污泥干化成套装备技术研究与应用

张晓艳 张学伟 陈卫东

（广东申菱环境系统股份有限公司，广东 佛山 528313）

0 前言

活性污泥法是目前世界上90%污水处理厂采用的处理方法，该方法会产生大量污泥，未妥善处置污泥将会导致二次污染扩散至环境中，对人居健康和生态安全造成威胁，带来很高的潜在环境安全风险和隐患[1]。污泥引起的危害主要如下：①污泥的填埋处置消耗大量的土地资源。②污泥中滋生一大批病原体（包括各种重金属、微量高毒性有机物、大量细菌和寄生虫卵等）。③危害地下水源安全。④带来空气污染。所谓“治水不治泥、污染大转移”。

污泥减量化、无害化、资源化是当今污泥处理的主题，然而，高含水率的污泥，在贮存、运输、装卸等过程中非常不方便，因此寻找高效绿色的污泥干化处理技术势在必行。

1 污泥干化装备的分类

污泥干化主要在于减量，干化设备可按照烘干介质与污泥接触的方式、设备的形式、热源的类别等划分。其中，以太阳能污泥干化和电能污泥干化法应用为主，电能污泥干化目前应用最为广泛，发挥不可替代的作用。

污泥蒸发脱水干化分为高温干化和低温干化，高温干化会造成污泥里的有害物质挥发，且高温设备稳定性安全性较差，已渐被淘汰。低温干化是指循环干化热空气温度在90℃以下，可以有效的避免NH3、H2S等恶臭气体的产生，除湿热泵低温干化装备为典型代表。

2 除湿热泵低温干化装备原理及应用

目前现有技术中除湿热泵污泥干化设备在结构上设计大同小异，但是基本原理却相同，主要是利用除湿热泵原理，见图1，包括空气循环、制冷剂循环和污泥传送。

图1 污泥除湿干化装置原理图

空气循环：通过循环风机的作用，干热空气在干燥箱与网带上的湿污泥形成对流换热，从而将湿污泥中的水分转移到空气中，湿污泥变为干燥污泥。随之空气变成湿热空气（状态为a），流过热管蒸发器（状态变为b）及蒸发器后（状态变为c）中，被蒸发器中的制冷剂吸热后，使空气冷却析出冷凝水，冷凝水通过排水管统一处理。通过热管冷凝器后（状态变为d），此时空气变为低热干燥空气，然后再通过热泵系统的冷凝器释放的冷凝热加热后变成高温干热空气（状态变为e），从而再流过湿污泥表面进行循环。增加热管蒸发器和热管冷凝器是为了提升系统能效比。也可增加废气处理装置，净化循环空气。

制冷剂循环：制冷剂经过压缩机后，转变为高温高压气体，在冷凝器中与外部的低热干燥空气换热后，被冷凝成高压低温液体，通过膨胀阀后变为低温低压液体，在蒸发器中与外部低温高湿度空气换热后，制冷剂变为低温低压气体，再通过压缩机的运转重新进入压缩机，开始新一轮循环。

污泥传送：含水率为50%~80%的湿污泥通过传送装置到达干燥箱的网带输送系统上（一般到达网带系统前会进行成型处理，提高干化效率），经过与干燥热空气的除湿干化，热干风由网带底部以较快速度上升，与污泥接触的过程中将污泥干化，该系统可将污泥含水率降低至10%~50%，干化后污泥通过接车、转运，进行后续资源回收利用。

除湿热泵干燥系统对污泥的含水率是有一定要求的，对含水率在85%以上的污泥无法进行成型处理，进而无法在网带输送系统上传输，现有技术和市场上主流厂家的污泥干化设备可处理的污泥进口含水率并不相同，但基本含水率在50%~80%变化。污泥出口的含水率随着污泥最终的资源化利用工艺处置路线来确定，一般为10%~50%。因为污泥干化装备目前尚无国家和行业标准，所以不同工况、不同干化温度下，不同厂家的除湿能效比会有一定差异。市场上主流具有代表性的污泥产品关键性能参数对比，见表1。

表1 市场上主流污泥干化厂家的设备关键参数对比

3 污泥干化设备设计

3.1 空气处理过程

以带式热泵除湿污泥干化装备为例，主要由两个部分构成：第一部分是制冷系统，主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀等构成，第二部分是机械传动系统，主要由污泥存放装置、网带、输送部件组成。也可增加尾气处理系统完成尾气净化。制冷系统空气处理过程见图2。

图2 制冷系统空气处理过程

制冷系统一般采用10 ℃~15 ℃蒸发温度，冷凝温度为50℃~55℃，所有系统的制冷量均用于给主送风除湿降温，冷凝热加热主送风，主送风的干热空气与湿污泥直接接触，进而带走湿污泥中的水分，各状态点参数见表2。然后通过制冷系统的蒸发器将水分去除，形成冷凝水排入污水池中。为了排出和回收利用富余的热量，降低制冷系统的能耗，提升能效比和运行的经济性，系统中增加了回热器分别设置在蒸发器和冷凝器的前后端。

表2 空气处理过程不同状态点参数

3.2 机械传动系统

干燥箱内的主体设备为2~4层网带传送带系统。网带传送系统占整机的成本约12%~20%，占比很大。网带面积设计过大，会导致设计成本较高，反之，可能达不到额定的出水量。四层网带系统，泥料的进料口与出料口在同一侧。湿泥和干泥存储料仓，分别对应于污泥干化处理系统的前、后处理环节。干料颗粒性质稳定，出料温度低（30℃~40℃），无粉尘危害，污染性低，可满足卫生填埋、燃料利用、建材利用等多种环保处置措施的要求[2]。

3.3 提升除湿能效比（SMER）

提升除湿能效比的措施如下：1）设计更加细分泥料的前处理装置；2）有利于穿风换热的引风措施；3）对连续式污泥干燥应使切分的泥料均匀分布于传送带上，增大物料比表面积。都将有利于提高机组的除湿能效比（SMER）。

3.4 模块化设计

出于运输和安装场地适应性考虑，污泥干化除湿机的结构尺寸多样复杂，无疑会增大装备设计加工难度，采用模块化拼接机组可以提升加工效率，可满足大范围的污泥处理需求，整体封闭除湿干化过程无臭气、污水产生，避免了二次污染。特殊设计的对接组合结构，使多模块机组的搭建工程能迅速展开，并且模块间的密封性得到很好保障。以12t处理机型为例，由2个6t模块组成，单个模块的空气处理单元分相同的2组放在回风通道两侧，模块化拼接模型设计见图3。

图3 模块化拼接模型设计

3.5 与太阳能结合的热泵污泥干化系统

太阳能污泥干化由于太阳能本身是间歇性能源，其能流密度低、不连续、不稳定、地理位置分布不均，单纯依靠太阳能提供能源会使太阳能污泥干化系统受到极大限制[3]。采用太阳能与热泵技术相结合，通过优化控制在干燥箱体内实现2种热源的热量调配，节约成本并提高污泥干化机的应用范围，降低污泥干化的能耗和运行成本，太阳能与热泵联合的污泥干化组合原理，见图4。

图4 太阳能热泵联合的污泥干化组合设备原理图

3.6 应用工程实例

目前低温污泥除湿干化机已经在众多场所应用，如华南某金属表面处理中心、清远某污水净化厂等 ，将含水率65%~80%，下降到30%~25%，减量比例50%~70%，过程中解决了污泥渗滤液外流及处置成本高的问题，过程无尾气及废水外排，无二次污染。

4 新技术应用展望

4.1 拓展设计一：网络监控与计费系统

污泥处置流程较多，是制冷空调热泵技术领域与机械传动领域的结合，除热泵系统外，还包括非常多泥水前置处理段、湿泥传输进料段、内部转运段、干泥向外出料段等，容易出现故障，运行管理非常不便。开发智能控制和监测系统，将污泥干化设备层的运行状态参数和污泥的处置参数通过仪器仪表采集出来，然后经过数据分析处理设备对数据进行分析和处理，最后通过监控与能耗计算显示设备显示出来，见图5，实现无人值守的智能化动态监控并在系统中嵌入电能消耗与费用统计，不但可以对整体机组的运行状态有效监控，同时显示污泥处置费用成本统计，契合了用户对污泥处理成本的关注，为污泥干化处置节能提供数据基础。

图5 新型网络计费系统开发的示意图

4.2 拓展设计二：磁悬浮大型高效污泥干化机开发

当前污泥干化设备都是采用的模块化拼接设计，可以自由组合，尚无大型高效的设备出现。磁悬浮和变频技术当前在暖通空调领域迅速崛起，磁悬浮离心压缩机在低频低电压下启动，压缩机的寿命长，同时智能化程度高。磁悬浮压缩机各大设备厂家已经在制冷领域大范围开始应用，积极探索开发各种高能效的冷水机组，提高机组的性能后，替代传统螺杆和涡旋压缩机，基于磁悬浮压缩机的污泥干化除湿机比常规设备更加节能，智能化控制程度高，与新型联网收费系统的结合程度更高，可为客户提供便利和经济效益。

5 结论

该文对热泵污泥干化原理、空气循环处理过程、系统设计进行介绍，并拓展介绍了当前研究热点新型计费系统、磁悬浮高效污泥干化装备开发等。

当前国家政府部门尚未出台污泥干化设备的标准或规范，缺乏对污泥处置设备的能效监管。由申菱环境牵头的《低温污泥干化机组》行业标准正在起草阶段，行业标准出台将规范污泥干化机的技术水平和要求，规范现有污泥干化机市场准入条件，对污泥在减量化、无害化、资源化等方面将具有重要意义。