慢蒸發污泥干燥機電控系統的研制與創新

溫志軍

（北京中燕通科技開發有限公司，北京 101102）

0 引言

截至2010 年，我國已建成污水處理廠1993 座，污水日處理能力達到1.25 億立方米，到2010 年底，我國城市污水污泥年排放量已達到769.1 萬噸[1]。污泥濃縮脫水、干化主要是降低污泥中的水分，污泥穩定主要是分解降低干固體中有機物質量。污泥通過濃縮、機械脫水、干化、穩定達到最終的衛生填埋、土地利用、海洋傾倒、堆肥處理、焚燒、熱解等處置目的。目前，我國的污泥處置大多采用上述方法，污泥處置率低于10%，資源化利用率低于19%，約63%的污泥仍采取陸地填埋[2]。美國污泥處置中約55%為土地利用（主要用于農藝、造林和土地改良），約28%污泥送往垃圾填埋場處置[3]。歐盟各國城鎮污水處理廠產出的污泥大多數作為土地利用，少數焚燒或填埋處置[4]。與發達國家相比，我國在污泥處置和資源化方面的差距還很大。究其原因，制約污泥處置資源化的主要因素是傳統處置的工藝流程過長，過程、設備復雜，建設、運營成本和技術要求過高。如何利用新的技術改變傳統污泥處置工藝的各種弊端，本文介紹利用電氣自動化的方法改變傳統污泥處理工藝流程，實現污泥資源化的創新可行性。

1 傳統污泥處理和處置方式及其弊端

傳統的污泥處理和處置工藝流程包括污泥濃縮、污泥脫水、污泥干化、污泥穩定。

（1）重力濃縮電耗低、無藥耗，運行成本低。但隨著脫氮除磷要求的提高，重力濃縮方式時間長、易釋磷。

（2）機械脫水主要有帶式壓濾脫水、離心脫水、板框壓濾脫水、電滲透脫水、凍融脫水、真空機、螺旋壓榨等方式。由于污泥成分復雜，相對密度較小且顆粒較細，并往往是膠態狀況，決定了其不易脫水的特點。

（3）污泥干化主要是去除污泥顆粒間的吸附水和內部水。當污泥逐步形成顆粒時，表面比內部干燥，內部水的蒸發更加困難。隨著含水率的降低，蒸發效率也逐漸降低。

（4）污泥穩定常用的方法包括消化法、堿性穩定法、熱處理法、代謝解偶聯劑技術、污泥生物捕食技術。消化法產量低、周期長，受溫度影響大。堿性穩定法需要添加堿性物質，成本高，有二次污染。熱處理法如微波處理法，需要的能源大、設備復雜、建設運行成本高。代謝解偶聯劑技術目前僅限于機理研究。污泥生物捕食技術起源于荷蘭，最早可追溯到1994 年，還處于研究階段。

其他傳統的污泥再生利用方法包括厭氧消化產沼氣、發酵產揮發性短鏈脂肪酸、污泥焚燒發電、污泥制氫、污泥熱解制油、制備生物炭、制備可降解塑料、制備肥料、泥蚯蚓養殖、制備建筑材料等資源化技術。

由此可見，傳統的污泥處置工藝路線過程復雜，需要的設備、材料、能源和復雜性都制約著污泥處置產業效率的提高。

2 新的污泥處置方法的工藝思路

針對傳統工藝方式的眾多弊端，簡化污泥處置過程是問題的根本所在。如何將水處理后的原泥直接處理，達到國家要求的農用、林用、園林綠化用、土壤改良和制磚用污泥的國家標準，直接實現資源化是新的污泥處置工藝的創新之處。而針對國家的污泥處置后的資源化標準，有幾項關鍵性的指標必須達到和突破，這些關鍵指標就是含水率、細菌含量、顆粒度和重金屬含量。

一般而言，城鎮生活污水中重金屬元素含量較低，所以直接選擇城鎮生活污水污泥進行處置完全可以保證最終產品的重金屬不超標[3]。針對顆粒度問題，經過特殊的自動控制方式，保證產品的顆粒度小于10 mm，基本上就能滿足農用、林用、園林綠化用和土壤改良用污泥標準的需要[4]。而對于含水率問題，必須保證處理后的污泥含水率低于40%，甚至能達到4%[4]。針對細菌含量問題，可以通過電氣自動化的方式完成對蛔蟲卵和大腸桿菌的滅活要求。

綜上分析，創新性污泥處置工藝的硬件要求：在水處理廠重力濃縮沉淀池底部安裝污泥泵或在污泥濃縮池底部安裝污泥泵，或利用高程上形成的自由壓力，將原泥注入慢蒸發池內部。在慢蒸發池內部的污泥底部設置加熱器。在慢蒸發池內部安裝控制原泥高度的自動檢測和控制裝置，用來控制慢蒸發池加入的污泥量。在污泥上面設置風扇或風機，慢蒸發池內安裝測溫系統、記錄系統和控溫系統。

軟件自動控制過程包括以下步驟：

（1）慢蒸發過程。先將慢蒸發池內的污泥加熱到30～60 ℃緩慢蒸發。

（2）同時系統自動記錄慢蒸發池內部的污泥高度，當慢蒸發池內的污泥高度降低到進泥時高度的5%～10%以下后，進入高溫滅活過程。

（3）在滅活過程中，由溫度控制系統控制污泥溫度達到殺掉污泥中的蛔蟲卵、大腸桿菌的溫度要求和時間要求。將溫度控制在70 ℃超過30 min，滿足殺菌和滅卵的要求。在53～56 ℃超過30 min 即可殺死全部蛔蟲卵，在68～70 ℃超過30 min 即可殺死全部細菌，因此本工藝設計只需要將溫度控制到70 ℃超過30 min，即可滿足殺菌和滅卵的要求。

由于每次的進泥量有限，又采用了慢蒸發技術，所以對系統的熱源總功率的要求不高。同時，系統又是在蒸發基本完成、污泥量很少的情況下加熱到比較高的溫度，也使得對熱源功率的要求大大降低，而且很容易滿足要求。

同時，如果系統沒有達到滅活的溫度和時間要求，系統就會繼續加熱，直到滅活要求達到為止。這樣就大大降低了對熱源功率大小的要求。

滅活后的污泥再經過慢慢的蒸發過程，達到含水率低于40%后，即可完成整個處理過程。自動控制系統提醒操作人員將蒸發池內的污泥清理干凈，進行下個處理流程。

由于系統控制的進泥量有限，蒸發烘干后的干泥層很薄而且含水率極低，清理出來的污泥經過人工簡單粉碎即可達到顆粒度小于10 mm，很容易滿足污泥處置的農用、林用、園林綠化用、土壤改良和制磚用污泥的標準，可以直接資源化利用。

3 電控系統程序的編制方法及技巧

根據以上方法，實際測試中采用不銹鋼制作底部面積1 m2深100 mm 的慢蒸發池，底部加裝電熱裝置。慢蒸發池上部加裝激光液位計，用來檢測和控制慢蒸發池內污泥的高度。慢蒸發池底部安裝測溫裝置控制污泥溫度。污泥儲池底部安裝變頻進泥泵，用于慢蒸發池內部進泥。慢蒸發池上部安裝變頻調速風扇，用來控制蒸發的通風量和緩慢除臭速度。

首先開始慢蒸發池的進泥過程，由自動控制系統控制進泥泵進泥，利用變頻器調整進泥泵頻率來控制進泥壓力，達到均勻穩定進泥的目的。利用液位計進行液位檢測，當慢蒸發池污泥高度達到30 mm 厚時停止進泥。系統自動開啟加熱系統和風扇系統進行慢蒸發。此時要適時調整風扇的轉速，做到合理蒸發和除臭，同時要避免過度的熱量損失。將加熱溫度控制在60 ℃左右，5 h 后污泥的高度就可以小于3 mm。當液位計檢測到污泥高度小于3 mm 的信號時，自動控制系統開始給系統升溫至70 ℃并開始計時，達到30 min 以上，滅活過程結束。滅活結束之后，系統根據升溫速度自動地判斷慢蒸發池內部的水分含量低于控制系統要求，發出處理完成的信號，通知操作人員處理，即可完成本次處理過程。由人工清理慢蒸發池內部污泥，然后啟動系統進行下一次處理循環。

實際編制程序的過程中，可采用PLC 標準計數器的方法控制各輸出單元的動作，既簡單又可靠，而且編制過程靈活，可以隨時修改和暫停程序過程，并且可以容易地實現斷電記憶功能[5]。控制策略見表1。

表1 原泥直接資源化自動控制系統程序步驟動作

程序步驟計數器可以用PLC 的標準計數器，也可以用普通的內部存儲寄存器，建議采用普通的內部存儲寄存器，這樣計數范圍和數量遠大于PLC 系統自帶的標準計數器，可以使程序具有極大的靈活性和可靠性[6]。編制程序時，每個動作結束的脈沖上升沿將計數器加一即可進入下一個程序過程中。利用程序步驟計數器等于不同的值來控制不同的輸出設備，程序編制流程如圖1 所示。同時，整套自動化系統可以配置聯網功能，實現遠程監控程序運行過程、提示、報警、記錄功能。如果利用VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）技術，可以將眾多單一的分布式慢蒸發設備組成一個龐大的局域網，不但可以遠程和現場操作監控，也可以遠程修改程序和做故障診斷。通過VPN 組網方式、組態軟件和數據庫配合就可以輕松地對所有的設備運行狀態統計分析[7]。

圖1 原泥直接資源化自動控制流程

由于處理過程全部自動控制，減少了對操作人員的要求，整套系統幾乎沒有運動部件，完全實現自動化處理具有極高的可靠性，是現有處置方法的理想替代方案。

4 應用前景

采用自動控制的方式，盡量減少污泥處置過程的復雜性，縮短污泥處置過程的工藝流程，不但是對原有傳統污泥處置工藝的大膽創新，而且經過實踐檢驗，也是完全可行的方向。由于實際熱源豐富多樣，為新工藝的實施推廣提供了有力的保障。例如，可以采用余熱、太陽能、地熱、天然氣，煤、石油、風力發電等，既可以使用化石能源又可以使用新能源，對于實現可持續發展具有深遠的意義。因為速生林物種的單一性，采用污泥資源化的有機肥能有效緩解我國速生林保有量很高但質量很低的困境。有資料顯示，桉樹施用污泥有機肥平均生長苗高多14%，地徑多27%。按100 kg/（667 m2）肥料計算，2 萬平方米桉樹人工林可為深圳市10%的污泥找到出路[8]。除了傳統的桉樹，雜交的碳桐樹可以克服桉樹對土地污染較大、產量不高的缺陷，雜交的碳桐樹生長速度更快，適應性更強，收益更快，回報率高，可重復再生60 年。因此，采用自動控制方式，縮短污泥處置流程的新的污泥資源化工藝路線，將有很廣的適用范圍和發展潛力。