低温干化技术在工业污泥减量处理中的应用
摘要：工业污泥通常都含有有害或者有毒物质，没有经过处理就直接填埋或者随意堆放，造成生态环境污染以及地下水污染。工业污泥深度减量化，这对减少企业运营成本以及降低社会成本均具有重要作用。该文以某汽车工厂的工业污泥减量处理为例，探讨了低温污泥干化技术的原理、工艺流程，论述了该项目的干化处理方案设计方法，经过实践证实，低温干化技术应用于工业污泥减量处理中，可以明显提高污泥处理效率，减少企业运营成本，其具有重要的现实意义。
当前很多工厂的重要环境目标之一就是危险废物的减量化处理，工业废水污泥是危险废物中构成比较高的种类，污泥减量化处理，这对减少危险废弃物产生意义重大。具有合法资质处理工业污泥的单位较少，因此其处理价格较高。为了减少污泥量，不仅要对废水处理药剂进行调整以减少污泥产生量，还要积极采取措施来降低污泥含水率。污泥减量化处理，这对减少企业运营成本也具有非常重要的作用。
一、项目概况
2018年11月-2019年3月，某工厂废水站废水污泥低温干化处理项目。该工厂的污泥脱水技术为传统的板框压滤设备，污泥（即“湿污泥”）含水率较高，因此考虑安装污泥干化设备来进行污泥干化，去除污泥中的水分，形成干污泥，从而达到污泥减量化的目的。
二、热泵低温污泥干化技术原理
这一工艺采用热泵技术来回收利用污泥干化过程中产生的热量，其节能效果理想。在污泥干燥过程中，采用除湿热泵来加热、脱湿空气，达到污泥干化的效果，其属于对流热风干燥。对流热风干燥的干燥介质为燥热空气，物料中的水分将空气中的热量吸收而汽化，从而达到干燥的目的。
与以往常用的热风干化模式相比，热泵低温干化模式在空气除湿以及空气循环方式上都与传统模式存在很大差异。热泵低温干化过程中，热泵干化间与干化室的空气是一个闭式循环的状态，干化室内原本湿热的空气在热泵干化机的制冷系统的作用下被脱湿、降温，湿热空气经过热泵蒸发器时，低压制冷剂将空气中的热量吸收，此时低压制冷剂由原本的液态转变为气态，空气降温变为干冷空气，空气中的水分凝结，以液态水的形式排出。低压制冷蒸汽由蒸发器提供，经压缩机升压送入冷凝器，干冷空气进入冷凝器时，高压制冷剂冷凝释放热量，空气加热，变为干风，进入干化室。冷凝器流出高压制冷剂，在膨胀阀作用下降压，进入蒸发器，进入下一个循环，不断循环直至污泥含水率达到相关要求。这一工艺增加回热循环，能尽可能回收加热过程中产生的热量，将热量用于加热干化，使得这一工艺的脱水效率得到了明显的提高。
三、热泵低温污泥干化系统工艺流程
浓缩污泥的含水率在97%-98%，采用进料螺杆泵将其送入密封腔室，加入絮凝剂，首先利用进料泵的压力来将绝大多数游离水挤压。待进料完毕后，将压滤水泵打开，充分利用其高压力来对腔室内的泥饼进行挤压，要保证滤饼足够密实，尽可能将水分挤出。
完成压榨之后，就可以将真空系统与加热系统启动。将蒸汽加入隔膜板与加热板之间，利用空气来对腔室中的污泥进行加热，与此同时将真空泵打开，将腔室抽成真空形成负压，使得水的沸点降低。污泥中的水分沸腾汽化后，采用真空泵将汽水混合物抽出，送至冷凝器，对液态水进行定期排放，尾气则需要经过净化处理，确认达标后才能进行排放。
对污泥进行过滤、压榨、强气流吹气穿流、真空热干化等处理后，其中的水分已经被最大程度地脱除，污泥中的含水率明显降低，污泥量也明显减少，能满足污泥无害化与减量化处理的要求。整个脱水干化迅速，历时4h-4.5h。
四、干化处理方案设计
热泵低温污泥干化系统应用
①主机系统、污泥调质系统、进料系统及压滤系统
主机系统：带有加热功能的板框压滤机就是主机系统，计算过滤面积时，根据每次脱水的污泥量（也就是进泥量）除以压滤脱水负荷再除以每次脱水时间得到过滤面积。压滤脱水负荷取值为0.035m3/（m2·h），每日工作4个周期，每个周期不计算卸泥等准备时间，工作时间为4h。据此进行压力面积的确定。
污泥调质系统：采用PAM与PAC这两种药剂来调理污泥。合理确定药剂的投加量。PAM采取在线投加的方式，将投药点设置于进料管路的管道混合器上。PAC为溶解后泵投。
进料系统：进料泵进料的过程进料频率并不是固定的，进料压力不断增加，进料量会越来越少，最终进料泵会停止工作。合理确定进料时间，设置为1h，最高进料压力设置为0.9MPa，进料螺杆泵的功率为22kW，压力1.2MPa，最大流量35m3/h，为变频控制的形式（图1）。
图1. 进料口示意图，该进料口设置密封与废气接口
压滤系统：进料完成后就要开始进行压滤，确定压滤时间为1.5h，滤箱容积5m3，压滤水泵功率设置为15kW，压力1.2MPa，流量 25m3/h，为多级离心泵。
②空气压缩系统
空气压缩系统可提供压缩空气，是气动阀门与污泥吹脱的气源。反吹是与进料方向相反，空气吹向中心管道，反吹能将进料管中残留的污泥吹到污泥调质池中；正吹是进料段吹脱，能将泥饼剥离。结合工程所需设计相关参数，确定压力0.8MPa-1.0MPa，吹扫时间为1min左右，风量是2m3/min。
合理设计气动阀门的用气量，设置冷干机1台，容积为3m3的气动阀空气储罐1台，容积为4m3 的吹脱空气储罐1台，空气压缩机的最高压力是1.3MPa，产气能力是 3.16m3/min。
③加热系统及冷凝系统
热水泵、锅炉等构成了加热系统，天然气是染料。热水温度90℃，热水经热水泵送入主机滤板，冷却水回到锅炉中加热，循环用水，对滤饼进行持续加热。热干时间设置为1.5h，热水锅炉的功率为350kW，锅炉设计的裕度系数为1.2，系统真空压力设计为15kPa。
冷凝系统：冷凝系统的功能是冷却真空泵抽取的汽水混合物。计算冷凝器的换热面积时，需要结合平均对数温差、传热系数以及冷凝热通量等。该项目中，冷凝液储存罐的容积设计为0.5m3，缓冲罐的容积设计为0.8m3，冷却水循环泵的流量按照50m3/h 计算，换热面积确定为60m3。
④真空系统
真空系统的功能是将腔室中的空气抽出，形成真空。真空泵的功率设置为37kW，流量23m3/min，真空压力为15kPa。
⑤控制系统
低温干化系统设备集中，数量众多，人为控制难度较大，因此需要借助控制系统来辅助控制。在动力配电柜中布置一些电气设备的控制接线，一些电气设备布置了独立的控制箱，由主PLC控制柜来统一控制所有的设备。PLC控制柜中包括操作终端、PLC可编程控制器、控制柜以及其他附属设备等，其功能包括选择工艺参数、设定运行参数、控制运行状态等。
PLC控制柜的主控制模块与业主厂区的控制模块相同，进行网络交换机的设置，预留以太网接口以便于传输数据，实现PLC控制柜与厂级监控系统的双向通信。
⑥污泥传输系统设计
设计污泥传输系统，对原有的2个卸泥斗进行改造，每个卸泥斗均配置出料螺旋输送机一个、倾斜刮板送料输送机一个以及水平输送机一个。将出料料场密封箱设置于出料螺旋输送机出料口的下方。2个螺旋输送机均为物料开关信号控制，当污泥料仓高位时，此时两个螺旋输送机同时停止；当污泥料仓低位时，此时2个螺旋输送机同时启动。
五、调试方案制定与系统设计深化
安装完成后，由专业人员来进行调试。从处理物料（板框压力机处理污泥）、烘箱测试、输送机测试以及自动时间及变频器频率进行调试。整个设备运行的过程中，为了避免热泵压缩机高压报警，要保证风机连续工作，不能关闭风机 ；在测试过程中，要对各个运转部位的润滑情况进行检查，及时补充润滑油 ；板框压滤机卸泥时，应对集料斗情况进行观察，一次性卸泥量过多存在集料斗的风险。
调试过程中发现，污泥有时存在卡在卸泥斗而无法进入进料输送机的问题。污泥要在传输设备中进入烘干设备，该项目采用带倾斜刮板的进料输送机，但是偶尔会由于前端板框压滤机的压滤效果不稳定而引起污泥卡住，无法进入进料输送机。针对这一问题，进行多次现场模拟工况分析，发现板框压滤机全部卸料后污泥积聚在泥斗中，将卸料量控制为50%左右，泥斗中的污泥积聚情况改善明显。对板框压滤机的卸料程序进行调整，首先卸料50%，再启动污泥输送机，之后卸载剩余的50%，最后将污泥输送机工作程序启动，最终卡料问题得到妥善解决。
污泥烘干后，其结构松散，很容易变为沙土状，这就造成在污泥的存放以及运输处置过程中很容易出现扬尘问题，而污泥烘干后其危险性也没有降低，因此必须解决扬尘问题。首先要考虑对调整编织袋的密度，但是多次测试发现均不能从根本上解决扬尘问题。于是考虑调整污泥含水率，经多次测试，最终确认污泥含水率在40%左右是最为理想的状态，既能明显减少污泥外运重量，也不会产生扬尘问题。污泥含水率40%左右时，其结构稳定，不容易松散，不容易出现扬尘。采用高密度编织袋包装污泥，后期的存储以及运输过程中均未见扬尘问题发生。通过上述测试方法，有效保证了项目的顺利进行，后期顺利通过业主考核验收。
六、运行效果
选取该企业机械脱水后含水率在85%以上的污泥1000kg，采用低温干化技术来进行污泥减量处理，含水率低至40%甚至30%。当地电费0.9元/kWh，污泥处理费用为4 元/kg，假设理论干化效率为3kg/kWh。则污泥减重量高达785kg。日消耗电能为 262kWh。理论上每日节约技术可明显降低企业的污泥处理成本。
七、结论
该文基于工业化污泥减量处理的问题，就低温干化技术在工业化污泥减量处理中的应用进行分析，最终经过低温干化技术的应用，证实了低温干化技术处理污泥的有效性，结果显示理论上该方案仅从电费上就可以每日节约成本约2900元，基于此证明低温干化基础在工业污泥减量处理中的应用价值。综上所述，该文撰写证实低温干化技术是工业污泥减量处理的理想方式，具有重要的现实意义。
