污泥干化成套裝備技術研究與應用

張曉艷 張學偉 陳衛東

（廣東申菱環境系統股份有限公司，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，該方法會產生大量污泥，未妥善處置污泥將會導致二次污染擴散至環境中，對人居健康和生態安全造成威脅，帶來很高的潛在環境安全風險和隱患[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、微量高毒性有機物、大量細菌和寄生蟲卵等）。③危害地下水源安全。④帶來空氣污染。所謂“治水不治泥、污染大轉移”。

污泥減量化、無害化、資源化是當今污泥處理的主題，然而，高含水率的污泥，在貯存、運輸、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勢在必行。

1 污泥干化裝備的分類

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

污泥蒸發脫水干化分為高溫干化和低溫干化，高溫干化會造成污泥里的有害物質揮發，且高溫設備穩定性安全性較差，已漸被淘汰。低溫干化是指循環干化熱空氣溫度在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用

目前現有技術中除濕熱泵污泥干化設備在結構上設計大同小異，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、制冷劑循環和污泥傳送。

圖1 污泥除濕干化裝置原理圖

空氣循環：通過循環風機的作用，干熱空氣在干燥箱與網帶上的濕污泥形成對流換熱，從而將濕污泥中的水分轉移到空氣中，濕污泥變為干燥污泥。隨之空氣變成濕熱空氣（狀態為a），流過熱管蒸發器（狀態變為b）及蒸發器后（狀態變為c）中，被蒸發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一處理。通過熱管冷凝器后（狀態變為d），此時空氣變為低熱干燥空氣，然后再通過熱泵系統的冷凝器釋放的冷凝熱加熱后變成高溫干熱空氣（狀態變為e），從而再流過濕污泥表面進行循環。增加熱管蒸發器和熱管冷凝器是為了提升系統能效比。也可增加廢氣處理裝置，凈化循環空氣。

制冷劑循環：制冷劑經過壓縮機后，轉變為高溫高壓氣體，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，通過膨脹閥后變為低溫低壓液體，在蒸發器中與外部低溫高濕度空氣換熱后，制冷劑變為低溫低壓氣體，再通過壓縮機的運轉重新進入壓縮機，開始新一輪循環。

污泥傳送：含水率為50%~80%的濕污泥通過傳送裝置到達干燥箱的網帶輸送系統上（一般到達網帶系統前會進行成型處理，提高干化效率），經過與干燥熱空氣的除濕干化，熱干風由網帶底部以較快速度上升，與污泥接觸的過程中將污泥干化，該系統可將污泥含水率降低至10%~50%，干化后污泥通過接車、轉運，進行后續資源回收利用。

除濕熱泵干燥系統對污泥的含水率是有一定要求的，對含水率在85%以上的污泥無法進行成型處理，進而無法在網帶輸送系統上傳輸，現有技術和市場上主流廠家的污泥干化設備可處理的污泥進口含水率并不相同，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%。因為污泥干化裝備目前尚無國家和行業標準，所以不同工況、不同干化溫度下，不同廠家的除濕能效比會有一定差異。市場上主流具有代表性的污泥產品關鍵性能參數對比，見表1。

表1 市場上主流污泥干化廠家的設備關鍵參數對比

3 污泥干化設備設計

3.1 空氣處理過程

以帶式熱泵除濕污泥干化裝備為例，主要由兩個部分構成：第一部分是制冷系統，主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥等構成，第二部分是機械傳動系統，主要由污泥存放裝置、網帶、輸送部件組成。也可增加尾氣處理系統完成尾氣凈化。制冷系統空氣處理過程見圖2。

圖2 制冷系統空氣處理過程

制冷系統一般采用10 ℃~15 ℃蒸發溫度，冷凝溫度為50℃~55℃，所有系統的制冷量均用于給主送風除濕降溫，冷凝熱加熱主送風，主送風的干熱空氣與濕污泥直接接觸，進而帶走濕污泥中的水分，各狀態點參數見表2。然后通過制冷系統的蒸發器將水分去除，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，降低制冷系統的能耗，提升能效比和運行的經濟性，系統中增加了回熱器分別設置在蒸發器和冷凝器的前后端。

表2 空氣處理過程不同狀態點參數

3.2 機械傳動系統

干燥箱內的主體設備為2~4層網帶傳送帶系統。網帶傳送系統占整機的成本約12%~20%，占比很大。網帶面積設計過大，會導致設計成本較高，反之，可能達不到額定的出水量。四層網帶系統，泥料的進料口與出料口在同一側。濕泥和干泥存儲料倉，分別對應于污泥干化處理系統的前、后處理環節。干料顆粒性質穩定，出料溫度低（30℃~40℃），無粉塵危害，污染性低，可滿足衛生填埋、燃料利用、建材利用等多種環保處置措施的要求[2]。

3.3 提升除濕能效比（SMER）

提升除濕能效比的措施如下：1）設計更加細分泥料的前處理裝置；2）有利于穿風換熱的引風措施；3）對連續式污泥干燥應使切分的泥料均勻分布于傳送帶上，增大物料比表面積。都將有利于提高機組的除濕能效比（SMER）。

3.4 模塊化設計

出于運輸和安裝場地適應性考慮，污泥干化除濕機的結構尺寸多樣復雜，無疑會增大裝備設計加工難度，采用模塊化拼接機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、污水產生，避免了二次污染。特殊設計的對接組合結構，使多模塊機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處理機型為例，由2個6t模塊組成，單個模塊的空氣處理單元分相同的2組放在回風通道兩側，模塊化拼接模型設計見圖3。

圖3 模塊化拼接模型設計

3.5 與太陽能結合的熱泵污泥干化系統

太陽能污泥干化由于太陽能本身是間歇性能源，其能流密度低、不連續、不穩定、地理位置分布不均，單純依靠太陽能提供能源會使太陽能污泥干化系統受到極大限制[3]。采用太陽能與熱泵技術相結合，通過優化控制在干燥箱體內實現2種熱源的熱量調配，節約成本并提高污泥干化機的應用范圍，降低污泥干化的能耗和運行成本，太陽能與熱泵聯合的污泥干化組合原理，見圖4。

圖4 太陽能熱泵聯合的污泥干化組合設備原理圖

3.6 應用工程實例

目前低溫污泥除濕干化機已經在眾多場所應用，如華南某金屬表面處理中心、清遠某污水凈化廠等 ，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 新技術應用展望

4.1 拓展設計一：網絡監控與計費系統

污泥處置流程較多，是制冷空調熱泵技術領域與機械傳動領域的結合，除熱泵系統外，還包括非常多泥水前置處理段、濕泥傳輸進料段、內部轉運段、干泥向外出料段等，容易出現故障，運行管理非常不便。開發智能控制和監測系統，將污泥干化設備層的運行狀態參數和污泥的處置參數通過儀器儀表采集出來，然后經過數據分析處理設備對數據進行分析和處理，最后通過監控與能耗計算顯示設備顯示出來，見圖5，實現無人值守的智能化動態監控并在系統中嵌入電能消耗與費用統計，不但可以對整體機組的運行狀態有效監控，同時顯示污泥處置費用成本統計，契合了用戶對污泥處理成本的關注，為污泥干化處置節能提供數據基礎。

圖5 新型網絡計費系統開發的示意圖

4.2 拓展設計二：磁懸浮大型高效污泥干化機開發

當前污泥干化設備都是采用的模塊化拼接設計，可以自由組合，尚無大型高效的設備出現。磁懸浮和變頻技術當前在暖通空調領域迅速崛起，磁懸浮離心壓縮機在低頻低電壓下啟動，壓縮機的壽命長，同時智能化程度高。磁懸浮壓縮機各大設備廠家已經在制冷領域大范圍開始應用，積極探索開發各種高能效的冷水機組，提高機組的性能后，替代傳統螺桿和渦旋壓縮機，基于磁懸浮壓縮機的污泥干化除濕機比常規設備更加節能，智能化控制程度高，與新型聯網收費系統的結合程度更高，可為客戶提供便利和經濟效益。

5 結論

該文對熱泵污泥干化原理、空氣循環處理過程、系統設計進行介紹，并拓展介紹了當前研究熱點新型計費系統、磁懸浮高效污泥干化裝備開發等。

當前國家政府部門尚未出臺污泥干化設備的標準或規范，缺乏對污泥處置設備的能效監管。由申菱環境牽頭的《低溫污泥干化機組》行業標準正在起草階段，行業標準出臺將規范污泥干化機的技術水平和要求，規范現有污泥干化機市場準入條件，對污泥在減量化、無害化、資源化等方面將具有重要意義。