多層帶式干燥機在污泥干化中的應用研究

文_章華熔 暢凱旋 陳菲琳 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

根據(jù)2020年生態(tài)環(huán)境部公布的《全國污水集中處理設施清單》公告，目前國內多數(shù)污水處理廠處理規(guī)模小、而且布置相對分散，污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物污泥如果采用集中處理會造成污泥的運輸成本增加。

熱泵機組與帶式干化本體相結合的技術是一種非常適合應用于污水處理廠的技術。該技術主要的特點是模塊化組裝，處理量靈活多變，整個系統(tǒng)只消耗電能，且無廢氣排放。相比中溫干化技術，可以有效解決能耗高、排氣熱損失大等問題，節(jié)能效果更加顯著。目前，對于低溫熱泵＋多層帶式干燥機組合技術應用于污泥干化領域的研究相對較少。本文通過熱泵機組與多層帶式干燥機組合干化污泥，研究帶式層數(shù)、停留時間等因素變化對污泥干化效果的影響，以期為低溫熱泵＋多層帶式在干燥機的結構設計、選型提供依據(jù)。

1 試驗工藝與方法

1.1 工藝介紹

低溫熱泵多層帶式干化系統(tǒng)工藝：污泥經(jīng)成型機切條成型后進入帶式干燥機網(wǎng)狀傳送帶上。經(jīng)熱泵加熱后的干燥熱空氣通過風機從帶式干燥機下部送至干燥機內，并垂直穿過傳送帶與傳送帶上的污泥進行熱交換，使得污泥中水分蒸發(fā)。產(chǎn)生的濕熱空氣通過風機經(jīng)布袋除塵后送回熱泵，在熱泵內經(jīng)過冷凝除濕，再次升溫后進入干燥機加熱污泥。

1.2 帶式干燥機本體結構

帶式干燥機本體結構主要由4層網(wǎng)帶（從上到下依次編號為#1、#2、#3、#4）和循環(huán)風機組成。干燥熱空氣從干燥機下方依次通過#4、#3、#2和#1網(wǎng)帶，最后干燥機排出的濕熱空氣通過循環(huán)風機送至熱泵系統(tǒng)降溫后進行除濕，然后經(jīng)過加熱升溫，干燥熱空氣再次進入干燥機干化污泥，如此周而復始運行。

1.3 試驗方法

研究污泥的成型粒徑大小（7mm和11mm）、鋪設厚度、停留時間、干燥機的網(wǎng)帶層數(shù)對污泥干化效果的影響，找出最佳組合方式實現(xiàn)污泥高效干化。

進入干燥機的污泥量通過調節(jié)切條機的運行頻率進行控制，通過試驗擬合方程后入泥量如式（1）、式（2）所示。

式中y1—切條機切條粒徑為7mm時的入泥量，kg/h；

y2=—切條機切條粒徑為11mm時的入泥量，kg/h；

x—切條機運行頻率，Hz。

式中T—起始排泥時間，h；

S—網(wǎng)帶總長，m；

v—網(wǎng)帶運行速率，m/h。

式中Z—網(wǎng)帶運行頻率，Hz。

干燥機從開始進泥至出料口開始排泥的時間稱為起始排泥時間，起始排泥時間通過式（3）獲得。式（3）中網(wǎng)帶運行速度通過擬合方程式（4）獲得。干燥機出料口進入穩(wěn)定排泥后，記錄一段時間內（0.5～2h）系統(tǒng)電耗、進出口污泥平均含水率、污泥處理量、冷凝水排放量以及產(chǎn)生的冷凝液進行相應指標檢測。記錄以上數(shù)據(jù)后停機，測定每層網(wǎng)帶上的污泥厚度，取每層網(wǎng)帶上的9點平均值作為每層網(wǎng)帶上污泥的實際厚度。

2 試驗結果分析

一般情況下，當污泥含水率≤40%以下時，污泥熱值≥1534.4kcal/kg，支持自燃燒。為干化后污泥能順利進入后續(xù)無害化焚燒處理環(huán)節(jié)，降低或避免污泥焚燒過程對焚燒系統(tǒng)設備的不利影響，行業(yè)內現(xiàn)行污泥干燥干度為含水率40%以下。因此，本次干燥機出泥含水率≤40%時，尋找污泥停留時間最短，污泥鋪設厚度和成型粒徑最佳的組合。

2.1 污泥理論厚度與鋪設厚度的差異

當控制成型粒徑（7mm）相同，將實驗數(shù)據(jù)進行一元二次方程擬合，理論厚度與實際厚度存在關系如式（5）所示。

式中h—理論厚度，mm；

H—實際厚度，mm。

2.2 停留時間對污泥干化效果的影響

對比表1中工況1～3，網(wǎng)帶層數(shù)為兩層，污泥初始理論厚度、成型粒徑相同時，網(wǎng)帶停留時間越長，網(wǎng)帶出口污泥含水率越小。但是相同大小干燥機組，污泥停留時間越長直接導致干燥機組的單位時間處理量的下降。這是因為停留時間越長，出口含水率越小，污泥的失水過程由間隙水向胞內水轉變，失水過程更加困難。

表1 雙層網(wǎng)帶試驗污泥的干化效果

2.3 鋪設厚度對污泥干化效果的影響

當網(wǎng)帶層數(shù)為兩層，污泥干化停留時間為73min，污泥成型粒徑為7mm時，研究鋪設厚度對污泥干化效果的影響。對比表2中工況1、工況4、工況5數(shù)據(jù)，污泥鋪設厚度為48.7mm時，除水量最大，干燥效率最好。這是因為當污泥層厚度過薄（40.2mm）時，污泥干燥體積收縮后在網(wǎng)帶上形成較大空隙，局部阻力減少，部分熱風通過空隙從下層網(wǎng)帶直接進入上層網(wǎng)帶，干燥熱風無法與網(wǎng)帶上的污泥充分接觸換熱，導致熱損大，除水量減小；當污泥層厚度過厚（57mm）時，全面阻力增加，干燥熱風穿透性能不好，干燥熱風風量減少，降低了熱泵干燥效率，除水量減小。

通過對比實驗數(shù)據(jù)表明，當處理量為3.427t/d時，通過調整污泥初始鋪設厚度都無法滿足干燥機出口污泥含水率在40%以下的要求。但是對比表2中工況1與工況2，隨著處理量的降低，污泥停留時間增加，污泥的干化效果隨之提高，但污泥含水率仍高于40%。可見，2層網(wǎng)帶處理污泥的能力有限。

2.4 不同網(wǎng)帶層數(shù)對污泥干化效果的影響

通過雙層帶式實驗結果可知，干燥機干化污泥時的除水量無法達到熱泵的額定除濕量，帶式干燥機無法同時滿足污泥處理量和干燥機出口污泥含水率達到40%以下的這兩個性能指標。為此，增加網(wǎng)帶層數(shù)觀察污泥的干化效果。

如表2所示，污泥成型粒徑在7mm、停留時間約112min，保證出口含水率為40%左右，研究兩層、三層和四層網(wǎng)帶對污泥干化效果的影響。基于上述研究結果，此3種工況設定初始鋪泥厚度都為48.7mm。三層濕污泥處理量比兩層多42.0%；三層與四層干燥效果近似相同，四層沒有因為帶層增加而干燥性能提升。對比雙層試驗時#2網(wǎng)帶出口污泥含水率要小于三層試驗時#2網(wǎng)帶出口污泥含水率，一部分原因是兩層網(wǎng)帶下#1和#2網(wǎng)帶的總停留時間要比三層網(wǎng)帶下#1和#2的總停留時間大，另一部分原因是干燥熱空氣首先與#3網(wǎng)帶上的污泥接觸換熱，使得熱空氣濕度上升，溫度降低，再與#2網(wǎng)帶上污泥接觸換熱時水分相對難蒸發(fā)；同時，干燥熱空氣經(jīng)過三層換熱后，溫度與濕度均接近于干燥飽和值，增加干燥層數(shù)也無法提升干燥效果。根據(jù)此次實驗結果，在保證出口污泥含水率＜40%前提下，三層網(wǎng)帶的處理量遠高于兩層網(wǎng)帶的處理量，四層網(wǎng)帶的處理量和三層網(wǎng)帶的處理量，因四層網(wǎng)帶會增加設備成本，綜合考慮三層網(wǎng)帶結構具有優(yōu)勢。

2.5 不同粒徑對污泥干化效果的影響

保證相同的鋪設厚度及停留時間，研究不同成型粒徑對污泥干化效果的影響。如表3所示，在相同層數(shù)進行污泥干化時，11mm粒徑污泥比7mm粒徑污泥除水量更少，這是因為7mm粒徑的污泥比表面積更大，與熱風接觸面大，干化效果更好。

表3 不同粒徑污泥下污泥的干化效果

2.6 污泥干化過程污染物排放分析

低溫熱泵帶式干化系統(tǒng)為密閉式循環(huán)系統(tǒng)，熱空氣經(jīng)加熱除濕可循環(huán)利用，無需外排廢氣。在污泥受熱干化過程中，會產(chǎn)生揮發(fā)性有機物，伴隨著廢氣中水汽的冷凝而溶解在冷凝液中，使得廢水中具有少量的COD、BOD和氨氮等污染物。如表4所示，與中溫干化技術相比，低溫熱泵帶式干化技術產(chǎn)生的廢水污染物濃度相對較低。這是因為熱泵帶式干化技術干化污泥的溫度更低，一方面蛋白質和脂肪發(fā)生水解的可能性和水解程度降低，另一方面產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物種類及含量相對較少。同時，低溫熱泵技術產(chǎn)生的廢水低于《城鎮(zhèn)下水道水質標準》，略高于《污水綜合排放標準》，意味著低溫熱泵產(chǎn)生的廢水處理費用更低。

表4 污泥干化廢水污染物排放特征分析

2.7 案例應用經(jīng)濟性分析

某污水處理廠建設污泥低溫熱泵帶式干化工程，日處理量3.2t（具體參數(shù)見表5）。運輸至污泥處置點運費為A元/t，工程年運行時間330d。未建設該工程時，污泥通過運輸車運出廠外處理的費用為3.2×330×A=0.1056A萬元/d，建設該工程后的運行費用+運費為0.8×330×A＋200×330=0.0264A+6.6萬元/a。不考慮項目一次性投資，當運輸費用A＜83.33元/t時，建設該項目工程對電廠有利。同時，經(jīng)過干化后的污泥具有一定的熱值，可作為輔助燃料進行銷售，該部分的價值未考慮在內。并且產(chǎn)生的冷凝廢水因水量少且濃度低可以直接排放至水廠的進水口進行處理，對原系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響。

表5 處理量為3.2t/d的低溫熱泵帶式工程投資及運行參數(shù)

3 結語

通過本次實驗研究表明，多層帶式干化技術具有較大優(yōu)勢。

①在保證處理量的情況下，污泥干化停留時間越大，干化效果越好。#1網(wǎng)帶污泥實際厚度為48.7mm時干化效果最好。同種工況下，7mm切條污泥對比11mm切條污泥的干燥效果提升14.6%。

②相比不同傳送帶層數(shù)干化實驗，三層帶式干燥機與兩層相比，濕污泥處理量增加27.4%；四層與三層對比，干燥效率與處理量無明顯變化。采用三層帶式結構，可以同時滿足污泥最大處理量和干燥機出口污泥含水率要求，同時也可以減少干燥機占地空間。

③與中溫干化技術對比，低溫熱泵帶式干化技術干化溫度低，產(chǎn)生的冷凝液污染物濃度較低，可以經(jīng)過簡單處理后進行排放，處理費用較低，同時無廢氣排放，對環(huán)境更友好。