专利名称：一种连续流污泥生物物理干燥设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种对脱水污泥干化处理实现污泥减量化的处理设备及工艺，特别是 涉及城镇污水处理厂脱水污泥的连续流生物物理干燥设备及方法，属于固体废弃物处理与 资源化利用技术领域。
背景技术：
污泥作为污水处理的后续产物，其实是污水中污染物的浓缩，因此如果不能把污 泥彻底处置，就失去了污水处理的意义。但是，就目前的国内外现状，污泥的处理和处置一 直是困扰污水处理行业和市政管理的一大难题。目前我国污泥的处理处置所依据的原则 是“减量化、稳定化、无害化和资源化”，但无论是进行资源化利用还是进行稳定化、无害化 处理，常见的处理处置工艺，对污泥的含水率都有一定要求，将含水率为80%左右的脱水污 泥直接用于各处理处置工艺，存在很多问题，污泥含水率是制约各处理处置技术的瓶颈。因 此，降低污泥含水率是解决目前污泥处理遇到所有问题的关键。传统污泥干燥可分为三种类型直接干燥、间接干燥和直接_间接联合干燥。直 接干燥的实质是对流干燥技术的运用，其传输和蒸发效率高但热介质易污染且处理后需分 离；间接干燥的实质是传导干燥，它可以减少废气污染且降低气体带走的热损失，但传热蒸 发效率不如直接式。传统的污泥干燥方法均基于物理原理干燥，而在这一过程中的热能损 耗是对干化系统进行考评的重中之重。目前也有研究利用好氧微生物分解有机废物释放出的热量蒸发有机废物中水分 的生物干燥技术。这一技术最早由美国Cornell University科学家Jewell，W. J于1984 年提出的。该技术主要用于动物粪便的处理，其操作工艺主要有批式和序批式，批式的操作 工艺与传统高温堆肥相同。除此之外，生物干燥技术还在造纸污泥和生活垃圾处理等领域 有所应用，如Roy等(2006)通过对造纸污泥的生物干燥处理研究表明，由生物转化作用产 生的能量除去对流、辐射、出气及渗滤液排出带走的热量，依然可以作为有效干燥能源被利 用(Roy. G. ,Jasmin. S. ,Stuart. P. R. ,2006,Technical modelling of a batch biodrying reactor for pulp and paper mill sludge. In CHISA 2006_17th International Congress of Chemical and Process Engineering. Prague, Paper H6.2 14 20)。 ZHANG Dongqing, He pinjing(2008)等通过好氧生物处理技术干燥高含水率的城市固体废弃物， 将固体废物由 72% 的初始含水率降至50. 5% (Dong-Qing Zhang,Pin-Jing He. Bio-drying ofmunicipal solid waste with high water content by aeration procedures regulationand inoculation. Bioresource Technology 99(2008)8796—8802)。中国专利 文献公开了一种生活垃圾的生物干燥方法，申请号200710038264. 6和城镇污水污泥的 生物干燥方法，申请号200910086129. 8。综合各类已在研究的生物干燥技术，不论是应用 在生活垃圾、粪便还是造纸污泥，其主要操作工艺均为批式或序批式，这和传统的堆肥技术 相似，只是通过过程上的控制使得生物反应放热来蒸发底物水分。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续流污泥生物物理干燥设备及方法，旨在利用好氧微 生物分解污泥有机物所释放出的热量提高热焓蒸发物料中的水分，通过控制物理通风对流 作用实现水分去除速率远大于有机物料的降解速率，同时通过微生物好氧呼吸作用打破污 泥大颗粒的胶团结构实现多形态-多路径的水分流失，使得污泥含水率从80%左右降至 45%以下，且干燥后便于后续处理处置利用。本发明的技术方案如下—种连续流污泥生物物理干燥设备，其特征在于所述设备包括卧式滚筒、滚筒驱 动装置、交替底部布气系统、顶部对流导气系统和温湿度在线监测反馈系统；所述卧式滚筒 外壁依次设有废热循环夹层和保温层，卧式滚筒两端设有固定封头，在滚筒内壁上均勻设 有多块抄料板，抄料板的长度方向沿滚筒轴向布置，宽度方向沿滚筒径向布置，每块抄料板 设有一条或多条铰链；所述交替底部布气系统包括空气压缩机、主布气管路、时间继电器和 至少一组嵌于滚筒内壁的多孔布气板，每组多孔布气板包括两块对向布置的第一多孔布气 板和第二多孔布气板，所述的主布气管路分别经支管、电磁阀和穿孔布气管与两块多孔布 气板连通，支管上的电磁阀通过控制线路与时间继电器连接；所述顶部对流导气系统包括 引风机、导气回流管路和尾气冷凝除臭器，所述导气回流管路的一端与滚筒的出气端相连 通，另一端与滚筒的进气端相连通，所述的引风机和尾气冷凝除臭器依次布设在靠近滚筒 出气端的导气回流管路上；所述的温湿度在线监测反馈系统包括用于监测滚筒内基质温 度的温度传感器、用于监测滚筒出气端导气回流管路中气体湿度的湿度传感器和PLC控制 器，温度传感器和湿度传感器分别通过信号线与PLC控制器相连接，PLC控制器通过控制线 路连接交替底部布气系统和顶部对流导气系统。本发明的特征还在于所述的卧式滚筒向出料端方向倾斜布置，卧式滚筒的轴心 线与水平面的夹角为3° 5°，滚筒直径长度=1 5 10。本发明的技术特征还在于所述的卧式滚筒底部两端设托轮支撑。本发明的技术特征还在于所述的滚筒驱动装置包括电动机、减速器、传动齿轮和 设置在滚筒筒体上的齿圈，电动机的输出轴经减速器与传动齿轮连接，旋转的传动齿轮与 齿圈啮合，实现滚筒的旋转；所述电动机为变频电机。本发明还提供了一种连续流污泥生物物理干燥方法，其特征在于该方法包括如下 步骤1)前处理和进料将脱水泥饼与干燥辅料混勻，进入滚筒内，填充率50% 75% ；2)系统启动系统启动阶段，滚筒转速0 5转/d;交替底部布气系统通风布气， 通气量0. 05 0. 07m3/h kgVS，滚筒旋转时依靠时间继电器控制电磁阀启闭实现滚筒旋转 时相对两块多孔布气板交替进行底部供氧，当第一多孔布气板随滚筒旋转至底部时，通过 时间继电器控制第一电磁阀常开，第二电磁阀常闭，此时只有处于底部的一块多孔布气板 布气；随着滚筒的转动，当第二布气板旋转至底部时，控制第二电磁阀常开，第一电磁阀常 闭，同样只有处于底部的一块多孔布气板布气；当基质内温度低于50°C时，顶部引风机处 于关闭状态，阀门处于开启状态，尾气经旁通管路、尾气冷凝除臭器后自然回流；当基质内 温度由室温升高至50°C时，进入稳态干燥阶段；3)稳态干燥滚筒转速5 25转/d ；通过PLC控制器，以筒内基质温度反馈控制
5底部通风以50°C为界，当基质温度低于50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 05 0. 07m3/h kgVS，当基质温度超过50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 1 0. 15m3/ hkgVS ；以排气口湿度反馈控制顶部对流导气系统以湿度80%为界，当排气口湿度低于 80%时，顶部引风机关闭，阀门开启，尾气经旁通管路、尾气冷凝除臭器后自然回流，当排气 口湿度超过80%时，顶部引风机开启，阀门关闭，尾气经引风机、尾气冷凝除臭器后回流，引 风量与空气压缩机的鼓风量保持一致；4)连续流运行物料在卧式滚筒内停留5 7d后控制出料端缓慢出料，同时在进 料端等速补充新鲜物料，连续流运行阶段按照稳态干燥阶段参数调控；5)辅料筛分回流出料端排出的混合物料经自然风干后，通过振动筛分机筛分， 筛分后的辅料回流，同时补充少量新鲜辅料，混勻待干燥污泥作为新鲜物料重新进入卧式 滚筒；筛分分离辅料的干化污泥进行后续资源化利用。本发明具有如下优点及突出性效果①干燥过程中充分利用好氧微生物的自发热 作用，连续干化脱水污泥，由于污泥自发热作用使得传热传质方向一致，大大提高了能量的 利用效率，且通过好氧微生物的代谢作用可打破污泥的胶团絮体结构，改善了污泥的水分 存在形式，便于后处理利用；连续流生物物理干燥过程中，干燥辅料的添加可起到改善污泥 通风性状、补充好氧微生物代谢碳源的双重作用，且干燥后辅料可筛分回流，也起到了循环 利用和接种微生物加速系统启动的双重作用。②卧式滚筒设计首先从运行方式上实现了连 续式进出料，大大提高了生物干燥效率和系统运行的稳定性，其次通过卧式滚筒旋转、辅以 抄料板/铰链输送、充氧、混勻物料，大大节省了能耗。③通过废热循环夹层设计，可高效利 用各类能量作为辅助热源用以提高污泥和空气热焓，大大降低热量损失。④通过交替底部 布气-顶部对流导气的通风系统布设，以及温湿度在线监测反馈控制通风条件，强化微生 物、污泥、水分、空气间传热传质，实现污泥水分的快速去除。
图1为本发明提供的连续流污泥生物物理干燥设备的结构示意图(剖视图)。图2为图1的A-A断面。图3为图1的B-B剖视图。图4为抄料板和铰链在滚筒内的布置结构图。图中1_进料端；2-出料端；3-进气端；4-出气端；5-卧式滚筒；6_封头；7_废 热循环夹层；8-保温层；9-托轮；10-传动齿轮；11-电动机；12-空气压缩机；13-流量 计；14a-第一多孔布气板；14b-第二多孔布气板；15-主布气管路；16a_第一穿孔布气管； 16b-第二穿孔布气管；17-时间继电器；18a-第一电磁阀；18b_第二电磁阀；19-抄料板； 20-铰链；21-引风机；22-尾气冷凝除臭器；23-导气回流管路；24-湿度传感器；25-温度 传感器；26-PLC控制器；27-阀门；28-旁通管路
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的结构、工作原理和工作过程作进一步的说明。图1为本发明提供的连续流污泥生物物理干燥设备的结构示意图(剖视图)。该 设备包括卧式滚筒5、滚筒驱动装置、交替底部布气系统、顶部对流导气系统和温湿度在线监测反馈系统。所述卧式滚筒外壁依次设有废热循环夹层7和保温层8，废热循环夹层 中可选择性引入工业废热作为污泥好氧生物物理干燥辅助热源，夹层厚度一般为3 5cm， 废热流的流速可根据废热源的温度和换热效率确定，保温层可选用岩棉或聚氨酯等保温材 料，厚度5 10cm。卧式滚筒两端设有固定封头6。在滚筒内壁上均勻设有多块抄料板19， 抄料板底部设有支撑板加固，抄料板的长度方向沿滚筒轴向布置，每块抄料板的长度可与 卧式滚筒长度一致，也可沿筒体轴向方向分割为多块，抄料板的宽度方向沿滚筒径向布置， 抄料板宽度滚筒半径=1 2. 5 5。每块抄料板上挂有一条或多条铰链20，铰链的作 用在于辅助抄料板混勻物料，其间距和步长可根据实际情况调整；所述交替底部布气系统 包括空气压缩机12、主布气管路15、时间继电器17和至少一组嵌于滚筒内壁的多孔布气 板，每组多孔布气板包括两块对向布置的第一多孔布气板14a和第二多孔布气板14b，所述 的主布气管路经封头圆心安装的旋转接头后进入筒体，之后分别经支管、电磁阀和穿孔布 气管与两块多孔布气板连通，主布气管路、支管可埋入卧式滚筒外壁的保温层7中，支管上 的电磁阀通过控制线路与时间继电器17连接，控制线路可通过导电滑环与外部固定电源 连接；所述顶部对流导气系统包括引风机21、导气回流管路23和尾气冷凝除臭器22，所述 导气回流管路23的一端与滚筒的出气端相连通，另一端与滚筒的进气端相连通，所述的引 风机和尾气冷凝除臭器依次布设在靠近滚筒出气端的导气回流管路上；所述的温湿度在线 监测反馈系统包括用于监测滚筒内基质温度的温度传感器25、用于监测滚筒出气端导气回 流管路中气体湿度的湿度传感器24和PLC控制器26，温度传感器和湿度传感器分别通过信 号线与PLC控制器相连接，PLC控制器通过控制线路连接交替底部布气系统和顶部对流导 气系统。所述的卧式滚筒向出料端方向倾斜布置，卧式滚筒的轴心线与水平面的夹角为 3° 5°，滚筒直径长度=1 5 10，筒体壁厚一般6 8mm。所述的卧式滚筒底部两端设托轮9支撑，筒体倾角微调可通过改变托轮实现。所述的滚筒驱动装置包括电动机11、减速器、传动齿轮10和设置在滚筒筒体上的 齿圈，电动机的输出轴经减速器与传动齿轮连接，旋转的传动齿轮与齿圈啮合实现滚筒的 旋转，滚筒转速可通过调整电机减速器实现，所述电动机为变频电机。工作原理为本发明所述设备主要用于干燥城市污水处理厂机械脱水后的污泥 (含水率80%左右)，利用干燥辅料改善脱水泥饼的通风性状之后，输送混合物料进入卧式 滚筒之中，通过滚筒内的废热循环预热和反馈通风系统控制，可加速好氧微生物产热和强 化物理对流作用从而实现高效水分去除，干燥尾气于系统内部自循环避免了尾气污染，连 续流进出料，辅料回流循环利用。具体操作步骤如下1)前处理和进料将脱水泥饼(含水率80%左右)与干燥辅料混勻，混勻后将附 着于辅料表面的污泥含水率调控至62 % 73 %为最佳，输送混合物料进入滚筒内，填充率 50% 75%，最佳填充密度400 650kg/m3 ；2)系统启动系统启动阶段，滚筒转速0 5转/d ；交替底部布气系统通风布气， 通气量0. 05 0. 07m3/h kgVS，滚筒旋转时依靠时间继电器控制电磁阀启闭实现滚筒旋转 时相对两块多孔布气板交替进行底部供氧，当第一多孔布气板14a随滚筒旋转至底部时， 通过时间继电器17控制第一电磁阀18a常开，第二电磁阀18b常闭，此时只有处于底部的 一块多孔布气板布气；随着滚筒的转动，当第二布气板14b旋转至底部时，控制第二电磁阀18b常开，第一电磁阀18a常闭，同样只有处于底部的一块多孔布气板布气；当基质内温度 低于50°C时，顶部引风机21均处于关闭状态，阀门27处于开启状态，尾气经旁通管路28、 尾气冷凝除臭器22后自然回流；当基质内温度由室温升高至50°C时，进入稳态干燥阶段；3)稳态干燥卧式滚筒转速5 25转/d ；通过PLC控制器，以筒内基质温度反 馈控制底部通风以50°C为界，当基质温度低于50°C时，交替底部布气系统通风控制参数 0. 05 0. 07m3/h kgVS，当基质温度超过50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 1 0. 15m3/hkgVS ；以排气口湿度反馈控制顶部对流导气系统以湿度80%为界，当排气口湿度 低于80%时，顶部引风机21关闭，阀门27开启，尾气经旁通管路28、尾气冷凝除臭器22后 自然回流，当排气口湿度超过80%时，顶部引风机21开启，阀门27关闭，尾气经引风机21、 尾气冷凝除臭器22后回流，引风量与空气压缩机12的鼓风量保持一致，冷凝液排入城市污 水管网处理；4)连续流运行通过改变卧式滚筒倾角和转速控制物料在筒体中的停留时间，物 料在卧式滚筒内停留5 7d后控制出料端缓慢出料，同时在进料端等速补充新鲜物料，连 续流运行阶段按照稳态干燥阶段参数调控；5)辅料筛分回流出料端排出的混合物料经自然风干，将含水率降至25%以下之 后，通过振动筛分机筛分，筛分后的辅料回流，同时补充少量新鲜辅料，混勻待干燥污泥作 为新鲜物料重新进入卧式滚筒；筛分分离辅料的干化污泥VS ^ 60%，可进行后续资源化利用。实施例1 待处理某城市污水处理厂脱水污泥初始含水率82 %，有机质65. 5 %，处 理规模IOOkg脱水污泥/d。将脱水污泥(含水率82 % )和粒径1 2cm树皮(含水率10 % ) 以5 3质量比在桨式搅拌设备中混勻，混勻后树皮表面污泥含水率被调控至69.8%。输 送混合物料进入滚筒内，填充率70 %，填充密度550kg/m3。系统启动阶段，滚筒静止，底部多 孔布气板通风布气参数0. 05m3/h kgVS。当基质内温度由室温升高至50°C时，进入稳态干 燥过程，滚筒以5转/d的速度旋转，当基质温度低于50°C时，交替底部布气系统通风控制参 数0. 05m3/hkgVS,当基质温度超过50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. lm3/h kgVS。 物料在滚筒内停留7d后，以150kg/d的速率出料，出料污泥含水率35%，自然风干Id后污 泥含水率降至20%，VS = 60%。筛分出来的污泥直接进焚烧厂焚烧，筛分出来的树皮回流 同时补充5%的新鲜树皮，按脱水污泥树皮=5 3质量比混合，以150kg/d的速率重新 进入卧式滚筒，实现连续流运行。实施例2 待处理某城市污水处理厂脱水污泥初始含水率82 %，有机质65. 5 %， 处理规模IOOkg脱水污泥/d。将脱水污泥(含水率82% )和粒径1 2cm树皮(含水率 10%)以7 3质量比在桨式搅拌设备中混勻，混勻后树皮表面污泥含水率被调控至72%。 输送混合物料进入滚筒内，填充率68 %，填充密度650kg/m3。系统启动阶段，滚筒静止，底 部多孔布气板通风布气参数0.07m3/h kgVS。当基质内温度由室温升高至50°C时，进入稳 态干燥过程，滚筒以7转/d的速度旋转，当基质温度低于50°C时，交替底部布气系统通风 控制参数0. 07m3/hkgVS,当基质温度超过50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 15m3/ h kgVS。物料在滚筒内停留7d后，以120kg/d的速率出料，出料污泥含水率39%，自然风干 Id后污泥含水率降至22. 5%, VS = 62. 7%。筛分出来的污泥直接进焚烧厂焚烧，筛分出来 的树皮回流同时补充5%的新鲜树皮，按脱水污泥树皮=7 3质量比混合，以120kg/d
8的速率重新进入卧式滚筒，实现连续流运行。
权利要求
一种连续流污泥生物物理干燥设备，其特征在于所述设备包括卧式滚筒(5)、滚筒驱动装置、交替底部布气系统、顶部对流导气系统和温湿度在线监测反馈系统；所述卧式滚筒外壁依次设有废热循环夹层(7)和保温层(8)，卧式滚筒两端设有固定封头(6)，在滚筒内壁上均匀设有多块抄料板(19)，抄料板的长度方向沿滚筒轴向布置，宽度方向沿滚筒径向布置，每块抄料板设有一条或多条铰链(20)；所述交替底部布气系统包括空气压缩机(12)、主布气管路(15)、时间继电器(17)和至少一组嵌于滚筒内壁的多孔布气板，每组多孔布气板包括两块对向布置的第一多孔布气板(14a)和第二多孔布气板(14b)，所述的主布气管路分别经支管、电磁阀和穿孔布气管与两块多孔布气板连通，支管上的电磁阀通过控制线路与时间继电器(17)连接；所述顶部对流导气系统包括引风机(21)、导气回流管路(23)和尾气冷凝除臭器(22)，所述导气回流管路(23)的一端与滚筒的出气端相连通，另一端与滚筒的进气端相连通，所述的引风机和尾气冷凝除臭器依次布设在靠近滚筒出气端的导气回流管路上；所述的温湿度在线监测反馈系统包括用于监测滚筒内基质温度的温度传感器(25)、用于监测滚筒出气端导气回流管路中气体湿度的湿度传感器(24)和PLC控制器(26)，温度传感器和湿度传感器分别通过信号线与PLC控制器相连接，PLC控制器通过控制线路连接交替底部布气系统和顶部对流导气系统。
2.根据权利要求1所述的连续流污泥生物物理干燥设备，其特征在于所述的卧式滚 筒向出料端方向倾斜布置，卧式滚筒的轴心线与水平面的夹角为3° 5°，滚筒直径长 度=1 5 10。
3.根据权利要求1或2所述的连续流污泥生物物理干燥设备，其特征在于所述的卧 式滚筒底部两端设托轮(9)支撑。
4.根据权利要求1或2所述的连续流污泥生物物理干燥设备，其特征在于所述的滚 筒驱动装置包括电动机(11)、减速器、传动齿轮(10)和设置在滚筒筒体上的齿圈，电动机 的输出轴经减速器与传动齿轮连接，传动齿轮与齿圈啮合，实现滚筒的旋转；所述电动机为 变频电机。
5.一种采用如权利要求1所述设备的连续流污泥生物物理干燥方法，其特征在于该方 法包括如下步骤1)前处理和进料将脱水泥饼与干燥辅料混勻后送入滚筒内，填充率50% 75%；2)系统启动系统启动阶段，滚筒转速0 5转/d;交替底部布气系统通风布气，通气 量0. 05 0. 07m3/h kgVS，滚筒旋转时依靠时间继电器控制电磁阀启闭实现滚筒旋转时相 对两块多孔布气板交替进行底部供氧，当第一多孔布气板(14a)随滚筒旋转至底部时，第 一电磁阀(18a)常开，第二电磁阀(18b)常闭，此时只有处于底部的一块多孔布气板布气； 随着滚筒的转动，当第二布气板(14b)旋转至底部时，控制第二电磁阀(18b)常开，第一电 磁阀(18a)常闭，同样只有处于底部的一块多孔布气板布气；当基质内温度低于50°C时，顶 部引风机(21)处于关闭状态，阀门(27)处于开启状态，尾气经旁通管路(28)、尾气冷凝除 臭器(22)后自然回流；当基质内温度由室温升高至50°C时，进入稳态干燥阶段；3)稳态干燥滚筒转速5 25转/d，通过PLC控制器，以筒内基质温度反馈控制底部通 风以50°C为界，当基质温度低于50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 05 0. 07m3/ h kgVS，当基质温度超过50°C时，交替底部布气系统通风控制参数0. 1 0. 15m3/hkgVS ；以 排气口湿度反馈控制顶部对流导气系统以湿度80%为界，当排气口湿度低于为80%时，顶部引风机(21)关闭，阀门(27)开启，尾气经旁通管路(28)、尾气冷凝除臭器(22)后自 然回流，当排气口湿度超过80%时，顶部引风机(21)开启，阀门(27)关闭，尾气经引风机 (21)、尾气冷凝除臭器(22)后回流，引风量与空气压缩机(12)的鼓风量保持一致；4)连续流运行物料在卧式滚筒内停留5 7d后控制出料端缓慢出料，同时在进料端 等速补充新鲜物料，连续流运行阶段按照稳态干燥阶段参数调控；5)辅料筛分回流出料端排出的混合物料经自然风干后，通过振动筛分机筛分，筛分 后的辅料回流，同时补充少量新鲜辅料，混勻待干燥污泥作为新鲜物料重新进入卧式滚筒； 筛分分离辅料的干化污泥进行后续资源化利用。
全文摘要
一种连续流污泥生物物理干燥设备及方法，所述设备包括卧式滚筒、滚筒驱动装置、交替底部布气系统、顶部对流导气系统和温湿度在线监测反馈系统。干燥过程中借助好氧微生物产热和物理强化作用连续干燥脱水污泥。为实现高效的水分去除率，本发明提出通过卧式滚筒设计、废热循环预热、铰链/抄料板内置、交替底部布气-顶部对流导气的通风系统布设、温湿度在线监测反馈控制通风条件，强化微生物、污泥、水分与空气之间的传热传质。干燥产生的尾气经冷凝除臭后于系统内部自循环，辅料回流接种并循环利用。本发明可广泛用于城镇污水厂脱水污泥干燥，且微生物强化破解污泥胶团结构利于后处理利用，具有成本低、污泥减量化效率高的特点，应用前景广阔。
文档编号C02F11/12GK101913744SQ20101023729
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者刘晋文, 张相锋, 王洪涛, 赵岩, 阳金龙, 陆文静, 韩融 申请人:清华大学