“薄層-線性”二段法污泥干化工藝及工程應用

康啟宇

（西安市長安基礎建設有限責任公司，陜西 西安 710100）

0 引言

污泥干化既可實現污泥減量化和無害化，又可為后續的污泥資源化利用創造重要前提，是目前污泥處置的重要技術之一［1］。薄層干化技術是污泥間接式熱干化技術中的典型技術之一。從工程應用角度來說，目前大多數薄層污泥干化采用的是一段法工藝，即污泥經過一次干燥后即出泥并供后續處置，出泥含水率通常為30%～40%。干泥如需用于發電廠燃煤摻燒、生活垃圾協同焚燒或作為土壤改良劑、肥料，須高干出泥［2］。但一段式薄層干化在污泥含水率降至30% 以下時，脫除污泥結合水變得更難，薄層干化機的換熱面積要相應增大很多，這也導致設備體積和相應的設備投資都要大幅增加。

對于高干出泥，“薄層-線性”二段法污泥干化工藝可突顯其優勢。該工藝經過一段薄層干化后，干泥再進行二段線性干化。線性干化機是一種采用單軸輸送螺旋作為轉子來輸送污泥、采用轉子內壁和定子夾套均通高溫熱媒的方式來實現污泥干化的間接式熱干化機。由于轉子采用的是單軸螺旋，通常僅用于將顆粒狀的低干污泥進一步干化至高干污泥，是對一段干化的有利補充。線性干化機具有高熱容、長停留時間、轉子和定子內壁均為換熱面等特點，因而高干段污泥的單位面積水分蒸發效率更高，且線性干化機的設備體積更小，設備投資更小。與此同時，引入的二段線性干化機其低線速度（＜1 m/s）可避免對顆粒污泥造成擠壓、剪切，有效減少粉塵產生及設備機體磨損，適合我國污泥（特別是市政污泥）含砂量高的國情［3］。本研究結合我國某大型市政污泥處理處置項目的工程實例來進一步介紹該工藝。

1 工程背景概述

某大型污泥處理處置擴建工程的服務對象為我國某片區第一、第二污水處理廠提標改造至城鎮污水處理廠污染物排放標準GB18918—2002 一級A 出水標準產生的脫水污泥，以及新建升級補量工程建成后2.20×106m3/d 污水處理產生的脫水污泥。工程建設規模為223.0 t/d（以DS 計），折合含水率80%的污泥量為1 115.0 t/d，設施配置考慮一期工程焚燒線檢修工況，工程高峰處理規模為288.5 t/d（以DS 計），折合含水率80% 的污泥量為1 442.5 t/d。進廠脫水污泥的含水率為78%～82%，脫水污泥干基高位熱值為10.01～13.35 MJ/kg，平均干基低位熱值為11.21 MJ/kg。由于前端污水廠的進水水質碳源充足且可生化性較好，核心工藝采用了A2/O 活性污泥法的生物處理工藝，因而前端污水系統排出的污泥熱值較高。污泥泥質分析數據見表1。

表1 污泥泥質分析Table 1 Sludge quality analysis

該工程采用“脫水污泥干化+電廠摻燒”的污泥處理工藝，其中污泥干化采用“薄層-線性”二段法工藝。共設有10 條干化線（9 用1 備），單條干化線污泥處理量為160.27 t/d（80%含水率）。含水率78%～82%的脫水污泥由自卸式卡車運輸至污泥處理廠，經污泥接收、儲存系統后，脫水污泥泵送至污泥干化系統，經干化系統處理后，平均含水率降低至30%，產生的干污泥由密閉式卡車運輸至該片區第二電廠或第三電廠與煤摻燒。整個系統的廢氣則抽至廢氣處理系統進行處理。

2 工藝流程與設計參數

2.1 “薄層-線性”二段法工藝流程

脫水濕污泥（80%～85% 含水率）由污泥接收倉接收并由污泥儲存倉暫存。污泥儲存倉底的進料螺桿泵將污泥定量輸送進薄層干化機內，產出的一段干泥含水率約30%～40%。一段干泥通過溜槽落入線性干化機內進行二段干化，二段干泥含水率可達10%～30%。線性干化后的污泥溫度約為95 ℃，先通過冷卻螺旋進行降溫冷卻至45 ℃，再通過干泥輸送設備輸送至干泥料倉暫存并供后續處置。

一段薄層干化和二段線性干化的蒸發廢氣溫度約為105 ℃，通過尾氣風機抽至冷凝器進行噴淋洗滌降溫。噴淋洗滌后的不凝氣溫度降至45 ℃，經除霧器除霧后再由尾氣風機外排至臭氣處理系統進行處理。污泥干化采用1.0 MPa （絕壓）、180 ℃的飽和蒸汽作為熱媒，一段干化和二段干化的蒸汽凝液則通過凝液收集裝置收集并輸送回鍋爐系統的除氧器，作為除氧水供鍋爐利用產蒸汽。如果污泥干化與焚燒系統協同處置污泥，凝液還可通過換熱器與焚燒爐的一次風和二次風進行換熱，以利用自身的部分余熱，再回到除氧器供鍋爐利用產蒸汽?！氨?線性”二段法污泥干化工藝的流程如圖1 所示。

圖1 二段法污泥干化工藝流程Figure 1 Flow of two-stage sludge drying process

2.2 核心設備工作原理

薄層干化機的主要結構為1 個帶有夾套的圓筒形空心殼體，筒體內設有長軸形的空心轉子，轉子上均布有不同角度的葉片。筒體內壁設有耐磨涂層，筒體兩端配有法蘭型端蓋，轉子驅動端裝有電機和減速機以驅動轉子以一定轉速旋轉，筒體夾套中通有如飽和蒸汽的熱媒。污泥在被輸送進干化機后，被轉子及葉片均勻涂布在筒壁上，形成5～10 mm 厚度薄層，并通過筒壁與熱媒進行間接換熱。污泥中蒸發的水蒸氣被尾氣風機抽至設備外，污泥則在轉子及葉片的推動下不斷干化并形成顆粒狀污泥，最終從出料口排出。

線性干化機的結構由1 個帶有夾套的圓筒形空心殼體和殼體內的空心螺旋狀轉子組成，筒體兩端裝有法蘭型端蓋，轉子驅動端裝有電機和減速機以驅動轉子以一定的轉速旋轉，筒體的夾套及轉子內均通有如飽和蒸汽的熱媒。一段薄層干化污泥被輸送進線性干化機后，污泥在轉子的旋轉輸送下，通過筒體內壁和轉子外壁與熱媒間接換熱，進而實現二段深度干化。薄層干化機［4］和線性干化機［5］結構如圖2 所示。

圖2 薄層干化機和線性干化機結構示意Figure 2 Structure schematic of thin film dryer and linear dryer

薄層干化機的水分蒸發效率高，在滿足低干出泥的工況下，其內壁單位面積水分蒸發效率可達35 kg/（m2·h）。同時，一段產泥（30%～40% 含水率）已跨越了污泥塑性階段，污泥中容易蒸發的表面吸附水、間隙水及部分結合水已被蒸出，為二段深度干化創造了有利條件。二段線性干化機有高熱容、低線速度、長停留時間的特點，可將未被蒸發出的結合水有效地蒸發出來，從而實現高干出泥（低至10%含水率）。

2.3 設計參數

污泥干化車間的占地面積約為4 145.75 m2。車間外南側設置有5 臺容積400 m3的碳鋼脫水污泥儲存倉，倉體直徑6 m，倉體高14 m。倉頂設有CH4檢測分析儀和料位計，倉內設有液壓驅動滑架。倉底共設有10 臺卸料螺旋（流量10 m3/h）和10 臺濕污泥進料螺桿泵（流量10 m3/h），每條干化線分別對應1 臺。薄層干化機選用德國進口的NDS-15000 型薄層干化機，該薄層干化機筒體直徑2.8 m，長度達21 m，電機功率500 kW（6 kV/50 Hz）。線性干化機選用德國進口的LD-3800 型線性干化機，機身直徑1.2 m，機身長度11.4 m，電機采用功率37 kW、380 V/17～75 Hz 的變頻電機。薄層干化機設有6 個加熱蒸汽入口和6 個蒸汽凝液排放口。線性干化機設有3 個加熱蒸汽入口、3 個蒸汽凝液排放口、1 個轉子加熱蒸汽入口和1 個轉子蒸汽凝液排放口。兩設備均設有惰性化介質入口，惰性化介質分別是蒸汽和水。相應項目設備布置三維模型如圖3 所示。

圖3 項目設備布置三維模型Figure 3 Project 3D model of equipment layout

一段薄層干化機的進泥含水率為78%～82%，出泥含水率為35%～45%，二段線性干化機的出泥含水率為20%～33%。二段產出的干泥溫度約為95 ℃，經過處理量為10 m3/h 的冷卻螺旋冷卻降溫至45 ℃，并由刮板輸送機輸送至容積為40 m3的干污泥料倉中暫存。干污泥料倉共計10 臺，每條干化線對應有1 臺。干污泥料倉的直徑為4 m，倉體高5 m，倉頂設有CO 分析儀、除塵器以及惰性化保護用的氮氣入口，倉底設有卸料伸縮節及卸料吸塵裝置。干倉外壁設有保溫盤管和保溫層，可實現冬季倉內干泥不凍結。

干化所需的蒸汽由該片區發電廠通過蒸汽管網輸送而來，最大可供蒸汽量為94 t/h，經過減溫減壓后滿足1.0 MPa、180 ℃的熱媒工況要求。蒸汽凝液經過凝液收集罐收集后回收利用?！氨?線性”干化產生的蒸發廢氣經過噴淋洗滌降溫后，最終排至廢氣處理系統進行處理。具體設備運行照片見圖4。

圖4 設備運行照片Figure 4 Equipment operation pictures

3 測試指標與分析方法

本工程分析和考核項目運行情況的主要指標有出泥含固率、額定處理量、最大處理量，而輔助指標有干化機總蒸發能力以及單條干化線的蒸發能力。污泥處理量、進泥及出泥含水率、干化機水分蒸發量的具體計量方法如表2 所示。

表2 測試指標與計量方法Table 2 Test index and measurement method

4 運行效果分析

4.1 項目調試和運行情況

該污泥處理處置擴建工程于2020 年8 月15日開始性能考核，先進行2 條線的168 h 性能驗收，再進行其余8 條線的168 h 性能驗收。此項目的性能驗收總體順利，全部10 條線已于2020 年8月30 日通過考核。該工程至今已順利運行2 a 多，污泥處理量及各項運行指標均達標。實際運行指標見表3。

表3 實際運行指標Table 3 Operational index

與此同時，本項目廠界噪聲測定值滿足GB 12348—2008 工業企業廠界環境噪聲排放標準限值，廠房周圍室外噪聲≤75 dB（A），廠房內設備1 m 處噪聲≤85 dB（A），均滿足項目關于主要噪聲源的噪聲測定值要求。

4.2 污泥處理效果

取樣的一段干泥和二段干泥見圖5，可見干泥呈暗灰色，出泥顆粒度均勻。由于二段干泥比一段干泥的含水率低約5～10 個百分點，污泥顆粒內部包裹的水分更少，因而從顆粒形態上看，二段干泥比一段干泥的顆粒度更為細小均勻。在熱量消耗上，以單條線160.27 t/d（80% 含水率）來計算，一段干化出泥含水率30% 需要消耗蒸汽熱量3 660 kW，二段出泥含水率20% 需要消耗蒸汽熱量168 kW，因而從熱量消耗上比較，一段占比95.6%，二段占比4.4%。依據該項目的污泥泥質分析數據可知，污泥平均干基低位熱值為11.21 MJ/kg。含水率20%～30%的二段干泥收到基低位熱值約為6.96～8.31 MJ/kg，已比較接近褐煤的低位熱值8.38～16.76 MJ/kg，適合燃煤摻燒。

圖5 干泥取樣圖片Figure 5 Sampling picture of dry sludge

5 經濟分析

自該污泥處理處置擴建工程項目運行以來，各項生產能耗均低于設計值，具體能耗分析見表4。通過分析對比可知，此項目的電耗和能耗均小于設計值，其中電耗是設計值的46%，熱耗是設計值的90%。對比《城鎮污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南》中提供的污泥干化電耗、熱耗，可知此二段法污泥干化工藝的能耗相對較低。

表4 項目能耗分析Table 4 Project energy consumption analysis

通過表4 也可知，如果進行相同含水率的高干出泥，二段法在電耗和熱耗上也稍低于采用一段法薄層干化，說明二段法用于高干出泥時在能耗上稍有優勢。這也體現了線性干化機對污泥在一段干化后再進行深度干化的設備結構原理上的優勢。

6 存在問題與展望

由于前端的第一和第二污水處理廠采用了A2/O生物反應池+平流沉淀池的生物處理工藝，重力濃縮后排出的活性污泥黏度相對較高，以含水率96.5%的污泥計，黏度達117.3 cP。而采用A/O 或氧化溝工藝產生的污泥經重力濃縮至相近含水率條件下，黏度在60～105 cP。實際運行中，進干化前的脫水污泥黏性也相對較高，這主要體現在主設備電機的運行電流較高，這在一定程度上增加了污泥干化產線的設備運行負荷。經過對局部裝置內部部件微調，污泥黏性較大對系統運行的影響已得到消除。

最終干泥通過密閉卡車運至該片區第二電廠或第三電廠燃煤摻燒，實現了徹底的減量化和無害化。同時干泥的熱值也獲得了利用，產蒸汽用于電廠發電，實現了污泥的資源化利用。該項目的成功運行也為市政污泥的減量化、無害化并穩步推進污泥資源化利用提供了一條可行的技術路徑。

7 結論

1）“薄層-線性”二段法污泥干化工藝既發揮了薄層干化機高蒸發效率的特點，也利用了線性干化機的高熱容、長停留時間、中空轉子外壁和定子內壁均是干燥換熱面、單位面積水分蒸發效率更高、設備體積更小、設備投資更少的特點，可有效脫除污泥中的部分結合水，實現高干出泥。

2）某大型污泥處理處置擴建工程是采用此二段法工藝的典型市政污泥處理處置工程，折合含水率80%的污泥量為1 442.5 t/d，一段出泥含水率35%～45%，二段出泥含水率為20%～33%，電耗和能耗均低于設計值，其余各項指標均達標。

3）某大型污泥處理處置擴建工程的干泥被運至就近的燃煤電廠進行協同焚燒，實現干泥熱值的充分利用。該工程的成功實踐也表明該二段法干化工藝可應用于我國大型市政污泥的處理處置。