开闭式双热源余热回收热泵污泥干化系统研究

杨一雄1秦肖娜1杨倩雯1汪苏林2胡西2王庆2

1、中国中元国际工程有限公司  100089   

2、北京市热力集团有限责任公司  100185

摘要：为满足愈来愈多的污泥干化需求及实现污水处理厂的余热回收利用，本文提出了一种可切换开闭式的双源热泵干化系统，当使用污水测蒸发器时，可使用污水（包括地表水）作为低温热源，并使用热泵技术从污水中回收或提取低温热能用于污泥干燥。污水包括市政管网中未经处理的主要污水，经污水处理厂处理的污水，地表水包括经过污水处理后的河流，湖泊，海水和再生水。当使用空气测蒸发器时，可提取空气中的热量来进行污泥干燥。该系统无论开式运行或者闭式运行都对余热进行了回收，更加节能，污泥干燥温度较低，污泥处理效果较好，能耗较低，可以充分发挥出热泵的优势，响应我国提出在2030年达到碳顶峰，2060年实现碳中和的目标，实现污水厂碳中和运行[1]。

关键词：双热源，污泥干化，污水处理厂，余热回收，碳中和

一、引言

污水处理厂作为一个能源密集型产业，如何降低它的能耗和碳排放是近年来的重要问题是污水处理的能耗受污水处理水平和处理要求的影响。我国的污水处理水平与规模仍具有较大上升空间，这代表在我国污水处理规模和标准进一步提高的同时，污水处理所带来的能耗与排放也将继续提高[3]。因此污水处理厂的节能增效是一个具有实际意义的课题。污泥是污水处理过程中的主要副产品，其中市政污泥对环境具有较大影响。污泥的干化处理就是为了更好的利用污泥进行再次循环利用，杜绝二次污染[2]。

现在常规的污泥处理就是利用污泥烘干机进行烘干，然后可以作为农业肥料、建筑材料、焚烧、填埋等使用。污泥最初始的时候含水率很高，最高可达99%，首先经过污水处理厂的浓缩池，污泥含水率在95%左右，在通过板框压滤机脱水，可达到80%含水率。所以污泥最主要的处理流程就是干化，污泥干化机的工作原理就是将含水率80-99%的污泥干化至30%左右然后在进行处理和利用[4]。

污泥干化具有以下几大优点[5]：

（1）减量化：由于污泥含水量很高，体积很大，且呈流动性。经以上流程处理之后，污泥体积减至原来的十几分之一，且由液态转化成固态，便于运输和消纳。

（2）稳定化：污泥中有机物含量很高，极易腐败并产生恶臭。经以上流程中消化阶段的处理以后，易腐败的部分有机物被分解转化，不易腐败，恶臭大大降低，方便运输及处置。

（3）无害化：污泥中，尤其是初沉污泥中，含有大量病原菌、寄生虫卵及病毒，易造成传染病大面积传播。经过以上流程中的消化阶段，可以杀灭大部分的姻虫卵、病原菌和病毒，大大提高污泥的卫生指标。

（4）资源化：污泥是一种资源，其中含有很多热量，其热值在10000～15000kJ/kg(干泥)之间，高于煤和焦炭。另外，污泥中还含有丰富的氮磷钾，是具有较高肥效的有机肥料。

现在使用的热泵干化效率大多较低而且能耗较高[6]。这主要受干燥温度和热源价格的影响，要提高热泵设备干化效率需从降低能耗与干化时间两个方面入手[7]。干化后的污泥可用于焚烧发电，利用采用焚烧法处理污泥,可最大程度地实现“减量化、稳定化和无害化”，是污泥处理最彻底的方法，同时能实现污泥资源化的目的[8]。

二、开闭式双热源余热回收热泵污泥干化系统

为实现上述目的，本文提出一种可切换开闭式的双源热泵干化系统，包括空气侧蒸发器、污水侧蒸发器、压缩机、冷凝器、辅助冷凝器、余热回收器、风机、干燥室等设备，污水侧蒸发器与空气侧蒸发器并联，冷凝器与所述辅助冷凝器并联。在系统运行时，污水侧蒸发器和空气侧蒸发器不同时工作。

图1 开闭式双热源余热回收热泵污泥干化系统图

在污水流量不足或环境气温较高且含湿量较低时，空气侧蒸发器工作。在污水量充足或污水流量充足且对气体排放要求较低的情况下，污水侧蒸发器工作。系统具有开式和闭式两种运行模式，在开式运行模式下，被处理过的空气会通过外部风阀排到空气中；在闭式运行模式下，被处理过的空气会在系统内部循环。在环境气温较高且含湿量较低或污水流量充足且对气体排放要求较低的情况下，系统在开式运行模式下工作。

该系统具有以下优点：

（1）该系统可用于污水处理厂。污水余温可以通过水源热泵加以原位利用，污泥干化所需热量则可以大大减少甚至无需外部能源。污水余温就近用于干化可避免污水处理厂“有能输不出”的现实问题，从而使污水处理厂成为能源工厂，不仅实现自身碳中和运行，而且还可以向外输电。。

（2）探索了城市污水余热回收与污泥干化协同工作原理，并加入了双热源来应对不同的条件，可用于指导污泥处理的优化设计。

（3）从排气方式来看，系统存在开式和闭式两种形式，且系统无论开式运行或者闭式运行都对余热进行了回收，更加节能；

（4）该系统具有不同的模式，可以应对不同的环境参数，以达到余热回收利用、全年高效运行的目的

三、结论

（1）近些年，随着污水达标排放处理的不断提高，污泥无害化处理技术跟不上污水处理率，造成大量的污泥堆积成堆，污泥问题将成为继污水后备受关注的新问题，污水处理厂的能源回收利用和污泥处理领域在未来中国市场具有巨大的发展潜力。

（2）提出了一种可切换开闭式的双源热泵干化系统，包括空气侧蒸发器、污水侧蒸发器。当使用污水测蒸发器时，可使用污水（包括地表水）作为低温热源，并使用热泵技术从污水中回收或提取低温热能用于污泥干燥。污水包括市政管网中未经处理的主要污水，经污水处理厂处理的污水，地表水包括经过污水处理后的河流，湖泊，海水和再生水。当使用空气测蒸发器时，可提取空气中的热量来进行污泥干燥。

（3）该系统无论开式运行或者闭式运行都对余热进行了回收，更加节能；当系统闭式运行时，可以适应复杂的气候环境，具有全天候全季节使用的优点，且闭式运行可减少臭气排放，可进行全热回收，系统效率较高；当环境气温较高且含湿量较低时系统可开式运行，降低系统耗电量，并且能通过多种模式切换达成回收部分余热的目标；该系统的污泥干燥温度较低，污泥处理效果较好，能耗较低，可以充分发挥出热泵的优势。

参考文献

[1]戴晓虎，张辰，章林伟，等. 碳中和背景下污泥处理处置与资源化发展方向思考[J]. 给水排水, 2021, 57(03): 1-5.

[2]张文浩. 水处理技术中的污泥资源化应用[J]. 化工设计通讯, 2018, 44(07): 234-235.

[3]张夏瑛，费琳艳. 城市污水处理厂污泥处理问题的探究[J]. 资源节约与环保, 2016, (10): 164.

[4]杨虎元. 我国城市污水污泥处理现状[J]. 北方环境, 2010, 22(01): 79-80.

[5]许志欣，蓝梅，孙文叶. 污泥热干化技术浅析[J]. 市政技术, 2016, 34(1): 4.

[6]张义，郝树江，张乾. 热泵低温干化技术在工业污泥深度减量化领域的应用[J]. 工程机械与维修, 2017, (7): 3.

[7]李卓君，王磊. 污泥低温热泵干化技术分析及其应用[J]. 中国资源综合利用, 2021, 39(02): 27-29.

[8]郝晓地，陈奇，李季，等. 污泥干化焚烧乃污泥处理/处置终极方式[J]. 中国给水排水, 2019, 35(04): 35-42.