低溫干化技術在工業污泥減量處理中的應用
摘要：工業污泥通常都含有有害或者有毒物質，沒有經過處理就直接填埋或者隨意堆放，造成生態環境污染以及地下水污染。工業污泥深度減量化，這對減少企業運營成本以及降低社會成本均具有重要作用。該文以某汽車工廠的工業污泥減量處理為例，探討了低溫污泥干化技術的原理、工藝流程，論述了該項目的干化處理方案設計方法，經過實踐證實，低溫干化技術應用于工業污泥減量處理中，可以明顯提高污泥處理效率，減少企業運營成本，其具有重要的現實意義。
當前很多工廠的重要環境目標之一就是危險廢物的減量化處理，工業廢水污泥是危險廢物中構成比較高的種類，污泥減量化處理，這對減少危險廢棄物產生意義重大。具有合法資質處理工業污泥的單位較少，因此其處理價格較高。為了減少污泥量，不僅要對廢水處理藥劑進行調整以減少污泥產生量，還要積極采取措施來降低污泥含水率。污泥減量化處理，這對減少企業運營成本也具有非常重要的作用。
一、項目概況
2018年11月-2019年3月，某工廠廢水站廢水污泥低溫干化處理項目。該工廠的污泥脫水技術為傳統的板框壓濾設備，污泥（即“濕污泥”）含水率較高，因此考慮安裝污泥干化設備來進行污泥干化，去除污泥中的水分，形成干污泥，從而達到污泥減量化的目的。
二、熱泵低溫污泥干化技術原理
這一工藝采用熱泵技術來回收利用污泥干化過程中產生的熱量，其節能效果理想。在污泥干燥過程中，采用除濕熱泵來加熱、脫濕空氣，達到污泥干化的效果，其屬于對流熱風干燥。對流熱風干燥的干燥介質為燥熱空氣，物料中的水分將空氣中的熱量吸收而汽化，從而達到干燥的目的。
與以往常用的熱風干化模式相比，熱泵低溫干化模式在空氣除濕以及空氣循環方式上都與傳統模式存在很大差異。熱泵低溫干化過程中，熱泵干化間與干化室的空氣是一個閉式循環的狀態，干化室內原本濕熱的空氣在熱泵干化機的制冷系統的作用下被脫濕、降溫，濕熱空氣經過熱泵蒸發器時，低壓制冷劑將空氣中的熱量吸收，此時低壓制冷劑由原本的液態轉變為氣態，空氣降溫變為干冷空氣，空氣中的水分凝結，以液態水的形式排出。低壓制冷蒸汽由蒸發器提供，經壓縮機升壓送入冷凝器，干冷空氣進入冷凝器時，高壓制冷劑冷凝釋放熱量，空氣加熱，變為干風，進入干化室。冷凝器流出高壓制冷劑，在膨脹閥作用下降壓，進入蒸發器，進入下一個循環，不斷循環直至污泥含水率達到相關要求。這一工藝增加回熱循環，能盡可能回收加熱過程中產生的熱量，將熱量用于加熱干化，使得這一工藝的脫水效率得到了明顯的提高。
三、熱泵低溫污泥干化系統工藝流程
濃縮污泥的含水率在97%-98%，采用進料螺桿泵將其送入密封腔室，加入絮凝劑，首先利用進料泵的壓力來將絕大多數游離水擠壓。待進料完畢后，將壓濾水泵打開，充分利用其高壓力來對腔室內的泥餅進行擠壓，要保證濾餅足夠密實，盡可能將水分擠出。
完成壓榨之后，就可以將真空系統與加熱系統啟動。將蒸汽加入隔膜板與加熱板之間，利用空氣來對腔室中的污泥進行加熱，與此同時將真空泵打開，將腔室抽成真空形成負壓，使得水的沸點降低。污泥中的水分沸騰汽化后，采用真空泵將汽水混合物抽出，送至冷凝器，對液態水進行定期排放，尾氣則需要經過凈化處理，確認達標后才能進行排放。
對污泥進行過濾、壓榨、強氣流吹氣穿流、真空熱干化等處理后，其中的水分已經被最大程度地脫除，污泥中的含水率明顯降低，污泥量也明顯減少，能滿足污泥無害化與減量化處理的要求。整個脫水干化迅速，歷時4h-4.5h。
四、干化處理方案設計
熱泵低溫污泥干化系統應用
①主機系統、污泥調質系統、進料系統及壓濾系統
主機系統：帶有加熱功能的板框壓濾機就是主機系統，計算過濾面積時，根據每次脫水的污泥量（也就是進泥量）除以壓濾脫水負荷再除以每次脫水時間得到過濾面積。壓濾脫水負荷取值為0.035m3/（m2·h），每日工作4個周期，每個周期不計算卸泥等準備時間，工作時間為4h。據此進行壓力面積的確定。
污泥調質系統：采用PAM與PAC這兩種藥劑來調理污泥。合理確定藥劑的投加量。PAM采取在線投加的方式，將投藥點設置于進料管路的管道混合器上。PAC為溶解后泵投。
進料系統：進料泵進料的過程進料頻率并不是固定的，進料壓力不斷增加，進料量會越來越少，最終進料泵會停止工作。合理確定進料時間，設置為1h，最高進料壓力設置為0.9MPa，進料螺桿泵的功率為22kW，壓力1.2MPa，最大流量35m3/h，為變頻控制的形式（圖1）。
圖1. 進料口示意圖，該進料口設置密封與廢氣接口
壓濾系統：進料完成后就要開始進行壓濾，確定壓濾時間為1.5h，濾箱容積5m3，壓濾水泵功率設置為15kW，壓力1.2MPa，流量 25m3/h，為多級離心泵。
②空氣壓縮系統
空氣壓縮系統可提供壓縮空氣，是氣動閥門與污泥吹脫的氣源。反吹是與進料方向相反，空氣吹向中心管道，反吹能將進料管中殘留的污泥吹到污泥調質池中；正吹是進料段吹脫，能將泥餅剝離。結合工程所需設計相關參數，確定壓力0.8MPa-1.0MPa，吹掃時間為1min左右，風量是2m3/min。
合理設計氣動閥門的用氣量，設置冷干機1臺，容積為3m3的氣動閥空氣儲罐1臺，容積為4m3 的吹脫空氣儲罐1臺，空氣壓縮機的最高壓力是1.3MPa，產氣能力是 3.16m3/min。
③加熱系統及冷凝系統
熱水泵、鍋爐等構成了加熱系統，天然氣是染料。熱水溫度90℃，熱水經熱水泵送入主機濾板，冷卻水回到鍋爐中加熱，循環用水，對濾餅進行持續加熱。熱干時間設置為1.5h，熱水鍋爐的功率為350kW，鍋爐設計的裕度系數為1.2，系統真空壓力設計為15kPa。
冷凝系統：冷凝系統的功能是冷卻真空泵抽取的汽水混合物。計算冷凝器的換熱面積時，需要結合平均對數溫差、傳熱系數以及冷凝熱通量等。該項目中，冷凝液儲存罐的容積設計為0.5m3，緩沖罐的容積設計為0.8m3，冷卻水循環泵的流量按照50m3/h 計算，換熱面積確定為60m3。
④真空系統
真空系統的功能是將腔室中的空氣抽出，形成真空。真空泵的功率設置為37kW，流量23m3/min，真空壓力為15kPa。
⑤控制系統
低溫干化系統設備集中，數量眾多，人為控制難度較大，因此需要借助控制系統來輔助控制。在動力配電柜中布置一些電氣設備的控制接線，一些電氣設備布置了獨立的控制箱，由主PLC控制柜來統一控制所有的設備。PLC控制柜中包括操作終端、PLC可編程控制器、控制柜以及其他附屬設備等，其功能包括選擇工藝參數、設定運行參數、控制運行狀態等。
PLC控制柜的主控制模塊與業主廠區的控制模塊相同，進行網絡交換機的設置，預留以太網接口以便于傳輸數據，實現PLC控制柜與廠級監控系統的雙向通信。
⑥污泥傳輸系統設計
設計污泥傳輸系統，對原有的2個卸泥斗進行改造，每個卸泥斗均配置出料螺旋輸送機一個、傾斜刮板送料輸送機一個以及水平輸送機一個。將出料料場密封箱設置于出料螺旋輸送機出料口的下方。2個螺旋輸送機均為物料開關信號控制，當污泥料倉高位時，此時兩個螺旋輸送機同時停止；當污泥料倉低位時，此時2個螺旋輸送機同時啟動。
五、調試方案制定與系統設計深化
安裝完成后，由專業人員來進行調試。從處理物料（板框壓力機處理污泥）、烘箱測試、輸送機測試以及自動時間及變頻器頻率進行調試。整個設備運行的過程中，為了避免熱泵壓縮機高壓報警，要保證風機連續工作，不能關閉風機 ；在測試過程中，要對各個運轉部位的潤滑情況進行檢查，及時補充潤滑油 ；板框壓濾機卸泥時，應對集料斗情況進行觀察，一次性卸泥量過多存在集料斗的風險。
調試過程中發現，污泥有時存在卡在卸泥斗而無法進入進料輸送機的問題。污泥要在傳輸設備中進入烘干設備，該項目采用帶傾斜刮板的進料輸送機，但是偶爾會由于前端板框壓濾機的壓濾效果不穩定而引起污泥卡住，無法進入進料輸送機。針對這一問題，進行多次現場模擬工況分析，發現板框壓濾機全部卸料后污泥積聚在泥斗中，將卸料量控制為50%左右，泥斗中的污泥積聚情況改善明顯。對板框壓濾機的卸料程序進行調整，首先卸料50%，再啟動污泥輸送機，之后卸載剩余的50%，最后將污泥輸送機工作程序啟動，最終卡料問題得到妥善解決。
污泥烘干后，其結構松散，很容易變為沙土狀，這就造成在污泥的存放以及運輸處置過程中很容易出現揚塵問題，而污泥烘干后其危險性也沒有降低，因此必須解決揚塵問題。首先要考慮對調整編織袋的密度，但是多次測試發現均不能從根本上解決揚塵問題。于是考慮調整污泥含水率，經多次測試，最終確認污泥含水率在40%左右是最為理想的狀態，既能明顯減少污泥外運重量，也不會產生揚塵問題。污泥含水率40%左右時，其結構穩定，不容易松散，不容易出現揚塵。采用高密度編織袋包裝污泥，后期的存儲以及運輸過程中均未見揚塵問題發生。通過上述測試方法，有效保證了項目的順利進行，后期順利通過業主考核驗收。
六、運行效果
選取該企業機械脫水后含水率在85%以上的污泥1000kg，采用低溫干化技術來進行污泥減量處理，含水率低至40%甚至30%。當地電費0.9元/kWh，污泥處理費用為4 元/kg，假設理論干化效率為3kg/kWh。則污泥減重量高達785kg。日消耗電能為 262kWh。理論上每日節約技術可明顯降低企業的污泥處理成本。
七、結論
該文基于工業化污泥減量處理的問題，就低溫干化技術在工業化污泥減量處理中的應用進行分析，最終經過低溫干化技術的應用，證實了低溫干化技術處理污泥的有效性，結果顯示理論上該方案僅從電費上就可以每日節約成本約2900元，基于此證明低溫干化基礎在工業污泥減量處理中的應用價值。綜上所述，該文撰寫證實低溫干化技術是工業污泥減量處理的理想方式，具有重要的現實意義。
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