低溫干化技術(shù)在工業(yè)污泥減量處理中的應(yīng)用
摘要：工業(yè)污泥通常都含有有害或者有毒物質(zhì)，沒有經(jīng)過處理就直接填埋或者隨意堆放，造成生態(tài)環(huán)境污染以及地下水污染。工業(yè)污泥深度減量化，這對減少企業(yè)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(yè)污泥減量處理為例，探討了低溫污泥干化技術(shù)的原理、工藝流程，論述了該項目的干化處理方案設(shè)計方法，經(jīng)過實踐證實，低溫干化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)污泥減量處理中，可以明顯提高污泥處理效率，減少企業(yè)運營成本，其具有重要的現(xiàn)實意義。
當(dāng)前很多工廠的重要環(huán)境目標(biāo)之一就是危險廢物的減量化處理，工業(yè)廢水污泥是危險廢物中構(gòu)成比較高的種類，污泥減量化處理，這對減少危險廢棄物產(chǎn)生意義重大。具有合法資質(zhì)處理工業(yè)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(jìn)行調(diào)整以減少污泥產(chǎn)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(yè)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(shù)為傳統(tǒng)的板框壓濾設(shè)備，污泥（即“濕污泥”）含水率較高，因此考慮安裝污泥干化設(shè)備來進(jìn)行污泥干化，去除污泥中的水分，形成干污泥，從而達(dá)到污泥減量化的目的。
二、熱泵低溫污泥干化技術(shù)原理
這一工藝采用熱泵技術(shù)來回收利用污泥干化過程中產(chǎn)生的熱量，其節(jié)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(dá)到污泥干化的效果，其屬于對流熱風(fēng)干燥。對流熱風(fēng)干燥的干燥介質(zhì)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(dá)到干燥的目的。
與以往常用的熱風(fēng)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(huán)方式上都與傳統(tǒng)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(huán)的狀態(tài)，干化室內(nèi)原本濕熱的空氣在熱泵干化機(jī)的制冷系統(tǒng)的作用下被脫濕、降溫，濕熱空氣經(jīng)過熱泵蒸發(fā)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，空氣降溫變?yōu)楦衫淇諝猓諝庵械乃帜Y(jié)，以液態(tài)水的形式排出。低壓制冷蒸汽由蒸發(fā)器提供，經(jīng)壓縮機(jī)升壓送入冷凝器，干冷空氣進(jìn)入冷凝器時，高壓制冷劑冷凝釋放熱量，空氣加熱，變?yōu)楦娠L(fēng)，進(jìn)入干化室。冷凝器流出高壓制冷劑，在膨脹閥作用下降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器，進(jìn)入下一個循環(huán)，不斷循環(huán)直至污泥含水率達(dá)到相關(guān)要求。這一工藝增加回?zé)嵫h(huán)，能盡可能回收加熱過程中產(chǎn)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(tǒng)工藝流程
濃縮污泥的含水率在97%-98%，采用進(jìn)料螺桿泵將其送入密封腔室，加入絮凝劑，首先利用進(jìn)料泵的壓力來將絕大多數(shù)游離水?dāng)D壓。待進(jìn)料完畢后，將壓濾水泵打開，充分利用其高壓力來對腔室內(nèi)的泥餅進(jìn)行擠壓，要保證濾餅足夠密實，盡可能將水分?jǐn)D出。
完成壓榨之后，就可以將真空系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)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(jìn)行加熱，與此同時將真空泵打開，將腔室抽成真空形成負(fù)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(tài)水進(jìn)行定期排放，尾氣則需要經(jīng)過凈化處理，確認(rèn)達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)行排放。
對污泥進(jìn)行過濾、壓榨、強(qiáng)氣流吹氣穿流、真空熱干化等處理后，其中的水分已經(jīng)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(shè)計
熱泵低溫污泥干化系統(tǒng)應(yīng)用
①主機(jī)系統(tǒng)、污泥調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)及壓濾系統(tǒng)
主機(jī)系統(tǒng)：帶有加熱功能的板框壓濾機(jī)就是主機(jī)系統(tǒng)，計算過濾面積時，根據(jù)每次脫水的污泥量（也就是進(jìn)泥量）除以壓濾脫水負(fù)荷再除以每次脫水時間得到過濾面積。壓濾脫水負(fù)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(zhǔn)備時間，工作時間為4h。據(jù)此進(jìn)行壓力面積的確定。
污泥調(diào)質(zhì)系統(tǒng)：采用PAM與PAC這兩種藥劑來調(diào)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(shè)置于進(jìn)料管路的管道混合器上。PAC為溶解后泵投。
進(jìn)料系統(tǒng)：進(jìn)料泵進(jìn)料的過程進(jìn)料頻率并不是固定的，進(jìn)料壓力不斷增加，進(jìn)料量會越來越少，最終進(jìn)料泵會停止工作。合理確定進(jìn)料時間，設(shè)置為1h，最高進(jìn)料壓力設(shè)置為0.9MPa，進(jìn)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(jìn)料口示意圖，該進(jìn)料口設(shè)置密封與廢氣接口
壓濾系統(tǒng)：進(jìn)料完成后就要開始進(jìn)行壓濾，確定壓濾時間為1.5h，濾箱容積5m3，壓濾水泵功率設(shè)置為15kW，壓力1.2MPa，流量 25m3/h，為多級離心泵。
②空氣壓縮系統(tǒng)
空氣壓縮系統(tǒng)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(jìn)料方向相反，空氣吹向中心管道，反吹能將進(jìn)料管中殘留的污泥吹到污泥調(diào)質(zhì)池中；正吹是進(jìn)料段吹脫，能將泥餅剝離。結(jié)合工程所需設(shè)計相關(guān)參數(shù)，確定壓力0.8MPa-1.0MPa，吹掃時間為1min左右，風(fēng)量是2m3/min。
合理設(shè)計氣動閥門的用氣量，設(shè)置冷干機(jī)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(jī)的最高壓力是1.3MPa，產(chǎn)氣能力是 3.16m3/min。
③加熱系統(tǒng)及冷凝系統(tǒng)
熱水泵、鍋爐等構(gòu)成了加熱系統(tǒng)，天然氣是染料。熱水溫度90℃，熱水經(jīng)熱水泵送入主機(jī)濾板，冷卻水回到鍋爐中加熱，循環(huán)用水，對濾餅進(jìn)行持續(xù)加熱。熱干時間設(shè)置為1.5h，熱水鍋爐的功率為350kW，鍋爐設(shè)計的裕度系數(shù)為1.2，系統(tǒng)真空壓力設(shè)計為15kPa。
冷凝系統(tǒng)：冷凝系統(tǒng)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(jié)合平均對數(shù)溫差、傳熱系數(shù)以及冷凝熱通量等。該項目中，冷凝液儲存罐的容積設(shè)計為0.5m3，緩沖罐的容積設(shè)計為0.8m3，冷卻水循環(huán)泵的流量按照50m3/h 計算，換熱面積確定為60m3。
④真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)的功能是將腔室中的空氣抽出，形成真空。真空泵的功率設(shè)置為37kW，流量23m3/min，真空壓力為15kPa。
⑤控制系統(tǒng)
低溫干化系統(tǒng)設(shè)備集中，數(shù)量眾多，人為控制難度較大，因此需要借助控制系統(tǒng)來輔助控制。在動力配電柜中布置一些電氣設(shè)備的控制接線，一些電氣設(shè)備布置了獨立的控制箱，由主PLC控制柜來統(tǒng)一控制所有的設(shè)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(shè)備等，其功能包括選擇工藝參數(shù)、設(shè)定運行參數(shù)、控制運行狀態(tài)等。
PLC控制柜的主控制模塊與業(yè)主廠區(qū)的控制模塊相同，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的設(shè)置，預(yù)留以太網(wǎng)接口以便于傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)PLC控制柜與廠級監(jiān)控系統(tǒng)的雙向通信。
⑥污泥傳輸系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計污泥傳輸系統(tǒng)，對原有的2個卸泥斗進(jìn)行改造，每個卸泥斗均配置出料螺旋輸送機(jī)一個、傾斜刮板送料輸送機(jī)一個以及水平輸送機(jī)一個。將出料料場密封箱設(shè)置于出料螺旋輸送機(jī)出料口的下方。2個螺旋輸送機(jī)均為物料開關(guān)信號控制，當(dāng)污泥料倉高位時，此時兩個螺旋輸送機(jī)同時停止；當(dāng)污泥料倉低位時，此時2個螺旋輸送機(jī)同時啟動。
五、調(diào)試方案制定與系統(tǒng)設(shè)計深化
安裝完成后，由專業(yè)人員來進(jìn)行調(diào)試。從處理物料（板框壓力機(jī)處理污泥）、烘箱測試、輸送機(jī)測試以及自動時間及變頻器頻率進(jìn)行調(diào)試。整個設(shè)備運行的過程中，為了避免熱泵壓縮機(jī)高壓報警，要保證風(fēng)機(jī)連續(xù)工作，不能關(guān)閉風(fēng)機(jī) ；在測試過程中，要對各個運轉(zhuǎn)部位的潤滑情況進(jìn)行檢查，及時補充潤滑油 ；板框壓濾機(jī)卸泥時，應(yīng)對集料斗情況進(jìn)行觀察，一次性卸泥量過多存在集料斗的風(fēng)險。
調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，污泥有時存在卡在卸泥斗而無法進(jìn)入進(jìn)料輸送機(jī)的問題。污泥要在傳輸設(shè)備中進(jìn)入烘干設(shè)備，該項目采用帶傾斜刮板的進(jìn)料輸送機(jī)，但是偶爾會由于前端板框壓濾機(jī)的壓濾效果不穩(wěn)定而引起污泥卡住，無法進(jìn)入進(jìn)料輸送機(jī)。針對這一問題，進(jìn)行多次現(xiàn)場模擬工況分析，發(fā)現(xiàn)板框壓濾機(jī)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(jī)的卸料程序進(jìn)行調(diào)整，首先卸料50%，再啟動污泥輸送機(jī)，之后卸載剩余的50%，最后將污泥輸送機(jī)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(jié)構(gòu)松散，很容易變?yōu)樯惩翣睿@就造成在污泥的存放以及運輸處置過程中很容易出現(xiàn)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(diào)整編織袋的密度，但是多次測試發(fā)現(xiàn)均不能從根本上解決揚塵問題。于是考慮調(diào)整污泥含水率，經(jīng)多次測試，最終確認(rèn)污泥含水率在40%左右是最為理想的狀態(tài)，既能明顯減少污泥外運重量，也不會產(chǎn)生揚塵問題。污泥含水率40%左右時，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易松散，不容易出現(xiàn)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(fā)生。通過上述測試方法，有效保證了項目的順利進(jìn)行，后期順利通過業(yè)主考核驗收。
六、運行效果
選取該企業(yè)機(jī)械脫水后含水率在85%以上的污泥1000kg，采用低溫干化技術(shù)來進(jìn)行污泥減量處理，含水率低至40%甚至30%。當(dāng)?shù)仉娰M0.9元/kWh，污泥處理費用為4 元/kg，假設(shè)理論干化效率為3kg/kWh。則污泥減重量高達(dá)785kg。日消耗電能為 262kWh。理論上每日節(jié)約技術(shù)可明顯降低企業(yè)的污泥處理成本。
七、結(jié)論
該文基于工業(yè)化污泥減量處理的問題，就低溫干化技術(shù)在工業(yè)化污泥減量處理中的應(yīng)用進(jìn)行分析，最終經(jīng)過低溫干化技術(shù)的應(yīng)用，證實了低溫干化技術(shù)處理污泥的有效性，結(jié)果顯示理論上該方案僅從電費上就可以每日節(jié)約成本約2900元，基于此證明低溫干化基礎(chǔ)在工業(yè)污泥減量處理中的應(yīng)用價值。綜上所述，該文撰寫證實低溫干化技術(shù)是工業(yè)污泥減量處理的理想方式，具有重要的現(xiàn)實意義。
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