“薄层-线性”二段法污泥干化工艺及工程应用

康启宇

（西安市长安基础建设有限责任公司，陕西 西安 710100）

0 引言

污泥干化既可实现污泥减量化和无害化，又可为后续的污泥资源化利用创造重要前提，是目前污泥处置的重要技术之一［1］。薄层干化技术是污泥间接式热干化技术中的典型技术之一。从工程应用角度来说，目前大多数薄层污泥干化采用的是一段法工艺，即污泥经过一次干燥后即出泥并供后续处置，出泥含水率通常为30%～40%。干泥如需用于发电厂燃煤掺烧、生活垃圾协同焚烧或作为土壤改良剂、肥料，须高干出泥［2］。但一段式薄层干化在污泥含水率降至30% 以下时，脱除污泥结合水变得更难，薄层干化机的换热面积要相应增大很多，这也导致设备体积和相应的设备投资都要大幅增加。

对于高干出泥，“薄层-线性”二段法污泥干化工艺可突显其优势。该工艺经过一段薄层干化后，干泥再进行二段线性干化。线性干化机是一种采用单轴输送螺旋作为转子来输送污泥、采用转子内壁和定子夹套均通高温热媒的方式来实现污泥干化的间接式热干化机。由于转子采用的是单轴螺旋，通常仅用于将颗粒状的低干污泥进一步干化至高干污泥，是对一段干化的有利补充。线性干化机具有高热容、长停留时间、转子和定子内壁均为换热面等特点，因而高干段污泥的单位面积水分蒸发效率更高，且线性干化机的设备体积更小，设备投资更小。与此同时，引入的二段线性干化机其低线速度（＜1 m/s）可避免对颗粒污泥造成挤压、剪切，有效减少粉尘产生及设备机体磨损，适合我国污泥（特别是市政污泥）含砂量高的国情［3］。本研究结合我国某大型市政污泥处理处置项目的工程实例来进一步介绍该工艺。

1 工程背景概述

某大型污泥处理处置扩建工程的服务对象为我国某片区第一、第二污水处理厂提标改造至城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918—2002 一级A 出水标准产生的脱水污泥，以及新建升级补量工程建成后2.20×106m3/d 污水处理产生的脱水污泥。工程建设规模为223.0 t/d（以DS 计），折合含水率80%的污泥量为1 115.0 t/d，设施配置考虑一期工程焚烧线检修工况，工程高峰处理规模为288.5 t/d（以DS 计），折合含水率80% 的污泥量为1 442.5 t/d。进厂脱水污泥的含水率为78%～82%，脱水污泥干基高位热值为10.01～13.35 MJ/kg，平均干基低位热值为11.21 MJ/kg。由于前端污水厂的进水水质碳源充足且可生化性较好，核心工艺采用了A2/O 活性污泥法的生物处理工艺，因而前端污水系统排出的污泥热值较高。污泥泥质分析数据见表1。

表1 污泥泥质分析Table 1 Sludge quality analysis

该工程采用“脱水污泥干化+电厂掺烧”的污泥处理工艺，其中污泥干化采用“薄层-线性”二段法工艺。共设有10 条干化线（9 用1 备），单条干化线污泥处理量为160.27 t/d（80%含水率）。含水率78%～82%的脱水污泥由自卸式卡车运输至污泥处理厂，经污泥接收、储存系统后，脱水污泥泵送至污泥干化系统，经干化系统处理后，平均含水率降低至30%，产生的干污泥由密闭式卡车运输至该片区第二电厂或第三电厂与煤掺烧。整个系统的废气则抽至废气处理系统进行处理。

2 工艺流程与设计参数

2.1 “薄层-线性”二段法工艺流程

脱水湿污泥（80%～85% 含水率）由污泥接收仓接收并由污泥储存仓暂存。污泥储存仓底的进料螺杆泵将污泥定量输送进薄层干化机内，产出的一段干泥含水率约30%～40%。一段干泥通过溜槽落入线性干化机内进行二段干化，二段干泥含水率可达10%～30%。线性干化后的污泥温度约为95 ℃，先通过冷却螺旋进行降温冷却至45 ℃，再通过干泥输送设备输送至干泥料仓暂存并供后续处置。

一段薄层干化和二段线性干化的蒸发废气温度约为105 ℃，通过尾气风机抽至冷凝器进行喷淋洗涤降温。喷淋洗涤后的不凝气温度降至45 ℃，经除雾器除雾后再由尾气风机外排至臭气处理系统进行处理。污泥干化采用1.0 MPa （绝压）、180 ℃的饱和蒸汽作为热媒，一段干化和二段干化的蒸汽凝液则通过凝液收集装置收集并输送回锅炉系统的除氧器，作为除氧水供锅炉利用产蒸汽。如果污泥干化与焚烧系统协同处置污泥，凝液还可通过换热器与焚烧炉的一次风和二次风进行换热，以利用自身的部分余热，再回到除氧器供锅炉利用产蒸汽。“薄层-线性”二段法污泥干化工艺的流程如图1 所示。

图1 二段法污泥干化工艺流程Figure 1 Flow of two-stage sludge drying process

2.2 核心设备工作原理

薄层干化机的主要结构为1 个带有夹套的圆筒形空心壳体，筒体内设有长轴形的空心转子，转子上均布有不同角度的叶片。筒体内壁设有耐磨涂层，筒体两端配有法兰型端盖，转子驱动端装有电机和减速机以驱动转子以一定转速旋转，筒体夹套中通有如饱和蒸汽的热媒。污泥在被输送进干化机后，被转子及叶片均匀涂布在筒壁上，形成5～10 mm 厚度薄层，并通过筒壁与热媒进行间接换热。污泥中蒸发的水蒸气被尾气风机抽至设备外，污泥则在转子及叶片的推动下不断干化并形成颗粒状污泥，最终从出料口排出。

线性干化机的结构由1 个带有夹套的圆筒形空心壳体和壳体内的空心螺旋状转子组成，筒体两端装有法兰型端盖，转子驱动端装有电机和减速机以驱动转子以一定的转速旋转，筒体的夹套及转子内均通有如饱和蒸汽的热媒。一段薄层干化污泥被输送进线性干化机后，污泥在转子的旋转输送下，通过筒体内壁和转子外壁与热媒间接换热，进而实现二段深度干化。薄层干化机［4］和线性干化机［5］结构如图2 所示。

图2 薄层干化机和线性干化机结构示意Figure 2 Structure schematic of thin film dryer and linear dryer

薄层干化机的水分蒸发效率高，在满足低干出泥的工况下，其内壁单位面积水分蒸发效率可达35 kg/（m2·h）。同时，一段产泥（30%～40% 含水率）已跨越了污泥塑性阶段，污泥中容易蒸发的表面吸附水、间隙水及部分结合水已被蒸出，为二段深度干化创造了有利条件。二段线性干化机有高热容、低线速度、长停留时间的特点，可将未被蒸发出的结合水有效地蒸发出来，从而实现高干出泥（低至10%含水率）。

2.3 设计参数

污泥干化车间的占地面积约为4 145.75 m2。车间外南侧设置有5 台容积400 m3的碳钢脱水污泥储存仓，仓体直径6 m，仓体高14 m。仓顶设有CH4检测分析仪和料位计，仓内设有液压驱动滑架。仓底共设有10 台卸料螺旋（流量10 m3/h）和10 台湿污泥进料螺杆泵（流量10 m3/h），每条干化线分别对应1 台。薄层干化机选用德国进口的NDS-15000 型薄层干化机，该薄层干化机筒体直径2.8 m，长度达21 m，电机功率500 kW（6 kV/50 Hz）。线性干化机选用德国进口的LD-3800 型线性干化机，机身直径1.2 m，机身长度11.4 m，电机采用功率37 kW、380 V/17～75 Hz 的变频电机。薄层干化机设有6 个加热蒸汽入口和6 个蒸汽凝液排放口。线性干化机设有3 个加热蒸汽入口、3 个蒸汽凝液排放口、1 个转子加热蒸汽入口和1 个转子蒸汽凝液排放口。两设备均设有惰性化介质入口，惰性化介质分别是蒸汽和水。相应项目设备布置三维模型如图3 所示。

图3 项目设备布置三维模型Figure 3 Project 3D model of equipment layout

一段薄层干化机的进泥含水率为78%～82%，出泥含水率为35%～45%，二段线性干化机的出泥含水率为20%～33%。二段产出的干泥温度约为95 ℃，经过处理量为10 m3/h 的冷却螺旋冷却降温至45 ℃，并由刮板输送机输送至容积为40 m3的干污泥料仓中暂存。干污泥料仓共计10 台，每条干化线对应有1 台。干污泥料仓的直径为4 m，仓体高5 m，仓顶设有CO 分析仪、除尘器以及惰性化保护用的氮气入口，仓底设有卸料伸缩节及卸料吸尘装置。干仓外壁设有保温盘管和保温层，可实现冬季仓内干泥不冻结。

干化所需的蒸汽由该片区发电厂通过蒸汽管网输送而来，最大可供蒸汽量为94 t/h，经过减温减压后满足1.0 MPa、180 ℃的热媒工况要求。蒸汽凝液经过凝液收集罐收集后回收利用。“薄层-线性”干化产生的蒸发废气经过喷淋洗涤降温后，最终排至废气处理系统进行处理。具体设备运行照片见图4。

图4 设备运行照片Figure 4 Equipment operation pictures

3 测试指标与分析方法

本工程分析和考核项目运行情况的主要指标有出泥含固率、额定处理量、最大处理量，而辅助指标有干化机总蒸发能力以及单条干化线的蒸发能力。污泥处理量、进泥及出泥含水率、干化机水分蒸发量的具体计量方法如表2 所示。

表2 测试指标与计量方法Table 2 Test index and measurement method

4 运行效果分析

4.1 项目调试和运行情况

该污泥处理处置扩建工程于2020 年8 月15日开始性能考核，先进行2 条线的168 h 性能验收，再进行其余8 条线的168 h 性能验收。此项目的性能验收总体顺利，全部10 条线已于2020 年8月30 日通过考核。该工程至今已顺利运行2 a 多，污泥处理量及各项运行指标均达标。实际运行指标见表3。

表3 实际运行指标Table 3 Operational index

与此同时，本项目厂界噪声测定值满足GB 12348—2008 工业企业厂界环境噪声排放标准限值，厂房周围室外噪声≤75 dB（A），厂房内设备1 m 处噪声≤85 dB（A），均满足项目关于主要噪声源的噪声测定值要求。

4.2 污泥处理效果

取样的一段干泥和二段干泥见图5，可见干泥呈暗灰色，出泥颗粒度均匀。由于二段干泥比一段干泥的含水率低约5～10 个百分点，污泥颗粒内部包裹的水分更少，因而从颗粒形态上看，二段干泥比一段干泥的颗粒度更为细小均匀。在热量消耗上，以单条线160.27 t/d（80% 含水率）来计算，一段干化出泥含水率30% 需要消耗蒸汽热量3 660 kW，二段出泥含水率20% 需要消耗蒸汽热量168 kW，因而从热量消耗上比较，一段占比95.6%，二段占比4.4%。依据该项目的污泥泥质分析数据可知，污泥平均干基低位热值为11.21 MJ/kg。含水率20%～30%的二段干泥收到基低位热值约为6.96～8.31 MJ/kg，已比较接近褐煤的低位热值8.38～16.76 MJ/kg，适合燃煤掺烧。

图5 干泥取样图片Figure 5 Sampling picture of dry sludge

5 经济分析

自该污泥处理处置扩建工程项目运行以来，各项生产能耗均低于设计值，具体能耗分析见表4。通过分析对比可知，此项目的电耗和能耗均小于设计值，其中电耗是设计值的46%，热耗是设计值的90%。对比《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》中提供的污泥干化电耗、热耗，可知此二段法污泥干化工艺的能耗相对较低。

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

通过表4 也可知，如果进行相同含水率的高干出泥，二段法在电耗和热耗上也稍低于采用一段法薄层干化，说明二段法用于高干出泥时在能耗上稍有优势。这也体现了线性干化机对污泥在一段干化后再进行深度干化的设备结构原理上的优势。

6 存在问题与展望

由于前端的第一和第二污水处理厂采用了A2/O生物反应池+平流沉淀池的生物处理工艺，重力浓缩后排出的活性污泥黏度相对较高，以含水率96.5%的污泥计，黏度达117.3 cP。而采用A/O 或氧化沟工艺产生的污泥经重力浓缩至相近含水率条件下，黏度在60～105 cP。实际运行中，进干化前的脱水污泥黏性也相对较高，这主要体现在主设备电机的运行电流较高，这在一定程度上增加了污泥干化产线的设备运行负荷。经过对局部装置内部部件微调，污泥黏性较大对系统运行的影响已得到消除。

最终干泥通过密闭卡车运至该片区第二电厂或第三电厂燃煤掺烧，实现了彻底的减量化和无害化。同时干泥的热值也获得了利用，产蒸汽用于电厂发电，实现了污泥的资源化利用。该项目的成功运行也为市政污泥的减量化、无害化并稳步推进污泥资源化利用提供了一条可行的技术路径。

7 结论

1）“薄层-线性”二段法污泥干化工艺既发挥了薄层干化机高蒸发效率的特点，也利用了线性干化机的高热容、长停留时间、中空转子外壁和定子内壁均是干燥换热面、单位面积水分蒸发效率更高、设备体积更小、设备投资更少的特点，可有效脱除污泥中的部分结合水，实现高干出泥。

2）某大型污泥处理处置扩建工程是采用此二段法工艺的典型市政污泥处理处置工程，折合含水率80%的污泥量为1 442.5 t/d，一段出泥含水率35%～45%，二段出泥含水率为20%～33%，电耗和能耗均低于设计值，其余各项指标均达标。

3）某大型污泥处理处置扩建工程的干泥被运至就近的燃煤电厂进行协同焚烧，实现干泥热值的充分利用。该工程的成功实践也表明该二段法干化工艺可应用于我国大型市政污泥的处理处置。