陶建華，陳 彬，盧永焰，張劍輝，黃志富

（廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

螺旋式污泥間接熱干化技術(shù)的研究

陶建華，陳 彬，盧永焰，張劍輝，黃志富

（廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

基于對國內(nèi)污泥處理現(xiàn)狀的調(diào)研，分析了因污泥未得到有效處理而引起的危害，以及國際污泥干化設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀與我國國內(nèi)污泥干化處理行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；介紹了螺旋式間接熱干化技術(shù)的原理；提出了干化效率便于調(diào)節(jié)、干化效率高、對環(huán)境無污染、便于維護的螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備的設(shè)計思路。

螺旋式；污泥處理；熱干化技術(shù)

世界水環(huán)境組織將污水污泥稱為“生物固體”，目的在于展現(xiàn)污水污泥所具有的利用價值。美國EPA（環(huán)境保護署）將污泥定義為：污水處理過程中所產(chǎn)生的固體、半固體或液體殘留物[2]。在我國，到目前為止，學(xué)術(shù)界對污泥還沒有統(tǒng)一的命名，造成很多概念不清。如對處理、處置概念的混亂，導(dǎo)致了污泥處理、污泥處置的目標不明確，進而影響到污泥處理管理、處理技術(shù)路線的選取和技術(shù)標準的制定，影響了污泥干化技術(shù)在我國的發(fā)展[1]。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，2012年我國污泥產(chǎn)量高達2600萬噸，其中80%的污泥沒有得到有效的處理。污泥產(chǎn)量的劇增與污泥處理能力的嚴重不足、工藝技術(shù)嚴重落后形成了巨大的矛盾。因此污泥處理問題越來越得到社會各界的關(guān)注，成為我國必須高度重視的城市環(huán)境問題。目前，我國城市污泥處理的方法中，污泥農(nóng)用約占44.3%，填埋約占31%，其它方法占24.7%[7、8]。

在污泥農(nóng)用過程中，如果污泥只是經(jīng)過簡單處理就直接用于農(nóng)作物的肥料，污泥中的病原微生物和重金屬等有害物質(zhì)得不到根本的清除，很容易通過食物鏈進入

人體，有損人體健康。污泥填埋沒有從根本上解決問題，高含水率的污泥占用了大量的填埋空間，而且污泥在降解過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體，污泥中的有害物質(zhì)，很容易造成地下水污染。從物質(zhì)循環(huán)的角度上看，污泥填埋只是在一定程度上減緩了污染的過程[8]。近年來，污泥處理產(chǎn)業(yè)得到一定的發(fā)展，污泥處理方式朝著多樣化、無害化的方向發(fā)展，但污泥再利用最大的技術(shù)瓶頸是污泥干化，如何降低污泥干化過程中的能耗問題是最關(guān)鍵的因素。因此，設(shè)計出一套完整的符合我國國情與發(fā)展需要的污泥干化設(shè)備，必將對我國污水污泥業(yè)發(fā)展、資源再利用產(chǎn)生深遠的影響。

1 污泥干化設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

污泥干化技術(shù)主要有重力濃縮、機械脫水、熱干化技術(shù)和生物干化技術(shù)等幾種方法。目前國內(nèi)外多采用熱干化技術(shù)。熱干化技術(shù)是采用熱介質(zhì)與污泥進行熱傳導(dǎo)，蒸發(fā)污泥中的水分達到干化的效果[3]。20世紀90年代以來，利用熱干化技術(shù)對城市污泥進行處理得到了迅速發(fā)展[7]。其特點主要是[6-8、10]：污泥體積明顯減小，可減少1/5～1/3；形成顆粒狀或粉狀等穩(wěn)定性產(chǎn)物，污泥性能得到較大改善；產(chǎn)物無刺激性氣味且無病原體，降低了污泥的負面效應(yīng)，使處理后的污泥更易被二次處

理。根據(jù)介質(zhì)和污泥的接觸方式可將熱干化技術(shù)分為三大類：直接干化法、間接干化法和直接 - 間接聯(lián)合干化法（如圖1所示）。熱干化處理后的污泥含水率甚至可低于10%，干化率高，干化后的污泥可作為建材公司做水泥或磚瓦的原材料，將污泥中的重金屬及各種病原體磚封，可將環(huán)境污染降至最低，且對人無害[3]。

圖1 國內(nèi)外主要的污泥熱干化技術(shù)

目前，我國的污泥干化技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，國內(nèi)還沒有能提供完整污泥干化解決方案的制造商。污泥干化設(shè)備主要靠引進國外技術(shù)，而污泥干化設(shè)備引進和后期維修維護的費用高，核心技術(shù)受制于人，且引進的國外干化設(shè)備多以集中干化的大型干化項目為主[79]。而隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，污泥干化的形式一定是集中和分散并存。因此對于國內(nèi)不斷增強的污泥干化處理需求，單單采取引進設(shè)備的技術(shù)路線顯然是不可取的。

對于小規(guī)模的污泥干化項目，國內(nèi)有些設(shè)備制造商采用傳統(tǒng)的干燥設(shè)備用于污泥干化，比如槳葉式干燥機、轉(zhuǎn)盤式干燥機、帶式干燥機等[6]。由于污泥特殊的物料特性，這些干燥設(shè)備在干化效果上都不能完全滿足污泥干化的要求。因此，根據(jù)我國污泥干化行業(yè)的需求，設(shè)計一種干化效率高，處理方式靈活的污泥干化設(shè)備具有十分重要的意義。

2 螺旋式污泥干化設(shè)備的工作原理

本文介紹的螺旋式間接污泥干化設(shè)備主要是以螺旋軸為主要干化設(shè)備，采取螺旋軸加熱污泥的方法，使得熱量能夠與污泥之間有良好的熱傳遞效果，同時，螺旋軸的旋轉(zhuǎn)除了可以運輸污泥，還具有攪拌污泥的作用，有利于污泥的干化。螺旋式污泥干化設(shè)備的工作主要分為污泥預(yù)熱階段、干化階段兩個過程。預(yù)熱階段主要是污泥溫度慢慢升高的過程，此階段并不產(chǎn)生過多的水蒸汽，而是為下一階段污泥做好準備，該階段主要是在溫度相對于干化設(shè)備主體溫度較低的溫度下進行。第二階段為污泥干化階段，這一階段主要是在螺旋式污泥干化設(shè)備主箱體中進行，通過對污泥的高溫加熱與攪拌，使污泥快速干化。

污泥干化的具體過程為：污泥收集設(shè)備主要負責(zé)收集污泥，保證污泥輸送設(shè)備中始終有足夠的污泥運輸；污泥輸送設(shè)備主要是運送污泥，在運送過程中，保證污泥運輸量不變；預(yù)熱設(shè)備主要是使污泥在正式加熱干燥前，具備合適的溫度；干化主箱體是污泥干化的中心，在這里，污泥干化達到合適的含水率后排出；介質(zhì)加熱設(shè)備主要是對熱傳輸介質(zhì)加熱，廢氣處理設(shè)備主要是收集干化主箱體內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，其各部分的關(guān)系如圖2所示。

圖2 螺旋式污泥干化設(shè)備主要組成部分

工廠根據(jù)需要，可調(diào)節(jié)螺旋式污泥干化設(shè)備中螺旋軸的旋轉(zhuǎn)速度，同時可根據(jù)污泥的處理量，在總占地面積不變的情況下，調(diào)節(jié)污泥干化箱體的數(shù)量與布置方式，以滿足生產(chǎn)過程中的具體要求。

3 螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備設(shè)計

3.1 實現(xiàn)主要功能

（1）污泥輸送連續(xù)穩(wěn)定

污水處理廠產(chǎn)生的污泥含水量在80%以上，污泥有黏臭特性，比較容易結(jié)塊、黏連[11]，如果采取普通的帶式輸送，污泥輸送量的穩(wěn)定性將難以保證，因此，應(yīng)選取輸送相對穩(wěn)定的螺旋輸送與帶式輸送相配合的輸送方式。

（2）設(shè)備布置可根據(jù)具體的干化需要設(shè)計

整套設(shè)備采取的是參數(shù)化設(shè)計方法，同時污泥干化設(shè)備可根據(jù)具體的干化要求確定具體的安裝布置方式及干化主箱體的數(shù)量，合理實現(xiàn)資源的利用。

（3）設(shè)備便于控制

整套設(shè)備電機控制采取了自動控制和手動控制兩種控制方法，可對設(shè)備內(nèi)的每一臺電機進行單獨調(diào)速，以滿足實際運輸?shù)男枰?/p>

（4）污泥干化過程中便于監(jiān)控

在設(shè)備內(nèi)，不同位置安裝了測試污泥含水量與設(shè)備運行狀況的傳感器，對整套設(shè)備進行檢測，當(dāng)出現(xiàn)問題時，會進行自動保護，避免了對整套設(shè)備造成損害。

3.2 主要設(shè)計思路

（1）熱交換模型的建立

螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備設(shè)計過程中，熱交換模型的建立是整套設(shè)備的中心，為使產(chǎn)熱介質(zhì)的熱量能最大限度地傳遞給污泥，對污泥進行干化是最重要的問題。如圖3所示，螺旋式間接污泥干化設(shè)備主要是利用螺旋軸內(nèi)部熱油的流入與流出，實現(xiàn)螺旋軸的加熱，螺旋軸在設(shè)備干化主箱體中與污泥充分接觸，將熱量傳遞給污泥，同時，螺旋軸的攪拌作用加快污泥水分蒸發(fā)，促進污泥干化。

圖3 熱交換模型螺旋軸示意圖

熱交換介質(zhì)通過進入螺旋軸，將熱量最大限度地傳遞給污泥，同時，由于從軸內(nèi)回流的熱油仍具有很高的溫度，為了更好地利用熱量，可將回流的熱油直接流入設(shè)備干化主箱體的油腔內(nèi)，提高整個箱體的溫度，為污泥干化階段提供高溫環(huán)境。在污泥干化的過程中，設(shè)備中將會產(chǎn)生大量高溫蒸汽，為避免能量浪費，在蒸汽進入廢氣處理裝置前，利用廢氣為即將進入干化主箱體的污泥進行預(yù)熱，這樣可合理利用資源。其主要能量流動方式如圖4所示。

（2）污泥運輸方法的選擇

污泥的輸送方式可采用帶式輸送或螺旋輸送的形式。帶式輸送相對設(shè)計簡單，輸送平穩(wěn)，但因污泥的特性，如果單獨采用帶式輸送，難以保證穩(wěn)定的污泥輸送量。在這個問題上，螺旋輸送可起到很好的補充。螺旋輸送相對于帶式輸送，最大的優(yōu)點在于單位時間內(nèi)的輸送量保持穩(wěn)定。因此，在選取輸送方式時，可采用帶式輸送方式與螺旋式輸送方式相結(jié)合的輸送方法。為方便加工制造，在設(shè)計輸送方式各部分的連接時，采取相同的連接方法，可大大縮短加工時間。

污泥預(yù)熱設(shè)備實際上也是污泥輸送設(shè)備的一部分，但由于污泥預(yù)熱設(shè)備除了輸送污泥外，還要提前預(yù)熱污泥，為污泥干化階段做好準備，因此污泥預(yù)熱設(shè)備內(nèi)部的輸送部分與前面的螺旋輸送設(shè)計相同，主要是在該部分外添加了高溫廢氣流動層，其具體布置情況如圖5所示。

圖4 螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備能量流動方式

圖5 螺旋式間接污泥熱干化設(shè)備布置圖

（3）控制方案介紹

螺旋式間接污泥熱干化設(shè)備在布置時采取智能自動控制計算的控制方法，主要是根據(jù)內(nèi)部放置的傳感器，自動檢測污泥含水量，根據(jù)最終的含水量要求，計算機自動計算出主箱體內(nèi)中心軸的運轉(zhuǎn)速度及主箱體內(nèi)單位時間內(nèi)的進泥量。電機的聯(lián)合控制將會更加準確的達到客戶最終的要求。同時，為了方便使用，設(shè)備還可以進行人工控制，即每一臺設(shè)備的電機都可以人為設(shè)定轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

目前，我國的污水處理行業(yè)已步入正軌，但污泥處理仍處于起步階段。由于污泥得不到妥善處理造成的環(huán)

境污染及資源浪費等問題，已越來越得到社會的重視。國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策》規(guī)定：“污水處理費應(yīng)包括污泥處理處置運營成本；通過污水處理費、財政補貼等途徑落實污泥處理處置費用，確保污泥處理處置設(shè)施正常穩(wěn)定運行”[5]。本文針對我國污泥處理現(xiàn)狀，調(diào)查分析了我國污泥處理處置的需求，根據(jù)我國市場需求，研究了現(xiàn)存的污泥干化模型，找到了污泥干化的新路徑，并詳細介紹了螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備的工作原理，以及該設(shè)備物料運輸穩(wěn)定、設(shè)備布置靈活、便于控制和設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中全程監(jiān)控等優(yōu)點；描述了該設(shè)備的設(shè)計流程。螺旋式污泥間接熱干化設(shè)備的研究與發(fā)展，必將推動我國污泥處理處置行業(yè)的發(fā)展。

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Study on Sludge Indirect Heat and Dewatered Technology with Screw Type

TAO Jian-hua, CHEN-Bin, LU Yong-yan, ZHANG Jian-hui, HUANG Zhi-fu
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Based on the investigation of sludge treatment status in our country, the paper analyzes the harm caused by the sludge that is not well treated. The paper presents the development status of sludge dewatered equipment in the world and the development status of sludge dewatered treatment industry in China; presents the principle of indirect heat and dewatered technology with screw type; puts forward the dewatered efficiency that is easy for adjustment and high dewatered efficiency, non pollution on environment and puts forward the designing thought for maintaining sludge indirect heat and dewatered equipment with screw type.

screw type; sludge treatment; heat and dewatered technology

X703

A

1006-5377（2015）08-0044-04

支持項目：廣州市屬高?？萍加媱濏椖浚郝菪七M式污泥干化技術(shù)及 設(shè)備研究，項目編號：1201420880。