下料機進入熱解反應(yīng)器中，同樣，通過調(diào)節(jié)熱解反應(yīng)器中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)干污泥在反應(yīng)器中的停留時間。其中旋轉(zhuǎn)下料機的作用就是保持熱解反應(yīng)器中無氧密閉的環(huán)境。以往經(jīng)驗中，污泥經(jīng)過該設(shè)備的減量程度可以達到10%，并且可以回收殘渣和可燃性氣體，資源化程度較高?；厥盏目扇夹詺怏w，即熱解氣，可以直接通入熱解爐內(nèi)燃燒，為熱解反應(yīng)器提供熱源。這一特性可以極大地節(jié)約設(shè)備運行成本，為該設(shè)備的后期改進和研發(fā)以及未來市場的開拓奠定了較好的基礎(chǔ)。同時，該設(shè)備的安全保護程度極高，熱解爐在點燃時，首先進行空氣吹掃，然后通入天然氣進行點火，在3 s 內(nèi)火焰探針檢測有無發(fā)現(xiàn)火焰，如果沒有發(fā)現(xiàn)將自動關(guān)閉天然氣閥門，之后經(jīng)過一系列檢查操作后，重復(fù)以上操作，直到熱解爐點燃或者手動停止其動作。該安全保護裝置極大地保證了設(shè)備的安全運行，防止熱解爐在通入過多天然氣后，引起爆炸事故。

該設(shè)備還具有一個明顯的優(yōu)勢，即在污泥熱解處理過程中真正實現(xiàn)了環(huán)境友好的特點。熱解氣經(jīng)過洗滌塔和活性炭吸附處理，干化機中的水蒸氣和臭氣經(jīng)過廢氣清洗容器洗滌，污泥倉臭氣經(jīng)過廢氣清洗容器洗滌。然后，廢氣清洗容器中的氣體要通入生物濾池中做進一步的凈化，最終排入空氣中。其實，污泥熱解處理技術(shù)相比于其他污泥處理技術(shù)，如焚燒技術(shù)，其本身就是一項無害化程度極高的技術(shù)手段。

3 污泥熱解自動化系統(tǒng)設(shè)計

本項目采用西門子PCS7 進行自動化系統(tǒng)設(shè)計。西門子自動化產(chǎn)品具有許多優(yōu)勢，如可靠性高、抗干擾能力強、產(chǎn)品配套齊全、功能完善、適用性強、維護方便和容易改造等。所以本項目采用西門子系列產(chǎn)品，同時采用西門子PCS7 軟件進行項目自動化系統(tǒng)的設(shè)計。

3.1 設(shè)備選型與硬件組態(tài)

CPU 選用S7-400 高端CPU，另外連接4 個DP 從站和一個PC 站。4 個DP 從站中提供了DI、DO、AI、AO 接口，根據(jù)現(xiàn)場硬件實物，對其進行軟件工程中的硬件組態(tài)，組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件組態(tài)界面和組件視圖界面

其中，CPU 與4 個DP 從站之間的通信采用PROFIBUS，CPU 與PC 端之間的通信采用以太網(wǎng)。

3.2 自動化控制系統(tǒng)的編程與WINCC 畫面

PCS7 軟件具有一個相比于博途和STEP7＋WINCC軟件的巨大優(yōu)勢，那就是PCS7 在編寫完程序后，可自動生成WINCC 畫面對象，節(jié)省了大量的工程設(shè)計時間成本。所以本項目，通過對PCS7 進行CFC（連續(xù)功能圖）和SFC（順序功能圖）編程，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的搭建。本項目程序主要分為2 個部分，第1 部分是上泥與產(chǎn)物收集過程控制，第2 部分是熱解爐與熱解反應(yīng)器的過程控制。2 個部分的過程控制畫面如圖3 所示。

圖3 上泥與產(chǎn)物收集和熱解爐控制

4 實驗

4.1 操作步驟

打開循環(huán)水系統(tǒng)。打開氮氣閥門，排空熱解反應(yīng)器中的氧氣。點燃熱解爐，對熱解反應(yīng)器進行加熱升溫。點燃導(dǎo)熱油爐，對導(dǎo)熱油進行加熱升溫，從而升高雙層干化機中的溫度。待熱解反應(yīng)器與干化機升溫至預(yù)定溫度后，打開液壓泵，開啟柱塞推動桿，開始從污泥儲存?zhèn)}將污泥通過液壓裝置推入干化機中。

4.2 實驗過程

在實驗過程中，要時刻注意設(shè)備運行狀況、各部分溫度傳感器數(shù)值以及系統(tǒng)報警信息。

實驗過程總歷時17 h，除去設(shè)備升溫時間5 h，污泥上料時間為12 h，共消耗10 t 污泥。

4.3 實驗分析

本次實驗污泥初始含水率大約為80%，該污泥具有惡臭氣味，含水率較高，通過鏟車將污泥送入污泥存儲倉中。實驗的未處理污泥與污泥處理產(chǎn)物如圖4 所示，該產(chǎn)物成沙狀，含水率接近于0%。同時，污泥量大大減少，10 t污泥產(chǎn)出0.5 t 殘渣產(chǎn)物與大量可燃氣體。

從圖4 中可以看出，該設(shè)備對污泥處理效果明顯，并且能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化以及資源化。同時，該自動化系統(tǒng)運行良好，能夠勝任污泥處理過程。

圖4 未處理污泥和處理完剩余污泥殘渣

5 結(jié)論

通過搭建自動化系統(tǒng)，完成了污泥熱解實驗，并且實驗效果明顯。結(jié)果表明，污泥熱解技術(shù)不僅不產(chǎn)生CO2，具有環(huán)境友好的特點，同時還有效地實現(xiàn)了污泥的無害化、減量化、穩(wěn)定化和資源化，在未來污泥處理處置領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。