螺旋式污泥间接热干化技术的研究

陶建华，陈 彬，卢永焰，张剑辉，黄志富

（广州大学机械与电气工程学院，广州 510006）

螺旋式污泥间接热干化技术的研究

陶建华，陈 彬，卢永焰，张剑辉，黄志富

（广州大学机械与电气工程学院，广州 510006）

基于对国内污泥处理现状的调研，分析了因污泥未得到有效处理而引起的危害，以及国际污泥干化设备发展现状与我国国内污泥干化处理行业的发展现状；介绍了螺旋式间接热干化技术的原理；提出了干化效率便于调节、干化效率高、对环境无污染、便于维护的螺旋式污泥间接热干化设备的设计思路。

螺旋式；污泥处理；热干化技术

世界水环境组织将污水污泥称为“生物固体”，目的在于展现污水污泥所具有的利用价值。美国EPA（环境保护署）将污泥定义为：污水处理过程中所产生的固体、半固体或液体残留物[2]。在我国，到目前为止，学术界对污泥还没有统一的命名，造成很多概念不清。如对处理、处置概念的混乱，导致了污泥处理、污泥处置的目标不明确，进而影响到污泥处理管理、处理技术路线的选取和技术标准的制定，影响了污泥干化技术在我国的发展[1]。

根据有关统计，2012年我国污泥产量高达2600万吨，其中80%的污泥没有得到有效的处理。污泥产量的剧增与污泥处理能力的严重不足、工艺技术严重落后形成了巨大的矛盾。因此污泥处理问题越来越得到社会各界的关注，成为我国必须高度重视的城市环境问题。目前，我国城市污泥处理的方法中，污泥农用约占44.3%，填埋约占31%，其它方法占24.7%[7、8]。

在污泥农用过程中，如果污泥只是经过简单处理就直接用于农作物的肥料，污泥中的病原微生物和重金属等有害物质得不到根本的清除，很容易通过食物链进入

人体，有损人体健康。污泥填埋没有从根本上解决问题，高含水率的污泥占用了大量的填埋空间，而且污泥在降解过程中会产生大量的有害气体，污泥中的有害物质，很容易造成地下水污染。从物质循环的角度上看，污泥填埋只是在一定程度上减缓了污染的过程[8]。近年来，污泥处理产业得到一定的发展，污泥处理方式朝着多样化、无害化的方向发展，但污泥再利用最大的技术瓶颈是污泥干化，如何降低污泥干化过程中的能耗问题是最关键的因素。因此，设计出一套完整的符合我国国情与发展需要的污泥干化设备，必将对我国污水污泥业发展、资源再利用产生深远的影响。

1 污泥干化设备发展现状

污泥干化技术主要有重力浓缩、机械脱水、热干化技术和生物干化技术等几种方法。目前国内外多采用热干化技术。热干化技术是采用热介质与污泥进行热传导，蒸发污泥中的水分达到干化的效果[3]。20世纪90年代以来，利用热干化技术对城市污泥进行处理得到了迅速发展[7]。其特点主要是[6-8、10]：污泥体积明显减小，可减少1/5～1/3；形成颗粒状或粉状等稳定性产物，污泥性能得到较大改善；产物无刺激性气味且无病原体，降低了污泥的负面效应，使处理后的污泥更易被二次处

理。根据介质和污泥的接触方式可将热干化技术分为三大类：直接干化法、间接干化法和直接 - 间接联合干化法（如图1所示）。热干化处理后的污泥含水率甚至可低于10%，干化率高，干化后的污泥可作为建材公司做水泥或砖瓦的原材料，将污泥中的重金属及各种病原体砖封，可将环境污染降至最低，且对人无害[3]。

图1 国内外主要的污泥热干化技术

目前，我国的污泥干化技术应用还处于起步阶段，国内还没有能提供完整污泥干化解决方案的制造商。污泥干化设备主要靠引进国外技术，而污泥干化设备引进和后期维修维护的费用高，核心技术受制于人，且引进的国外干化设备多以集中干化的大型干化项目为主[79]。而随着我国城镇化建设的推进，污泥干化的形式一定是集中和分散并存。因此对于国内不断增强的污泥干化处理需求，单单采取引进设备的技术路线显然是不可取的。

对于小规模的污泥干化项目，国内有些设备制造商采用传统的干燥设备用于污泥干化，比如桨叶式干燥机、转盘式干燥机、带式干燥机等[6]。由于污泥特殊的物料特性，这些干燥设备在干化效果上都不能完全满足污泥干化的要求。因此，根据我国污泥干化行业的需求，设计一种干化效率高，处理方式灵活的污泥干化设备具有十分重要的意义。

2 螺旋式污泥干化设备的工作原理

本文介绍的螺旋式间接污泥干化设备主要是以螺旋轴为主要干化设备，采取螺旋轴加热污泥的方法，使得热量能够与污泥之间有良好的热传递效果，同时，螺旋轴的旋转除了可以运输污泥，还具有搅拌污泥的作用，有利于污泥的干化。螺旋式污泥干化设备的工作主要分为污泥预热阶段、干化阶段两个过程。预热阶段主要是污泥温度慢慢升高的过程，此阶段并不产生过多的水蒸汽，而是为下一阶段污泥做好准备，该阶段主要是在温度相对于干化设备主体温度较低的温度下进行。第二阶段为污泥干化阶段，这一阶段主要是在螺旋式污泥干化设备主箱体中进行，通过对污泥的高温加热与搅拌，使污泥快速干化。

污泥干化的具体过程为：污泥收集设备主要负责收集污泥，保证污泥输送设备中始终有足够的污泥运输；污泥输送设备主要是运送污泥，在运送过程中，保证污泥运输量不变；预热设备主要是使污泥在正式加热干燥前，具备合适的温度；干化主箱体是污泥干化的中心，在这里，污泥干化达到合适的含水率后排出；介质加热设备主要是对热传输介质加热，废气处理设备主要是收集干化主箱体内产生的有害气体，不会对环境产生二次污染，其各部分的关系如图2所示。

图2 螺旋式污泥干化设备主要组成部分

工厂根据需要，可调节螺旋式污泥干化设备中螺旋轴的旋转速度，同时可根据污泥的处理量，在总占地面积不变的情况下，调节污泥干化箱体的数量与布置方式，以满足生产过程中的具体要求。

3 螺旋式污泥间接热干化设备设计

3.1 实现主要功能

（1）污泥输送连续稳定

污水处理厂产生的污泥含水量在80%以上，污泥有黏臭特性，比较容易结块、黏连[11]，如果采取普通的带式输送，污泥输送量的稳定性将难以保证，因此，应选取输送相对稳定的螺旋输送与带式输送相配合的输送方式。

（2）设备布置可根据具体的干化需要设计

整套设备采取的是参数化设计方法，同时污泥干化设备可根据具体的干化要求确定具体的安装布置方式及干化主箱体的数量，合理实现资源的利用。

（3）设备便于控制

整套设备电机控制采取了自动控制和手动控制两种控制方法，可对设备内的每一台电机进行单独调速，以满足实际运输的需要。

（4）污泥干化过程中便于监控

在设备内，不同位置安装了测试污泥含水量与设备运行状况的传感器，对整套设备进行检测，当出现问题时，会进行自动保护，避免了对整套设备造成损害。

3.2 主要设计思路

（1）热交换模型的建立

螺旋式污泥间接热干化设备设计过程中，热交换模型的建立是整套设备的中心，为使产热介质的热量能最大限度地传递给污泥，对污泥进行干化是最重要的问题。如图3所示，螺旋式间接污泥干化设备主要是利用螺旋轴内部热油的流入与流出，实现螺旋轴的加热，螺旋轴在设备干化主箱体中与污泥充分接触，将热量传递给污泥，同时，螺旋轴的搅拌作用加快污泥水分蒸发，促进污泥干化。

图3 热交换模型螺旋轴示意图

热交换介质通过进入螺旋轴，将热量最大限度地传递给污泥，同时，由于从轴内回流的热油仍具有很高的温度，为了更好地利用热量，可将回流的热油直接流入设备干化主箱体的油腔内，提高整个箱体的温度，为污泥干化阶段提供高温环境。在污泥干化的过程中，设备中将会产生大量高温蒸汽，为避免能量浪费，在蒸汽进入废气处理装置前，利用废气为即将进入干化主箱体的污泥进行预热，这样可合理利用资源。其主要能量流动方式如图4所示。

（2）污泥运输方法的选择

污泥的输送方式可采用带式输送或螺旋输送的形式。带式输送相对设计简单，输送平稳，但因污泥的特性，如果单独采用带式输送，难以保证稳定的污泥输送量。在这个问题上，螺旋输送可起到很好的补充。螺旋输送相对于带式输送，最大的优点在于单位时间内的输送量保持稳定。因此，在选取输送方式时，可采用带式输送方式与螺旋式输送方式相结合的输送方法。为方便加工制造，在设计输送方式各部分的连接时，采取相同的连接方法，可大大缩短加工时间。

污泥预热设备实际上也是污泥输送设备的一部分，但由于污泥预热设备除了输送污泥外，还要提前预热污泥，为污泥干化阶段做好准备，因此污泥预热设备内部的输送部分与前面的螺旋输送设计相同，主要是在该部分外添加了高温废气流动层，其具体布置情况如图5所示。

图4 螺旋式污泥间接热干化设备能量流动方式

图5 螺旋式间接污泥热干化设备布置图

（3）控制方案介绍

螺旋式间接污泥热干化设备在布置时采取智能自动控制计算的控制方法，主要是根据内部放置的传感器，自动检测污泥含水量，根据最终的含水量要求，计算机自动计算出主箱体内中心轴的运转速度及主箱体内单位时间内的进泥量。电机的联合控制将会更加准确的达到客户最终的要求。同时，为了方便使用，设备还可以进行人工控制，即每一台设备的电机都可以人为设定转速。

4 结语

目前，我国的污水处理行业已步入正轨，但污泥处理仍处于起步阶段。由于污泥得不到妥善处理造成的环

境污染及资源浪费等问题，已越来越得到社会的重视。国家《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》规定：“污水处理费应包括污泥处理处置运营成本；通过污水处理费、财政补贴等途径落实污泥处理处置费用，确保污泥处理处置设施正常稳定运行”[5]。本文针对我国污泥处理现状，调查分析了我国污泥处理处置的需求，根据我国市场需求，研究了现存的污泥干化模型，找到了污泥干化的新路径，并详细介绍了螺旋式污泥间接热干化设备的工作原理，以及该设备物料运输稳定、设备布置灵活、便于控制和设备运转过程中全程监控等优点；描述了该设备的设计流程。螺旋式污泥间接热干化设备的研究与发展，必将推动我国污泥处理处置行业的发展。

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[5]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国环境保护部，中华人民共和国科学技术部. 《关于印发城镇污水处理厂污泥处置及污染防治技术政策（试行）》的通知（建城[2009]23号）[Z].2010.

[6]李家祥，贺阳，范跃华.4种污泥干化技术及设备的比较与展望[J].中国市政工程，2013（2）：80-84.

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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

支持项目：广州市属高校科技计划项目：螺旋推进式污泥干化技术及 设备研究，项目编号：1201420880。