污泥深度脫水及低溫除濕污泥干化新技術的應用

來源: 德州廣源環保科技有限公司 發布時間: 2020-1-2 14:15:05

摘要:本文對市政污水處理廠幾種常見的污泥深度脫水技術進行了總結,對污泥調理、高壓機械脫水、熱干化、低溫真空干化等工藝進行了 詳細的對比和分析,并重點介紹了低溫除濕技術在污泥深度脫水領域的工藝應用。

關鍵詞:污泥;低溫除濕;深度脫水;干化
0引言
污泥是污水處理過程中必然產生的最大副產物,其中富集了污水中的有機物、鹽和大量的磷、氮等物質以及病毒性微生物、寄生蟲卵、重金 屬等有毒有害物質,具有較大的環境危害。隨著我國城市污水處理率逐步提高和新的污水處理廠數量不斷增加,污水處理廠污泥的產量急劇 增加。截至2016年9月,全國共有污水處理廠3976座,污泥年產量超過3×107噸,成為全球最大的污泥產生國。另一方面,我國污泥處理起 步較晚,早期的污水處理廠建設存在嚴重的“重水輕泥”現象,污泥處理處置單元不完善,導致大量污泥“積壓”,未得到合理安全的處理 處置[1]。
我國大多污水廠早前建設的污泥處理方式仍以濃縮后再進行壓濾脫水或離心脫水為主,相當一部分污水廠甚至沒有濃縮或脫水設施。前期調 查表明,污水處理廠出廠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。污水處理廠不僅在污泥脫水工藝技術方面落后, 更嚴重的是脫水后的污泥隨意傾倒,造成土地資源的浪費和嚴重的環境污染。
近年來,我國政府非常重視污泥的處理處置工作,相繼頒布了一系列條例和辦法,力圖在政策和技術層面解決污泥的環境問題。我國《水污 染防治行動計劃》(國發[2015]17號)提出:現有污泥處理處置設施應于2017年底前基本完成達標改造,地級及以上城市污泥無害化處理處 置率應于2020年底前達到90%以上。污泥處理以減量化、穩定化、無害化和資源化為主要原則,目前主要有填埋、焚燒、土地利用、污泥農 用、能源化利用和綜合利用等處置方法。然而,無論填埋、焚燒、農業利用還是能源利用,污泥深度脫水減量化都是非常關鍵的第一步[2] 。采用污泥深度脫水技術不僅為后繼處置帶來方便,也能兼顧污泥處理處置過程的經濟和環境平衡,逐步在污泥處置領域得到了共同的認可 。
1污泥深度脫水技術現狀
污泥深度脫水是指通過物化調理、真空、加壓或干燥等技術,對含水率較高的污泥進行進一步脫水至含水率60%以下,甚至更低。通過使用 污泥深度脫水技術,不僅使得污泥總的數量和體積大大降低,同時極大減少后續處置資本投入和運輸管理費用,更重要的是使污泥后續處置 途徑更為廣泛。深度脫水后的污泥具有一定的熱值,可作為電廠低品位的燃料和水泥生產過程中的熟料,實現穩定、無害化處置和資源化利 用。即使進行填埋,也能大幅減少土地占用和環境污染[3]。
污泥深度脫水技術在國外起源較早,隨著環保政策的不斷嚴格和污泥處理處置領域技術進步,近幾年在國內逐步得到重視并有一定范圍的應 用。一般認為,污泥中的水分有自由間隙水、毛細水、吸附水和內部水四種結合形式。從經濟的角度出發,機械脫水是一種相對節能的方式 ,但機械脫水只能去除間隙水和毛細水,對后兩種形式的水去除效果差,所以一般需要預先對污泥進行調理。
1.1污泥調理
污泥調理是污泥深度脫水的關鍵步驟。污泥的預處理調理主要有化學調理、物理調理和生物調理方法。研究表明,可以通過添加絮凝藥劑提 高污泥的沉降性能,或添加骨架構建體以增強污泥的可壓縮性,從而促進污泥胞外聚合物中的水分釋放或使污泥中水分的形態得以轉化[4] 。化學調理是目前應用較為廣泛的污泥調理技術方法,其次是污泥熱水解等物理調理技術。污泥熱水解是在150-170℃,壓力低于1.25kPa工 作條件下,使污泥中部分微生物細胞受熱膨脹而破裂,釋放出蛋白質、礦物質以及細胞膜碎片的技術。由于細胞結合水被釋放,污泥的脫水 性能得到改善,同時避免投入難生物降解或有毒有害脫水劑對環境造成的二次污染,有利于后續污泥減量化和資源化利用[5,6]。
1.2高壓機械脫水
自動高壓隔膜壓濾機是一種間歇式污泥深度脫水設備,在城鎮污水處理領域已有多年的應用歷史,具有深度脫水效果好,適應性廣的特點, 能夠有效將濾餅內的間隙水分離出來,最終污泥含水率可以降到60%甚至50%左右。該設備采用機、電一體化設計制造,結構合理,操作簡單 ,能夠實 現無人操作自動運行,自主創新研發的聚丙烯高壓隔膜濾板壓榨壓力可達到4.0MPa[7]。目前市場上應用比較成熟的污泥 深度脫水設備還有彈簧鋼制濾板壓濾機、鋼帶式壓濾機和新型高壓壓濾脫水機等,設備零部件可以達到更高的工作操作壓力,脫水效果可以 得到進一步提升。高壓機械脫水設備能夠直接一步到位將高含水率的污泥(97%)脫水至50%以下,在低濃階段脫水效率高,能耗較低;但壓 榨時間長,不能連續出料,單臺設備處理能力不大,設備所需數量較多,且需添加一定量的石灰等調理劑,這即增加了成本,也違背了減量 化處理處置的初衷[8]。
1.3熱干化
污泥熱干化是指通過污泥與熱媒之間的傳熱作用,脫除污泥中水分的工藝過程,用于進一步降低常規機械脫水污泥的含水率。熱干化按溫度 分類有三種方式,即低溫干化(90℃以下)、中溫干化(90-180℃)和高溫干化(200℃以上)。根據熱量傳遞方式的不同,污泥干化設備 分為直接加熱和間接加熱兩種方式。目前,應用較多的干化設備包括流化床、帶式干化、槳葉式干化、臥式轉盤式干化、立式圓盤式干化和 噴霧干化等六種工藝設備。根據干化污泥含水率的不同,污泥干化類型還可分為全干化(含水率10%以下)和半干化(含水率在40%左右)兩 種類型[9]。近年來,污泥干化系統設備的國產化發展很快,但目前投產的多為大型化干化項目。由于其必須利用外加熱源的技術缺陷,決 定了熱干化的能耗難以降低,成本相對較高。且熱干化過程必須考慮污泥惡臭、揮發性有機物排放等污染治理設施,投資成本增加,占地面 積大。
1.4低溫真空脫水
污泥低溫真空脫水技術主要以板框壓濾機為主體設備,在此基礎上增加抽真空系統和加熱系統。通過真空系統將腔室內的氣壓降低,從而使 腔室內污泥中水的沸點降低,同時通過濾板對腔室內污泥進行加熱[10,11]。在加熱至50℃左右時,污泥中水分便沸騰汽化,水分得以從污 泥中分離處理。該技術集壓力脫水真空干化為一體,包括調理系統、壓濾系統、真空系統、加熱系統、冷凝系統、尾氣處理系統、控制系統 等,能達到傳統熱力干化脫水效果,同時省去了傳統熱力干化的占地面積,但存在一次性投資成本高、操作復雜、處理規模受限等缺點。
2污泥低溫除濕深度脫水新技術
2.1基本原理
在空調制冷領域,低溫除濕技術并不陌生。而利用低溫除濕熱泵技術對污泥進行深度干化,近年來已成為一項污泥深度脫水新技術,備受關 注。現有的低溫除濕污泥干化設備多為在帶式干化機的基礎上衍生而來,包括進料系統、傳輸系統、熱泵除濕系統、出料系統、控制系統等 ,一體化集成。其中,熱泵除濕系統作為最為核心的結構組件,決定了全系統的除濕和干化脫水效能。除濕熱泵組件主要由壓縮機、冷凝器 、節流閥、蒸發器等構成。低溫干化單元運行時,蒸發器中的工質吸取污泥低溫除濕倉內排出的濕熱空氣中的熱量,從低壓液態工質蒸發成 低溫低壓氣態工質,進而經壓縮機增壓成高溫高壓的氣態工質;在冷凝器中,高溫高壓的氣態工質放出熱量,加熱進入污泥低溫除濕倉內的 干空氣,而工質本身轉化成高溫高壓液態工質;進而通過節流閥,壓力和溫度降低,轉化成低壓低溫的液態工質,經再度進入蒸發器,吸收 濕熱氣體中的熱量。如此反復循環將低溫熱量輸送到高溫介質中去,形成循環熱泵系統。系統原理見下圖。

圖1 干化單元熱泵工作原理

1壓縮機2冷凝器3節流閥4蒸發器
2.2工藝特點
低溫除濕技術應用于污泥深度脫水領域,在節能性、適用性、安全性等方面具有以下工藝特點。
(1)節能性:現有研發的干化系統除濕性能比可大于3kg水/kw?h,相對傳統燃煤型污泥干化系統可節能40%以上;相對燃油燃氣型系統節 能更多。該系統若采用晚間低谷電供電,節能效果更加明顯;
(2)適用性:可滿足含水率從85%含水率的污泥一次性干燥成含水率10%的污泥顆粒,出泥含水率可調節;采用連續網帶干燥模式,不受污 泥黏糊區影響,適合各類型污泥干化(包括含砂量大的污泥)。設備緊湊,占地面積小,系統易損件少,易維護,使用壽命長;
(3)安全性:系統的輸出端主要為低溫干化后的污泥和低溫冷凝水,全系統在40-75℃范圍內全封閉運行,可有效抑制惡臭、揮發性氣體等 排放;無 尾氣排放,無需外加臭氣處理系統。
(4)可回收利用廠內的低品位熱源進行靈活改造,進一步降低能耗。
2.3應用案例分析
某中小型電鍍企業,生產過程中每天處理含水率80%污泥量為3噸/天,干化污泥至含水率15%后外運。
脫水量=3000×(1-(1-80%)/(1-15%))=2295kg/天,具體參數如下:


方案選擇采用污泥低溫除濕深度脫水新技術,定制了1臺廣東西屋康達生產的ZK007-DMT污泥低溫干化除濕熱泵一體機,配置輸送系統及落 料系統:
1)運行費用計算:
每度電除水量3.69kg/h,電費按1.0元/kWh;
每日運行費用=2295÷3.69×1.0=622元/天;
企業每年按300天運營計算,年運行費用=622×300=186600元/年;
2)節省費用計算:
工業污泥處理費用按1800元/噸;
脫水后污泥節省處理費用=2295÷1000×1800=4131元/天;
年節省處理費用=4131×300=1239300元/年;
3)實際收益計算:
經濟收益=1239300-186600=1052700元/年;
項目投資成本:初建投資成本按17萬/噸/天;
即投資成本=170000×3=510000元;
成本回收年限:510000÷1052700=0.48年;
4)現場效果明顯,除濕干化系統過程氧氣含量小于10%;粉塵濃度小于50g/cm3,污泥顆粒溫度小于60℃;除水檢測完全達到直接排放標準 。
3結論
我國環境保護部門給出了明確的規定:“污水處理廠儲存(即不處理處置)為目的將污泥運出廠界的,必須將污泥脫水至含水率50%以下” (《關于加強城鎮污水處理廠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將污泥運出廠界前,必須將污泥脫 水至含水率40%以下的要求,更是對污泥深度脫水提出了更高的挑戰。顯然,現有的常規污泥脫水工藝遠不能滿足污泥出廠含水率的要求, 加快提升現有污泥處理處置設施的效能成為污水處理部門亟需解決的一項課題。通過對目前行業應用中幾種典型的污泥深度脫水工藝進行 對比,筆者認為低溫除濕污泥深度脫水新技術,相比于現有工藝,呈現出運行費用低,操作簡單,設置靈活,適用性強,無需外加能源等 特點。當污泥處置單位遠離外接燃氣或蒸汽能源時,低溫工藝甚至可以發揮其獨特的優勢。

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