污泥深度脱水联用工艺 “高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”

作者:中国给水排水 / 公众号:cnww1985 发布时间:2019-03-14

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摘要: 污泥干化可使污泥显著减容,一般可将污泥含水率降至30%左右,满足污泥填埋、焚烧、园林利用、制砖等处置方式及资源化利用的需要,是目前污泥处理处置的主要应用技术之一。但由于其投资及运行成本较高,制约了其大规模推广应用。机械脱水是最经济的污泥减量技术,可作为污泥干化的预处理,以提高整体工艺的经济性。本文介绍了“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”污泥深度脱水联用工艺及案例。以污泥处理量30t/d(污泥平均含水率83%)的工程为例,采用高压带式TJSD连续污泥深度脱水设备将一次脱水后含水率为82~85%的污泥含水率降至60%以下,再经热泵低温干化技术将污泥干化至含水率40%以下,该联用工艺处理后的污泥完全满足后续与垃圾掺烧的要求。相对于直接采用热泵低温干化技术处理一次脱水污泥,采用该联用工艺单位污泥处理费用为105.67元/吨泥(按一次脱水污泥计),可节约处理费用54.86元/吨泥,每年可节约运行费用约59.26万元,社会效益和经济效益十分显著。
来源:中国给水排水2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十届) 论文集 ;作者:阮燕霞1,陈良才1,徐金有1,刘立文1,唐秀华1,张杰1,魏宏斌2;单位:1.上海中耀环保实业有限公司,上海200092;2.同济大学环境科学与工程学院,上海200092
污水被处理后,污水中所含的有机物、无机物(包括重金属)等有害物质都被浓缩、转移形成污泥。以生活污水为主的市政污水厂的污泥产量为1~2tDS/万t污水,折合成含水量80%的污泥产量为5~10t/万t污水。生态环境部发布的《2017年中国生态环境状况公报》显示,截至2017年底,全国设市城市污水处理能力达到1.57亿m3/d,全年累积处理污水量达462.6亿m3,折合成含水率80%的污泥年产量达4000多万吨。
根据《城镇污水处理厂污泥处置分类》(GBT23484-2009),污泥的最终消纳过程,一般分为土地利用、填埋、建筑材料利用和焚烧等,但无论是污泥填埋,还是焚烧或资源化利用,污泥的最终处置对污泥的含水率等指标都有严格的要求。其中,《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》(GBT 23485-2009)要求污泥含水率<60%;《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T23486-2009)要求污泥含水率<40%;《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(GB/T24602-2009)要求自持焚烧的污泥含水率<50%,低温热值>5000kJ/kg;《城镇污水处理厂污泥处置 制砖用泥质》(GB/T25031-2010)要求污泥含水率≤40%。因此,污泥的脱水干化是重要的第一步。污泥干化可使污泥显著减容,一般可将污泥含水率降至30%左右,满足污泥填埋、焚烧、园林利用、制砖等处置方式及资源化利用的需要,是目前污泥处理处置的主要应用技术之一。但由于其投资及运行成本较高,制约了其大规模推广应用。作为最经济的污泥处理技术,机械深度脱水不但能将污泥处理至符合填埋要求,也可作为其他技术的减量预处理,以提高整体污泥处理处置技术路线的经济性。本文介绍了“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”污泥深度脱水联用工艺及其工程案例。
1工艺介绍
1.1 高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术
上海中耀环保实业有限公司生产的“高压带式TJSD连续污泥深度脱水成套设备”为同济大学专家学者针对国内污泥处理处置现状及需求开发的新型污泥减量、稳定化技术。“高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术”先将固化剂、改性剂与一次脱水后的污泥(含水率为80%左右)混合改性,再采用连续深度脱水机进行二次压榨深度脱水,处理后污泥的含水率可从80%左右降低至60%以下。不需要将常规污泥稀释后再进行高压脱水,更不需要拆除污水厂原有的污泥脱水设施,能与污水厂原有污泥脱水系统实现快速对接,具有可连续运行、能耗低、成本低、适用范围广等显著优点。
高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术不但能将污泥深度脱水处理至符合混合填埋的泥质要求,也可作为干化、焚烧、水泥窑协同处置、制砖等处理或处置技术的的预处理工艺,以提高污泥整体处理处置工艺路线的经济性。高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术已有30多个工程案例,包括污水处理厂污泥的提标改造工程或新建工程,地下污水处理厂,环境存量污泥减量、河道淤泥脱水处理等领域。
高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术原理主要包括混合改性和高压带式脱水两部分。

图1 高压带式TJSD连续污泥深度脱水技术工艺流程图
(1)混合改性
将一次脱水后的污泥(含水率80%左右)输送至污泥改性混合机,同时投加污泥固化剂和改性剂。投加的上述药剂和一次脱水后的污泥(含水率80%左右)在污泥改性混合机内快速、均匀的混合。一方面,破解活性污泥结构,释放结合水和胞内水;另一方面,构建微型骨架体增加污泥絮粒强度,提高脱水性能。
(2)连续深度脱水
经改性后的一次脱水污泥进入高压带式TJSD连续污泥脱水设备进行机械深度脱水。先经布料装置将污泥均布在滤布上,随着滤布的行进,污泥经由多组压力递增的压榨机构对污泥产生高压、密集压榨,污泥中的大量水分被进一步压出,压榨后污泥在出泥端由刮刀自动刮落,上下滤布分离后分别被冲洗干净循环投入使用。经高压带式连续深度脱水机脱水后泥饼仅为5~10mm多孔隙薄片状,其含水率降低到60%以下。
1.2 热泵低温干化技术
污泥干化利用热能通过蒸发作用从污泥中去除大部分水分,可使污泥显著减容,一般可将污泥含水率降至30%左右,是能量净支出的过程。目前常用的污泥干化技术有热干化、自然干化、热泵干化等。传统的热干化干燥温度一般在100℃以上,通过直接或间接的方式进行“水-热”交换,能耗费用在系统运行成本中的比例大于80%。
污泥热泵低温干化系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、循环风机和干燥室等组成,根据逆卡诺循环原理,消耗少量的电能驱动循环进行,通过流动工质的气液两相热力循环完成空气与污泥的热质交换。该技术利用热泵除湿回收干燥过程产生的低品位热源的热焓能量,升温后作为热源进行污泥干燥和脱水。
根据国内外的研究及应用,污泥热泵低温干化技术可获得最高含固率90%的干化污泥,能满足污泥填埋、焚烧、园林利用、制砖及其他资源化利用的含水率要求;相比热干化100℃以上的干燥温度,污泥热泵低温干化的干燥温度为40~80℃相对低温,在低温环境下可有效避免污泥中有机物的大量挥发,最大程度的保留污泥热值,实现污泥的自持焚烧,低温的干化环境能减少氨气、硫化氢等恶臭气体的释放;热泵除湿的干化方式能耗仅为传统干化方式的1/3,具有节能低碳、环境友好等特点。
2“TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺的特点
表1联用工艺技术优势和特点
联用工艺技术优势及特点
描述
安全
TJSD连续污泥深度脱水设备没有任何可释放外力的高压管道、阀门等,无高压击伤危险;热泵低温干化40~80℃运行,无需充氮运行干化过程氧气含量<12%;粉尘浓度<60g/m3;颗粒温度<70℃,无爆炸隐患
环保
TJSD连续污泥深度脱水设备可全封闭设计,方便气体收集;热泵低温干化设备低温40~70℃运行,且干化过程全密闭,有效避免大量臭气产生
占地小
落地安装,一般利用脱水污泥堆场空余场地布置
连续运行
联用工艺可实现连续脱水及干化,泥饼自动卸料,操作简单,脱水干化过程全自动运行
低碳节能
TJSD连续污泥深度脱水系统成套设备装机功率低,整体装机功率一般不超40kW,连续平稳运行,没有用电波峰波谷;热泵低温干化技术采用热泵热回收技术,热泵除湿回收干燥过程产生的低品位热源的热焓能量
用于污泥脱水提标改造:
与原一级脱水设备衔接性
无缝、快速对接
“三不”:不拆原设备
不扩占地
不增配电容量
投资及运行费用低
机械深度脱水作为最经济的处理方式,可降低联用工艺的投资及运行费用;且联用工艺无复杂的配套设施,土建投资低
污泥出路广
联用工艺处理后一般将污泥含水率降低至30%后,满足污泥填埋、焚烧、园林利用、制砖等处置方式及资源化利用的需要。
3联用工艺工程案例介绍
3.1 工程概况
某市政污水处理厂设计污水处理规模为5万m3/d,污泥产量约为30吨/天(以含水率80%计),原采用浓缩带式一体机将污泥处理到含水率82~85%。由于污泥处理处置要求的提高,现该厂要求将部分污泥含水率降低至40%后与垃圾掺烧,急需对污泥处理设施进行提标改造。为最大程度的降低污泥处理处置工艺的运行费用,节约投资,实现与现有污泥浓缩带式脱水一体机的快速对接,并将污泥含水率降低至40%后与垃圾掺烧。污泥脱水提标改造拟采用“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用技术对含水率82~85%的一次脱水污泥进行脱水干化处理。污泥经TJSD高压带式连续污泥深度脱水后,污泥含水率由82~85%降低至60%以下,再经低温干化设备处理后,污泥含水率降低至40%以下,污泥经深度脱水并干化处理后最终与垃圾掺烧处置。本项目充分按照“处置决定处理,处理满足处置”的要求,采用“混合改性+高压带式连续脱水+热泵低温干化+垃圾掺烧”的污泥处理处置技术路线,最大程度的降低项目整体投资与运行费用,取得了令人满意的效果。
3.2 工艺流程
该项目设置2套高压带式TJSD连续污泥深度脱水设备,成套设备包含TJDM污泥改性混合机、TJSD连续污泥深度脱水机、TJPT改性剂定量投加装置、污泥分配装置、污泥输送机、自控系统等;热泵低温干化采用网带式连续干化设备。其基本工艺流程见图2。

图2 “高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺流程图
(1)湿污泥输送
经浓缩带式一体机脱水后含水率为82~85%的一次脱水污泥,通过无轴螺旋输送机输送至TJDM混合机入料口。
(2)混合改性
一次脱水后含水率82~85%的污泥与固化剂、改性剂在TJDM混合机内充分混合均匀,一方面,破解活性污泥结构,释放结合水和胞内水;另一方面,构建微型骨架体增加污泥絮粒强度,提高脱水性能。固化剂的投加质量比(占含水率80%污泥总量,下同)为0.5~1%,改性剂投加的质量比为4~6%,整个过程连续进料均匀出料。
(3)TJSD高压带式连续深度脱水
经改性后的一次脱水污泥进入TJSD连续带式深度脱水机进行机械深度脱水。先经布料装置将污泥均布在滤布上,随着滤布的行进,污泥经由多组压力递增的压榨机构对污泥产生高压、密集压榨,污泥中的大量水分被进一步压出,压榨后污泥在出泥端由刮刀自动刮落,上下滤布分离后分别被冲洗干净循环投入使用。
经高压带式连续深度脱水机脱水后泥饼仅为5~10mm多孔隙薄片状,其含水率降低到60%左右。深度脱水后的污泥经破碎机破碎后由无轴螺旋输送机输送至污泥热泵低温干化设备。


图3 TJSD连续带式深度脱水设备及深度脱水后的污泥
(4)污泥热泵低温干化
深度脱水后含水率60%左右的污泥在带式热泵低温干化设备的入口经面条机挤压成约4~6mm直径的圆柱条状,再进入网带连续低温除湿干燥箱。在网带运转污泥缓缓转运过程中,圆柱条状的深度脱水污泥均匀摊铺在网带输送机上。60~70℃的热空气从网带下方经网眼向上通过,使污泥与热空气产生热质交换,从而将污泥中水分蒸发带出。吸收了污泥中水分的40~50℃湿热空气再进入除湿热泵中进行除湿与加热处理,处理后热干空气循环对网带上污泥进行干化,干化后污泥外观如图4呈直径4mm左右的细颗粒状,干化后污泥含水率降低至40%以下,最后与垃圾掺烧处置。


图4 热泵低温干化设备及干化后的污泥外观
(5)废水、废气的处理
高压带式连续污泥深度脱水过程中产生的滤液经设备底部的接液盘收集后回流至污水厂浓缩池处理。污泥热泵低温干化设备对污泥除湿干燥过程中产生的冷凝水经测试后达到了《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T31962-2015)。
高压带式连续污泥深度脱水过程中产生的臭气由设备本体加罩的臭气收集口收集至除臭系统。污泥热泵低温干化过程为全密闭低温运行,无臭气产生,无需做臭气收集。
3.3 调试及运行效果
该联用工艺投入运行后,根据改性后污泥耐压性调整高压带式连续污泥深度脱水机的气缸压强(0.3-0.4MPa)、固化剂和改性剂投加量。热泵低温干化设备由于功率一定,根据能量守恒定律每小时出水量为定值,因此热泵低温干化设备出泥含水率由进泥含水率及进泥量决定。
该项目联合投加0.7%的固化剂及不同质量比的改性剂,“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”污泥深度脱水联用工艺的调试及运行情况见表2。
表2联用工艺的调试及运行情况

由表2可见,一次脱水污泥含水率在82%~85%之间,含水率平均值为83%。深度脱水后污泥含水率随着改性剂投加量的升高而降低。当改性剂投加量为一次脱水污泥质量的4%时,污泥含水率可降低至60%以下。
根据运行结果,热泵低温干化设备每排出1kg的水耗电量约为0.32kW·h。由于热泵低温干化设备的脱水量一定,当进泥含水率较高时,出泥含水率要达到目标值时,处理量会相应的减少;当处理量较大且出泥含水率要达到目标值时,进泥含水率需要更低。
工程长期运行结果表明:“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”污泥深度脱水联用工艺处理后污泥pH小于9且含水率低于40%,完全满足后续与垃圾掺烧处置的要求。
4联用工艺的效益分析
以污泥处理量30t/d(污泥平均含水率83%)的工程为例,工程连续运行效果表明:(1)“改性剂改性+深度脱水+低温热泵干化”后的污泥完全满足污泥与垃圾掺烧的处置要求。(2)在0.5~1%质量比的固化剂,及4~6%质量比的改性剂经济投加量条件下,高压带式TJSD连续深度脱水后污泥含水率降低至60%以下,药剂、耗材及动力费总计为64.6元/吨泥(按污泥平均含水率83%计,下同)。再通过热泵低温干化将含水率降至40%以下,该部分处理费为41.07元/吨泥,高压带式连续深度脱水结合热泵低温干化技术总处理费用为105.67元/吨泥。(3)若直接采用热泵低温干化技术将平均含水率83%的污泥干化至含水率40%以下,单位处理费用为160.53元/吨泥。采用高压带式连续深度脱水结合热泵低温干化技术比单独使用热泵低温干化技术年运行成本可节省59.26万元。
表3 “TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺与
单独热泵低温干化运行费用对比
工艺运行条件
编号
项目
“TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺
单独热泵低温干化
1
污泥处理量(t/d)
30
30
2
污泥平均含水率
83%
83%
3
污泥绝干量(t/d)
5.1
5.1
4
投加固体药剂种类及质量比
固化剂+改性剂 (10kg/t+40kg/t)湿污泥
0
5
深度脱水后含水率
60%
——
6
低温干化后污泥含水率
40%
40%
7
深度脱水单位污泥耗电量(kW·h/吨)
5.00
——
8
热泵低温干化单位脱水量耗电量(kW·h/t)
320
320
9
单位污泥耗电量(kW·h/吨)
64
229
10
电费单价(元/度)
0.70
0.70
11
固化剂单价(元/kg)
2.80
2.80
12
改性剂单价(元/kg)
0.70
0.70
年运行费用及单位处理成本(以含水率80%的污泥计)
编号
项目
“TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺
单独热泵低温干化
1
深度脱水段单位处理费
(元/吨泥)
64.60
——
2
热泵低温干化段单位处理费(元/吨泥)
41.07
160.53
3
联用工艺单位处理费用合计(元/吨)
105.67
——
4
年运行费用(万元)
114.12
173.38
5
“TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”联用工艺较单独热泵低温干化年节约运行成本(万元)
59.26
5结论
“高压带式TJSD连续污泥机械脱水+热泵低温干化”污泥深度脱水联用工艺是一种新型的污泥处理联用工艺,处理后的污泥可满足填埋、焚烧、园林利用、制砖等处置方式及资源化利用的要求,并最大程度的降低运行费用,社会效益及经济效益显著。

编辑:王领全
微信制作:文凯
审核:李德强

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