慢蒸發(fā)污泥干燥機(jī)電控系統(tǒng)的研制與創(chuàng)新

溫志軍

（北京中燕通科技開發(fā)有限公司，北京 101102）

0 引言

截至2010 年，我國(guó)已建成污水處理廠1993 座，污水日處理能力達(dá)到1.25 億立方米，到2010 年底，我國(guó)城市污水污泥年排放量已達(dá)到769.1 萬(wàn)噸[1]。污泥濃縮脫水、干化主要是降低污泥中的水分，污泥穩(wěn)定主要是分解降低干固體中有機(jī)物質(zhì)量。污泥通過(guò)濃縮、機(jī)械脫水、干化、穩(wěn)定達(dá)到最終的衛(wèi)生填埋、土地利用、海洋傾倒、堆肥處理、焚燒、熱解等處置目的。目前，我國(guó)的污泥處置大多采用上述方法，污泥處置率低于10%，資源化利用率低于19%，約63%的污泥仍采取陸地填埋[2]。美國(guó)污泥處置中約55%為土地利用（主要用于農(nóng)藝、造林和土地改良），約28%污泥送往垃圾填埋場(chǎng)處置[3]。歐盟各國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)出的污泥大多數(shù)作為土地利用，少數(shù)焚燒或填埋處置[4]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在污泥處置和資源化方面的差距還很大。究其原因，制約污泥處置資源化的主要因素是傳統(tǒng)處置的工藝流程過(guò)長(zhǎng)，過(guò)程、設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本和技術(shù)要求過(guò)高。如何利用新的技術(shù)改變傳統(tǒng)污泥處置工藝的各種弊端，本文介紹利用電氣自動(dòng)化的方法改變傳統(tǒng)污泥處理工藝流程，實(shí)現(xiàn)污泥資源化的創(chuàng)新可行性。

1 傳統(tǒng)污泥處理和處置方式及其弊端

傳統(tǒng)的污泥處理和處置工藝流程包括污泥濃縮、污泥脫水、污泥干化、污泥穩(wěn)定。

（1）重力濃縮電耗低、無(wú)藥耗，運(yùn)行成本低。但隨著脫氮除磷要求的提高，重力濃縮方式時(shí)間長(zhǎng)、易釋磷。

（2）機(jī)械脫水主要有帶式壓濾脫水、離心脫水、板框壓濾脫水、電滲透脫水、凍融脫水、真空機(jī)、螺旋壓榨等方式。由于污泥成分復(fù)雜，相對(duì)密度較小且顆粒較細(xì)，并往往是膠態(tài)狀況，決定了其不易脫水的特點(diǎn)。

（3）污泥干化主要是去除污泥顆粒間的吸附水和內(nèi)部水。當(dāng)污泥逐步形成顆粒時(shí)，表面比內(nèi)部干燥，內(nèi)部水的蒸發(fā)更加困難。隨著含水率的降低，蒸發(fā)效率也逐漸降低。

（4）污泥穩(wěn)定常用的方法包括消化法、堿性穩(wěn)定法、熱處理法、代謝解偶聯(lián)劑技術(shù)、污泥生物捕食技術(shù)。消化法產(chǎn)量低、周期長(zhǎng)，受溫度影響大。堿性穩(wěn)定法需要添加堿性物質(zhì)，成本高，有二次污染。熱處理法如微波處理法，需要的能源大、設(shè)備復(fù)雜、建設(shè)運(yùn)行成本高。代謝解偶聯(lián)劑技術(shù)目前僅限于機(jī)理研究。污泥生物捕食技術(shù)起源于荷蘭，最早可追溯到1994 年，還處于研究階段。

其他傳統(tǒng)的污泥再生利用方法包括厭氧消化產(chǎn)沼氣、發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性短鏈脂肪酸、污泥焚燒發(fā)電、污泥制氫、污泥熱解制油、制備生物炭、制備可降解塑料、制備肥料、泥蚯蚓養(yǎng)殖、制備建筑材料等資源化技術(shù)。

由此可見，傳統(tǒng)的污泥處置工藝路線過(guò)程復(fù)雜，需要的設(shè)備、材料、能源和復(fù)雜性都制約著污泥處置產(chǎn)業(yè)效率的提高。

2 新的污泥處置方法的工藝思路

針對(duì)傳統(tǒng)工藝方式的眾多弊端，簡(jiǎn)化污泥處置過(guò)程是問題的根本所在。如何將水處理后的原泥直接處理，達(dá)到國(guó)家要求的農(nóng)用、林用、園林綠化用、土壤改良和制磚用污泥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直接實(shí)現(xiàn)資源化是新的污泥處置工藝的創(chuàng)新之處。而針對(duì)國(guó)家的污泥處置后的資源化標(biāo)準(zhǔn)，有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的指標(biāo)必須達(dá)到和突破，這些關(guān)鍵指標(biāo)就是含水率、細(xì)菌含量、顆粒度和重金屬含量。

一般而言，城鎮(zhèn)生活污水中重金屬元素含量較低，所以直接選擇城鎮(zhèn)生活污水污泥進(jìn)行處置完全可以保證最終產(chǎn)品的重金屬不超標(biāo)[3]。針對(duì)顆粒度問題，經(jīng)過(guò)特殊的自動(dòng)控制方式，保證產(chǎn)品的顆粒度小于10 mm，基本上就能滿足農(nóng)用、林用、園林綠化用和土壤改良用污泥標(biāo)準(zhǔn)的需要[4]。而對(duì)于含水率問題，必須保證處理后的污泥含水率低于40%，甚至能達(dá)到4%[4]。針對(duì)細(xì)菌含量問題，可以通過(guò)電氣自動(dòng)化的方式完成對(duì)蛔蟲卵和大腸桿菌的滅活要求。

綜上分析，創(chuàng)新性污泥處置工藝的硬件要求：在水處理廠重力濃縮沉淀池底部安裝污泥泵或在污泥濃縮池底部安裝污泥泵，或利用高程上形成的自由壓力，將原泥注入慢蒸發(fā)池內(nèi)部。在慢蒸發(fā)池內(nèi)部的污泥底部設(shè)置加熱器。在慢蒸發(fā)池內(nèi)部安裝控制原泥高度的自動(dòng)檢測(cè)和控制裝置，用來(lái)控制慢蒸發(fā)池加入的污泥量。在污泥上面設(shè)置風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)，慢蒸發(fā)池內(nèi)安裝測(cè)溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)。

軟件自動(dòng)控制過(guò)程包括以下步驟：

（1）慢蒸發(fā)過(guò)程。先將慢蒸發(fā)池內(nèi)的污泥加熱到30～60 ℃緩慢蒸發(fā)。

（2）同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄慢蒸發(fā)池內(nèi)部的污泥高度，當(dāng)慢蒸發(fā)池內(nèi)的污泥高度降低到進(jìn)泥時(shí)高度的5%～10%以下后，進(jìn)入高溫滅活過(guò)程。

（3）在滅活過(guò)程中，由溫度控制系統(tǒng)控制污泥溫度達(dá)到殺掉污泥中的蛔蟲卵、大腸桿菌的溫度要求和時(shí)間要求。將溫度控制在70 ℃超過(guò)30 min，滿足殺菌和滅卵的要求。在53～56 ℃超過(guò)30 min 即可殺死全部蛔蟲卵，在68～70 ℃超過(guò)30 min 即可殺死全部細(xì)菌，因此本工藝設(shè)計(jì)只需要將溫度控制到70 ℃超過(guò)30 min，即可滿足殺菌和滅卵的要求。

由于每次的進(jìn)泥量有限，又采用了慢蒸發(fā)技術(shù)，所以對(duì)系統(tǒng)的熱源總功率的要求不高。同時(shí)，系統(tǒng)又是在蒸發(fā)基本完成、污泥量很少的情況下加熱到比較高的溫度，也使得對(duì)熱源功率的要求大大降低，而且很容易滿足要求。

同時(shí)，如果系統(tǒng)沒有達(dá)到滅活的溫度和時(shí)間要求，系統(tǒng)就會(huì)繼續(xù)加熱，直到滅活要求達(dá)到為止。這樣就大大降低了對(duì)熱源功率大小的要求。

滅活后的污泥再經(jīng)過(guò)慢慢的蒸發(fā)過(guò)程，達(dá)到含水率低于40%后，即可完成整個(gè)處理過(guò)程。自動(dòng)控制系統(tǒng)提醒操作人員將蒸發(fā)池內(nèi)的污泥清理干凈，進(jìn)行下個(gè)處理流程。

由于系統(tǒng)控制的進(jìn)泥量有限，蒸發(fā)烘干后的干泥層很薄而且含水率極低，清理出來(lái)的污泥經(jīng)過(guò)人工簡(jiǎn)單粉碎即可達(dá)到顆粒度小于10 mm，很容易滿足污泥處置的農(nóng)用、林用、園林綠化用、土壤改良和制磚用污泥的標(biāo)準(zhǔn)，可以直接資源化利用。

3 電控系統(tǒng)程序的編制方法及技巧

根據(jù)以上方法，實(shí)際測(cè)試中采用不銹鋼制作底部面積1 m2深100 mm 的慢蒸發(fā)池，底部加裝電熱裝置。慢蒸發(fā)池上部加裝激光液位計(jì)，用來(lái)檢測(cè)和控制慢蒸發(fā)池內(nèi)污泥的高度。慢蒸發(fā)池底部安裝測(cè)溫裝置控制污泥溫度。污泥儲(chǔ)池底部安裝變頻進(jìn)泥泵，用于慢蒸發(fā)池內(nèi)部進(jìn)泥。慢蒸發(fā)池上部安裝變頻調(diào)速風(fēng)扇，用來(lái)控制蒸發(fā)的通風(fēng)量和緩慢除臭速度。

首先開始慢蒸發(fā)池的進(jìn)泥過(guò)程，由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制進(jìn)泥泵進(jìn)泥，利用變頻器調(diào)整進(jìn)泥泵頻率來(lái)控制進(jìn)泥壓力，達(dá)到均勻穩(wěn)定進(jìn)泥的目的。利用液位計(jì)進(jìn)行液位檢測(cè)，當(dāng)慢蒸發(fā)池污泥高度達(dá)到30 mm 厚時(shí)停止進(jìn)泥。系統(tǒng)自動(dòng)開啟加熱系統(tǒng)和風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行慢蒸發(fā)。此時(shí)要適時(shí)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，做到合理蒸發(fā)和除臭，同時(shí)要避免過(guò)度的熱量損失。將加熱溫度控制在60 ℃左右，5 h 后污泥的高度就可以小于3 mm。當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)到污泥高度小于3 mm 的信號(hào)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)開始給系統(tǒng)升溫至70 ℃并開始計(jì)時(shí)，達(dá)到30 min 以上，滅活過(guò)程結(jié)束。滅活結(jié)束之后，系統(tǒng)根據(jù)升溫速度自動(dòng)地判斷慢蒸發(fā)池內(nèi)部的水分含量低于控制系統(tǒng)要求，發(fā)出處理完成的信號(hào)，通知操作人員處理，即可完成本次處理過(guò)程。由人工清理慢蒸發(fā)池內(nèi)部污泥，然后啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行下一次處理循環(huán)。

實(shí)際編制程序的過(guò)程中，可采用PLC 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的方法控制各輸出單元的動(dòng)作，既簡(jiǎn)單又可靠，而且編制過(guò)程靈活，可以隨時(shí)修改和暫停程序過(guò)程，并且可以容易地實(shí)現(xiàn)斷電記憶功能[5]?？刂撇呗砸姳?。

表1 原泥直接資源化自動(dòng)控制系統(tǒng)程序步驟動(dòng)作

程序步驟計(jì)數(shù)器可以用PLC 的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器，也可以用普通的內(nèi)部存儲(chǔ)寄存器，建議采用普通的內(nèi)部存儲(chǔ)寄存器，這樣計(jì)數(shù)范圍和數(shù)量遠(yuǎn)大于PLC 系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器，可以使程序具有極大的靈活性和可靠性[6]。編制程序時(shí)，每個(gè)動(dòng)作結(jié)束的脈沖上升沿將計(jì)數(shù)器加一即可進(jìn)入下一個(gè)程序過(guò)程中。利用程序步驟計(jì)數(shù)器等于不同的值來(lái)控制不同的輸出設(shè)備，程序編制流程如圖1 所示。同時(shí)，整套自動(dòng)化系統(tǒng)可以配置聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控程序運(yùn)行過(guò)程、提示、報(bào)警、記錄功能。如果利用VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，可以將眾多單一的分布式慢蒸發(fā)設(shè)備組成一個(gè)龐大的局域網(wǎng)，不但可以遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)操作監(jiān)控，也可以遠(yuǎn)程修改程序和做故障診斷。通過(guò)VPN 組網(wǎng)方式、組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)配合就可以輕松地對(duì)所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析[7]。

圖1 原泥直接資源化自動(dòng)控制流程

由于處理過(guò)程全部自動(dòng)控制，減少了對(duì)操作人員的要求，整套系統(tǒng)幾乎沒有運(yùn)動(dòng)部件，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理具有極高的可靠性，是現(xiàn)有處置方法的理想替代方案。

4 應(yīng)用前景

采用自動(dòng)控制的方式，盡量減少污泥處置過(guò)程的復(fù)雜性，縮短污泥處置過(guò)程的工藝流程，不但是對(duì)原有傳統(tǒng)污泥處置工藝的大膽創(chuàng)新，而且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，也是完全可行的方向。由于實(shí)際熱源豐富多樣，為新工藝的實(shí)施推廣提供了有力的保障。例如，可以采用余熱、太陽(yáng)能、地?zé)?、天然氣，煤、石油、風(fēng)力發(fā)電等，既可以使用化石能源又可以使用新能源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。因?yàn)樗偕治锓N的單一性，采用污泥資源化的有機(jī)肥能有效緩解我國(guó)速生林保有量很高但質(zhì)量很低的困境。有資料顯示，桉樹施用污泥有機(jī)肥平均生長(zhǎng)苗高多14%，地徑多27%。按100 kg/（667 m2）肥料計(jì)算，2 萬(wàn)平方米桉樹人工林可為深圳市10%的污泥找到出路[8]。除了傳統(tǒng)的桉樹，雜交的碳桐樹可以克服桉樹對(duì)土地污染較大、產(chǎn)量不高的缺陷，雜交的碳桐樹生長(zhǎng)速度更快，適應(yīng)性更強(qiáng)，收益更快，回報(bào)率高，可重復(fù)再生60 年。因此，采用自動(dòng)控制方式，縮短污泥處置流程的新的污泥資源化工藝路線，將有很廣的適用范圍和發(fā)展?jié)摿Α?/p>