污泥深度脱水及低温除湿污泥干化新技术的应用

摘要：本文对市政污水处理厂几种常见的污泥深度脱水技术进行了总结，对污泥调理、高压机械脱水、热干化、低温真空干化等工艺进行了 详细的对比和分析，并重点介绍了低温除湿技术在污泥深度脱水领域的工艺应用。

关键词：污泥；低温除湿；深度脱水；干化
0引言
污泥是污水处理过程中必然产生的最大副产物，其中富集了污水中的有机物、盐和大量的磷、氮等物质以及病毒性微生物、寄生虫卵、重金 属等有毒有害物质，具有较大的环境危害。随着我国城市污水处理率逐步提高和新的污水处理厂数量不断增加，污水处理厂污泥的产量急剧 增加。截至2016年9月，全国共有污水处理厂3976座，污泥年产量超过3×107吨，成为全球最大的污泥产生国。另一方面，我国污泥处理起 步较晚，早期的污水处理厂建设存在严重的“重水轻泥”现象，污泥处理处置单元不完善，导致大量污泥“积压”，未得到合理安全的处理 处置[1]。
我国大多污水厂早前建设的污泥处理方式仍以浓缩后再进行压滤脱水或离心脱水为主，相当一部分污水厂甚至没有浓缩或脱水设施。前期调 查表明，污水处理厂出厂污泥的含水率一般都在80%左右，污泥中的水分接近干污泥的8倍。污水处理厂不仅在污泥脱水工艺技术方面落后， 更严重的是脱水后的污泥随意倾倒，造成土地资源的浪费和严重的环境污染。
近年来，我国政府非常重视污泥的处理处置工作，相继颁布了一系列条例和办法，力图在政策和技术层面解决污泥的环境问题。我国《水污 染防治行动计划》（国发[2015]17号）提出：现有污泥处理处置设施应于2017年底前基本完成达标改造，地级及以上城市污泥无害化处理处 置率应于2020年底前达到90%以上。污泥处理以减量化、稳定化、无害化和资源化为主要原则，目前主要有填埋、焚烧、土地利用、污泥农 用、能源化利用和综合利用等处置方法。然而，无论填埋、焚烧、农业利用还是能源利用，污泥深度脱水减量化都是非常关键的第一步[2] 。采用污泥深度脱水技术不仅为后继处置带来方便，也能兼顾污泥处理处置过程的经济和环境平衡，逐步在污泥处置领域得到了共同的认可 。
1污泥深度脱水技术现状
污泥深度脱水是指通过物化调理、真空、加压或干燥等技术，对含水率较高的污泥进行进一步脱水至含水率60%以下，甚至更低。通过使用 污泥深度脱水技术，不仅使得污泥总的数量和体积大大降低，同时极大减少后续处置资本投入和运输管理费用，更重要的是使污泥后续处置 途径更为广泛。深度脱水后的污泥具有一定的热值，可作为电厂低品位的燃料和水泥生产过程中的熟料，实现稳定、无害化处置和资源化利 用。即使进行填埋，也能大幅减少土地占用和环境污染[3]。
污泥深度脱水技术在国外起源较早，随着环保政策的不断严格和污泥处理处置领域技术进步，近几年在国内逐步得到重视并有一定范围的应 用。一般认为，污泥中的水分有自由间隙水、毛细水、吸附水和内部水四种结合形式。从经济的角度出发，机械脱水是一种相对节能的方式 ，但机械脱水只能去除间隙水和毛细水，对后两种形式的水去除效果差，所以一般需要预先对污泥进行调理。
1.1污泥调理
污泥调理是污泥深度脱水的关键步骤。污泥的预处理调理主要有化学调理、物理调理和生物调理方法。研究表明，可以通过添加絮凝药剂提 高污泥的沉降性能，或添加骨架构建体以增强污泥的可压缩性，从而促进污泥胞外聚合物中的水分释放或使污泥中水分的形态得以转化[4] 。化学调理是目前应用较为广泛的污泥调理技术方法，其次是污泥热水解等物理调理技术。污泥热水解是在150-170℃，压力低于1.25kPa工 作条件下，使污泥中部分微生物细胞受热膨胀而破裂，释放出蛋白质、矿物质以及细胞膜碎片的技术。由于细胞结合水被释放，污泥的脱水 性能得到改善，同时避免投入难生物降解或有毒有害脱水剂对环境造成的二次污染，有利于后续污泥减量化和资源化利用[5,6]。
1.2高压机械脱水
自动高压隔膜压滤机是一种间歇式污泥深度脱水设备，在城镇污水处理领域已有多年的应用历史，具有深度脱水效果好，适应性广的特点， 能够有效将滤饼内的间隙水分离出来，最终污泥含水率可以降到60%甚至50%左右。该设备采用机、电一体化设计制造，结构合理，操作简单 ，能够实 现无人操作自动运行，自主创新研发的聚丙烯高压隔膜滤板压榨压力可达到4.0MPa[7]。目前市场上应用比较成熟的污泥 深度脱水设备还有弹簧钢制滤板压滤机、钢带式压滤机和新型高压压滤脱水机等，设备零部件可以达到更高的工作操作压力，脱水效果可以 得到进一步提升。高压机械脱水设备能够直接一步到位将高含水率的污泥（97%）脱水至50%以下，在低浓阶段脱水效率高，能耗较低；但压 榨时间长，不能连续出料，单台设备处理能力不大，设备所需数量较多，且需添加一定量的石灰等调理剂，这即增加了成本，也违背了减量 化处理处置的初衷[8]。
1.3热干化
污泥热干化是指通过污泥与热媒之间的传热作用，脱除污泥中水分的工艺过程，用于进一步降低常规机械脱水污泥的含水率。热干化按温度 分类有三种方式，即低温干化（90℃以下）、中温干化（90-180℃）和高温干化（200℃以上）。根据热量传递方式的不同，污泥干化设备 分为直接加热和间接加热两种方式。目前，应用较多的干化设备包括流化床、带式干化、桨叶式干化、卧式转盘式干化、立式圆盘式干化和 喷雾干化等六种工艺设备。根据干化污泥含水率的不同，污泥干化类型还可分为全干化（含水率10%以下）和半干化（含水率在40%左右）两 种类型[9]。近年来，污泥干化系统设备的国产化发展很快，但目前投产的多为大型化干化项目。由于其必须利用外加热源的技术缺陷，决 定了热干化的能耗难以降低，成本相对较高。且热干化过程必须考虑污泥恶臭、挥发性有机物排放等污染治理设施，投资成本增加，占地面 积大。
1.4低温真空脱水
污泥低温真空脱水技术主要以板框压滤机为主体设备，在此基础上增加抽真空系统和加热系统。通过真空系统将腔室内的气压降低，从而使 腔室内污泥中水的沸点降低，同时通过滤板对腔室内污泥进行加热[10,11]。在加热至50℃左右时，污泥中水分便沸腾汽化，水分得以从污 泥中分离处理。该技术集压力脱水真空干化为一体，包括调理系统、压滤系统、真空系统、加热系统、冷凝系统、尾气处理系统、控制系统 等，能达到传统热力干化脱水效果，同时省去了传统热力干化的占地面积，但存在一次性投资成本高、操作复杂、处理规模受限等缺点。
2污泥低温除湿深度脱水新技术
2.1基本原理
在空调制冷领域，低温除湿技术并不陌生。而利用低温除湿热泵技术对污泥进行深度干化，近年来已成为一项污泥深度脱水新技术，备受关 注。现有的低温除湿污泥干化设备多为在带式干化机的基础上衍生而来，包括进料系统、传输系统、热泵除湿系统、出料系统、控制系统等 ，一体化集成。其中，热泵除湿系统作为最为核心的结构组件，决定了全系统的除湿和干化脱水效能。除湿热泵组件主要由压缩机、冷凝器 、节流阀、蒸发器等构成。低温干化单元运行时，蒸发器中的工质吸取污泥低温除湿仓内排出的湿热空气中的热量，从低压液态工质蒸发成 低温低压气态工质，进而经压缩机增压成高温高压的气态工质；在冷凝器中，高温高压的气态工质放出热量，加热进入污泥低温除湿仓内的 干空气，而工质本身转化成高温高压液态工质；进而通过节流阀，压力和温度降低，转化成低压低温的液态工质，经再度进入蒸发器，吸收 湿热气体中的热量。如此反复循环将低温热量输送到高温介质中去，形成循环热泵系统。系统原理见下图。

图1 干化单元热泵工作原理

1压缩机2冷凝器3节流阀4蒸发器
2.2工艺特点
低温除湿技术应用于污泥深度脱水领域，在节能性、适用性、安全性等方面具有以下工艺特点。
（1）节能性：现有研发的干化系统除湿性能比可大于3kg水/kw•h，相对传统燃煤型污泥干化系统可节能40％以上；相对燃油燃气型系统节 能更多。该系统若采用晚间低谷电供电，节能效果更加明显；
（2）适用性：可满足含水率从85%含水率的污泥一次性干燥成含水率10％的污泥颗粒，出泥含水率可调节；采用连续网带干燥模式，不受污 泥黏糊区影响，适合各类型污泥干化（包括含砂量大的污泥）。设备紧凑，占地面积小，系统易损件少，易维护，使用寿命长；
（3）安全性：系统的输出端主要为低温干化后的污泥和低温冷凝水，全系统在40-75℃范围内全封闭运行，可有效抑制恶臭、挥发性气体等 排放；无 尾气排放，无需外加臭气处理系统。
（4）可回收利用厂内的低品位热源进行灵活改造，进一步降低能耗。
2.3应用案例分析
某中小型电镀企业，生产过程中每天处理含水率80%污泥量为3吨/天，干化污泥至含水率15%后外运。
脱水量=3000×（1-（1-80%）/（1-15%））=2295kg/天，具体参数如下：

方案选择采用污泥低温除湿深度脱水新技术，定制了1台广东西屋康达生产的ZK007-DMT污泥低温干化除湿热泵一体机，配置输送系统及落 料系统：
1）运行费用计算：
每度电除水量3.69kg/h，电费按1.0元/kWh；
每日运行费用=2295÷3.69×1.0=622元/天；
企业每年按300天运营计算，年运行费用=622×300=186600元/年；
2）节省费用计算：
工业污泥处理费用按1800元/吨；
脱水后污泥节省处理费用=2295÷1000×1800=4131元/天；
年节省处理费用=4131×300=1239300元/年；
3）实际收益计算：
经济收益=1239300-186600=1052700元/年；
项目投资成本：初建投资成本按17万/吨/天；
即投资成本=170000×3=510000元；
成本回收年限：510000÷1052700=0.48年；
4）现场效果明显，除湿干化系统过程氧气含量小于10%；粉尘浓度小于50g/cm3，污泥颗粒温度小于60℃；除水检测完全达到直接排放标准 。
3结论
我国环境保护部门给出了明确的规定：“污水处理厂储存（即不处理处置）为目的将污泥运出厂界的，必须将污泥脱水至含水率50%以下” （《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》2010年11月26日）。目前有的地市甚至提出了将污泥运出厂界前，必须将污泥脱 水至含水率40%以下的要求，更是对污泥深度脱水提出了更高的挑战。显然，现有的常规污泥脱水工艺远不能满足污泥出厂含水率的要求， 加快提升现有污泥处理处置设施的效能成为污水处理部门亟需解决的一项课题。通过对目前行业应用中几种典型的污泥深度脱水工艺进行 对比，笔者认为低温除湿污泥深度脱水新技术，相比于现有工艺，呈现出运行费用低，操作简单，设置灵活，适用性强，无需外加能源等 特点。当污泥处置单位远离外接燃气或蒸汽能源时，低温工艺甚至可以发挥其独特的优势。