太阳能与热泵结合技术在污泥处理处置
领域的应用实践
刘庆昌1 孙红波1 侯振国1 岳钦艳2
（1.山东福航新能源环保科技有限公司，山东 德州251200；2.山东大学 环境科学与工程学院， 山东 济南250100）
摘 要：太阳能与热泵结合污泥干化是利用清洁能源对污泥进行有效干化的新工艺，最终实现了污泥资源化。山东福航新能源环保科技有限公司研制的太阳能与热泵结合污泥干化工艺采用了太阳能、地热能作为污泥干化的热源，同时利用自动化温室及先进的污泥自动化输送、摊铺、翻抛移动及收料系统，实现了无污染、低能耗、高效率的污泥干化。
关键词：污泥干化；清洁能源；太阳能与热泵结合；高效率；自动化
当前，国家提出的节能减排政策深入人心。作为一种绿色环保的可再生资源太阳能以及其他清洁的开发利用，日益爱到人们的关注；随着城市化进程的加速，污水的处理量和处理率迅速增加，使污水的产量也以惊人速度递增，污泥处理处置问题已经开始成为国家和社会关注的的重大环境问题。在这两个大的背景之下，山东福航新能源环保科技有限公司自主研发的太阳能与热泵结合污泥干化系统应运而生。该系统拥有6项国家专利，实现了无污染、低能耗、高效率的污泥干化，使体积庞大、含水率高、易对环境产生污染的污泥，快速地变为体积小、含水率低、易储存和运输的相对稳定的干化污泥。经过太阳能与热泵结合污泥干化系统干化后的污泥，对环境污染程度显著降低对污泥资源利用（堆肥、建材制作等）提供了良好的前提。
1 新能源污泥处理系统介绍
采用太阳能、地热能及余热、废热等清洁能源作为热源，对进行污泥干化。机械脱水污泥含固率20％左右，经污泥泵输送至摊铺机料仓，由布料螺旋下料，在摊铺布料机的作用下均匀布料，实现纵向、横向平移，在翻抛螺旋的翻抛作用下污泥表面不断翻新同时污泥得到破碎。采用全热型新风换气系统通风。除臭系统采用负离子新风和等离子除臭装置，通时增加余热回收装置，减少热量损失。在主动式太阳能温室系统和太阳能集热、热泵循环热水供热的条件下污泥含固率不断提高，达到目标含固率，由收料系统送至干泥储料仓。整个过程实现远程自动化控制，只需一人操作。
新能源污泥处理处置工艺流程图：
1.1输送系统
输送部分由污泥料仓、螺旋进料机、污泥泵、管道组成。整个液压系统采用意大利泵、阀。螺旋进料机与污泥料仓之间用插板阀相连，易检修。含水率较高（约80%）的污泥完全符合泵送的条件，从而可以完成从污泥料仓向接料仓（与污泥摊铺机相连接的储存仓）转移过程。市政污泥其含水80%左右的污泥，在粒度（10微米左右）、粘聚性（通过塌落度试验）以及密度（1.05g/cm3)等方面均符合泵送的条件。在污泥输料的同时我们可以精确计算出泵送污泥的体积及质量，可严格控制输送量。
此外，污泥输送不仅仅限于采用泵送的形式，也可采用传统的皮带式输送及其他形式实现对污泥的输送。
湿污泥料仓 污泥泵 污泥输送管道图
1.2 自动摊铺——翻抛移动——收料系统
该部分由污泥摊铺翻抛机、螺旋下料机、污泥表面送风机、换向装置、皮带式输送机、干料仓等组成。通过泵送将污泥送入接料仓之后，然后通过摊铺——翻抛——移动——收料部分首先将污泥定时、定量地摊铺到温室内的污泥干化区。每次新摊铺物料的同时，可以对先前所摊铺的物料进行翻抛和移动，也可以根据污泥干化具体情况进行翻抛。在污泥翻抛部位还安装有送风装置，可以在污泥由大块颗粒被打碎的同时增加污泥颗粒表面空气的流动，进一步提高了污泥的干化效率。随着干化时间的进行，污泥的含水率越低，污泥在干化区的位置也随之向前方移动，最后到达收料区的污泥达到目标含水率。周期一般2-4天，到达收料环节的污泥的含水率可以降低到20-40%，干化后的污泥经过皮带机转移到收料仓储存，待利用。
初始摊铺的污泥是呈大块饼状，利用翻抛部分可以将污泥打成小碎块。这样使得污泥干化表面积增大很多，有利于污泥泥体升温且内部水分的扩散，最终提高了污泥的干化速度。整个摊铺——翻抛移动——收料动作柔和，不会产生粉尘，同时整个过程始终处于好氧状态，很少产生H2S、NH3等臭气。
干料收集仓 污泥摊铺翻抛机
1.3 主动式太阳能温室系统
温室部分由温室主体、内保温部分、通风部分、供暖部分、气象站等组成。
温室系统主要利用温室效应增加干化区温度，为污泥干化提供了一个良好稳定的环境。温室主体为W16文络式阳光板温室，阳面采用中空玻璃。夜间选用保温幕布，减少辐射热的流失。污泥干化温室内的干化区底部安装了加热地板，其热量散发到干化区为污泥干化提供足够的热能。同时底部铺有通风装置加快污泥干化速率。顶部有蝶形开窗通风可及时排除温室内由于污泥干化过程中产生的水蒸气。气象站用来实时监测温室内的气温、大气湿度、光照度、风向、风速等与污泥干化有关的参数，利用这些参数来确定污泥干化工艺。
太阳能污泥干化温室 地面散热加热地板 底部通风系统
1.4 热源部分
热源部分利用的是太阳能和热泵技术，实现污泥干化过程中热源的提供，两者共同组成了污泥干化热源部分。
热泵部分由地源热泵机组，热水循环泵、涡流除砂器、暖风机、地暖管道组成的热泵部分，机组能将比≥4.5，出水温度稳定在50℃左右，运行稳定。利用污水处理厂中水或污水，实现循环利用。
太阳能的利用一是利用自然界中辐射能极高的太阳作为直接热源，通过温室效应得到更好的利用。最终使这部分的能量变为污泥干化的热量；二是利用太阳能集热器。经过太阳能集热器使水的温度升高到75℃以上，并入热泵热水循环管网，为污泥干化提供有效能量。污泥温度的升高，对污泥泥体中水分的扩散和污泥外表面水分的蒸发起到重要作用，促进污泥干化。
另外，我国工业炉、窑大多数废气的排出温度在120~450℃之间，因此利用这些余热进行污泥干化是完全可行的。这样做不仅有利于能源利用，而且还能减轻大气的热污染。
太阳能集热系统 热泵系统
1.5 自动控制系统
整个污泥干化系统的运行是由远程控制中心进行全方位控制，从污泥的输送、摊铺、翻抛、移动，到收料全部实现自动化控制。污泥干化的数据，包括温室内外气温、大气湿度、风向、风速、干化区地表温度、泥温等都可以实现实时监测，并记录在自动控制系统终端。自动控制系统将根据这些数据以及测定出的干化区相关区域污泥的含水率情况确定污泥干化工艺。
此外，温室内设有的监控设备，可以实现对温室内的情况进行观察。对于局部厌氧污泥产生H2S、NH3有害气体经检测仪器测量后的数据可以传送到远程控制中心，实现与除臭系统的联动。本系统实现了一人远程控制整个污泥干化系统，避免了人体与污泥的直接接触，保证了工作人员的人身安全。
远程控制中心 污泥干化系统自动化控制图示 温室内外环境数据曲线
1.6新风换气余热回收系统
采用全热型新风换气机，其作用是将室内空气排到室外的同时，将室外的新鲜空气送到室内，利用室内外空气的温度差，将室内的部分热量进行回收。同时除臭风机将室内高温空气通过管道回收到负离子新风换气机转化成负离子新风再输送到干化室。
全热型新风换气机 负离子新风换气机
1.7除臭系统
除臭装置由离子新风装置、等离子除臭装置、通风管路组成，采用等离子净化工艺，其原理是通过对室内气体收集，将收集到的多元素气体经过等离子活性氧净化装置，在高压等离子场的作用下，电离初始态氧将其中的废气离子进行电离荷电净化，带电的微小离子（尘埃粒子）被吸附单元所收集，并流入和沉积到气体处理装置的储尘箱内，气体内的有害气体，被电场内所产生的臭氧所杀菌，并去除了异味，有害气体被除掉，去除率经试验测试，去除率达到90%以上，洁净的空气经出风口排出，达到排放。
等离子除臭系统
2 太阳能与热泵结合污泥干化系统能效分析
2.1 太阳能能效分析
自然界中太阳的辐射能量是巨大的，利用好这些能量可以节省大量的能源，操作费用极低。太阳能温室可高效收集太阳辐射能，而太阳集热器可以使太阳能这种清洁能源转变为蕴藏在水中的热能，间接为污泥干化提供部分热能。
2.2 热泵能效分析
由地源热泵机组、热水循环泵、涡流除砂器、暖风机、地暖管道组成的热泵部分，机级配备能量调节阀、压缩机过载保护、过热保护、防冻保护等自动保护功能。采用了目前最先进的DAF高效蒸发传热管，管内表面的多头螺旋细肋及螺旋形突起，使传热系数和摊铺抛能力大幅度提高，机组能效比≥4.5，出水温度稳定在50℃左右。采用中水或污水实现循环利用。
2.3 吨湿泥能耗
太阳能与热泵结合污泥干化系统的主要电耗有：热泵制热及输送部分、摊铺——翻抛移动——收料部分、自动控制系统等机械耗电。总体上吨污泥耗电为60~80kwh/t。
3 经济性分析
3.1 投资费用
吨泥投资费用为:15~20万元。
3.2 运营费用
太阳能与热泵结合新能源污泥处理处置，消耗的电能主要为热泵部分、机械部分和自动控制部分的耗电，总计约为60~80kwh/t。由于整个系统全自动运行，操作简单，人工成本低。
4 干化后污泥的资源化利用
干化后的污泥根据不同泥质可作为新型建材、燃料、有机肥等最终实现了污泥资源化利用。
污泥陶粒砖 污泥燃料 园林有机肥
5 结语与展望
污泥问题，是当今环境问题中的一个重要方面。解决好污泥问题，对于整个生态环境的保护起到举足轻重的作用。新能源污泥处理处置工艺，科学得利用了清洁能源作为污泥干化的能源，能耗低、无污染、高效率，系统稳定可靠，真正实现了低碳运行，符合国家十二五规划，新能源污泥处理处置将成为污泥处理处置一个新途径！
