CN113636737B - 剩余污泥脱水干化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及剩余污泥脱水干化方法和装置，提供了一种剩余污泥脱水干化方法，包括：(A)剩余污泥离心脱水，(B)投加一定比例分散介质混合均匀，(C)通过旋流自转对剩余污泥‑分散介质混合物进行非相变干化，(D)干化污泥‑分散介质混合物气流加速度分选，(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集，(F)在气液分离塔中对含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用，以及(G)含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收。

Description

剩余污泥脱水干化方法和装置

技术领域

本公开属于化工与环保领域，涉及一种实现污水处理厂剩余污泥水分的脱除、污泥分散介质分选回用以及通过污水源热泵提供系统所需热能的方法和装置。具体地说，本公开涉及一种污水处理厂剩余污泥脱水干化的方法和装置。

背景技术

随着我国城市化的快速发展以及工业化水平的不断提升，污水处理量不断提高。截止2019年底，我国城市和县城污水年排放量为5648亿立方米，建成污水处理厂4140座，日处理能力达21.5亿立方米。随着我国污水处理能力的逐步提高，污泥产量也大幅增加。截止到2020年，以含水率80重量％计的污泥产量已突破6000万吨，而根据调查显示，我国产生的污泥有70％没有得到妥善处理，污泥处理处置所面临的处境十分严峻。

城市污水处理过程中产生的剩余污泥含有重金属物质、病原体、病毒、微生物以及大量有毒有机物与无机物，如不加以妥善处理和处置会给环境造成严重的二次污染，威胁人类的健康和生态安全。因此，如何达到污泥处理处置的“减量化、稳定化、无害化、资源化”已经成为当前亟待解决的社会问题之一。

污泥减量化对于污泥处理处置问题的解决尤为关键，目前剩余污泥脱水主要分为自然脱水和机械脱水两种方式。其中，自然脱水包括渗漏和自然蒸发，需建造污泥干化场，可将污泥含水率将至75重量％左右。自然脱水虽然操作简单但由于脱水效率不高、占地面积大、易腐烂发臭、时间周期长、受天气的影响大等，不能大规模推广。机械脱水的效率较高，主要包括过滤法和离心法，能将污泥含水率降低到50～80重量％不等，占地面积较小，但对于设备要求较高、能耗较大并且对于污泥的预处理也有很高的要求。

因此，如何对剩余污泥进行深度脱水是实现污泥减量化的关键所在，从而影响污泥处理处置的全过程发展。

中国专利申请CN201910549688.1公开了一种剩余污泥脱水的方法和装置，通过内置有旋流器的颗粒床对高含水率的剩余污泥进行浓缩，浓缩后的污泥随热气依次进入旋流自转脱水器和加速度气流分选柱进行深度脱水以及污泥与滤料的分选，剩余污泥随气体从分选柱顶部进入旋流捕集器被收集，分离的石英砂滤料从分选柱底部排出并进入系统循环。该方法和装置的脱水效果较好，但该装置中的沸腾床过滤速度慢，污泥需经沸腾床饱和后再进入旋流器干化，对于返料石英砂需要沸腾床再填料，其操作复杂，运行周期较长，连续性较差。石英砂填料粒径为0.5～1mm，床层高度550mm，整个系统压降较大，并且过滤为表层过滤，下层石英砂未尽其用，处理量较小。该装置通过加热机对气体进行加热，能耗较高，并且从旋流捕集器排出的不含污泥的气体携带有大量余热，直接排放浪费能源，导致成本进一步增加，不符合住建部对于污泥处置技术“绿色、环保、循环、低碳”的明确要求。

中国专利申请CN201910549483.3公开了一种炼油厂剩余污泥脱水的方法和装置，通过加热氮气将污泥送入旋流自转脱水器进行剩余污泥的脱水与除油，然后进入分选柱通过气流的脉动实现高含水率污泥和低含水率污泥的分选，低含水率的污泥进入旋流捕集器被收集，而高含水率的污泥返回至系统与原始剩余污泥混合进行造粒进入下一次污泥的脱水过程。从旋流捕集器溢流口排出的含水气体在气液分离塔实现油相、液滴和气体的分离，纯净气体作循环使用。但该剩余污泥未作预处理其含水率过高，通过高含水率的污泥混合其分散性也较差，不能发挥旋流自转脱水的最佳效果。同时，高含水率与低含水率污泥颗粒属于同类物质其比重差异较小，容易导致分选柱分选效果不明显。所用气体为氮气，通过加热机对气体进行加热，增加了系统的能耗和成本，并且气液分离塔分离得到的油相和水滴含有大量的余热，直接外排会造成热量的耗散浪费。

中国专利申请CN201310251554.4公开了一种改良剩余污泥脱水性能的方法，通过向好氧颗粒污泥反应器的剩余污泥添加聚合氯化铝和絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺溶液以及改性粉煤灰和氧化钙改变其脱水性能，再通过板框压滤机进行机械脱水，最终剩余污泥的含水率降低到60重量％左右。但该方法的核心依然是板框压滤，其能耗较高、操作复杂、自动化程度低并且设备需要频繁维护和检修增大了其使用成本。同时该方法需要配置和添加一系列药剂，不仅操作复杂，药剂成本较高，而且脱水效果受污泥特质影响大，针对性较差。

中国专利申请CN201720198474.0公开了一种新型叠螺式污泥脱水机，通过两级叠螺式脱水腔室串联的方式，对污泥进行深度脱水。该方法操作简单、成本较低、占地也较小，但污泥水分脱除效果不佳是其最大缺点，只能针对污泥含水率不高的情况，不能用于污水处理厂含水率高达98重量％的剩余污泥，并且该方法的污泥处理量也较小。

因此，针对当前污泥脱水存在的技术问题、成本问题和环境污染问题，本领域迫切需要开发出一种脱水效率高、流程简单、低成本、节能型与环保型的污泥深度脱水方法及装置，以达到剩余污泥减量化和资源化利用的处理处置目标。

发明内容

本公开提供了一种新的剩余污泥脱水干化方法和装置，从而解决了目前常规污泥脱水干化存在的问题。

本发明所要解决的一个技术问题是：传统污泥脱水方法其脱水效率不高，很难达到减量化的目的，并且能耗高、操作复杂、成本较高。本发明依据颗粒物质在旋流场中作高速自转运动的现象，依靠高速自转会产生巨大离心力从而克服毛细阻力的原理，设计了旋流自转的污泥脱水方法和装置，通过旋流器内颗粒物质的高速自转实现剩余污泥水分的深度脱除。与传统污泥蒸发脱水方法相比，本发明的方法和装置在不需输入能量使污泥水分发生相变的基础上仍具有较高脱水效率，并且对排出的尾气和废水中的余热进行回收循环利用，具有显著的节能优势。本发明提供的方法和装置具有污泥脱水效率高、能耗低、操作简单、对环境无二次污染等优点。

本发明所要解决的另一个技术问题是：利用旋流自转对污泥进行脱水时，污泥粘度高以及污泥团的聚集现象会导致污泥内部水分的粘滞阻力过大以及旋流器的粘壁现象，从而严重影响旋流污泥脱水的效果。本发明利用分散介质比表面积大、吸水性好、具有一定的机械强度等特点，与污泥混合降低污泥间的粘度并提高污泥的分散性和颗粒度，从而提高了旋流污泥脱水的效率。煤渣颗粒作为一种固体废物，在本方法中可将其作为优良的分散介质，具有“以废治废，固体废物资源化利用”的优点。

本发明所要解决的再一个技术问题是：城市污水中含有大量的低位热能，水量较大且波动幅度较小，温度相对较高且温差变化较小，可作为优良的热泵热源。而污水处理厂在处理城市污水的过程中，往往忽略这一优良的热源，没有好好利用。本发明利用污水源热泵和中间换热器联用的方法，将原生污水中的低位热能以及污泥水分中所含余热提取出来作为系统气体加热的能源，大大减少了污泥干化的能耗和成本，进一步体现了本发明的节能优势。

一方面，本公开提供了一种剩余污泥脱水干化方法，该方法包括以下步骤：

(A)剩余污泥离心脱水：对剩余污泥进行脱水，以实现剩余污泥的初步浓缩；

(B)投加一定比例分散介质混合均匀：向步骤(A)中得到的剩余污泥中投加分散介质，以实现剩余污泥的颗粒化；

(C)通过旋流自转对剩余污泥-分散介质混合物进行非相变干化：利用载热气体将步骤(B)中得到的剩余污泥-分散介质混合物进行旋流自转脱水，以实现剩余污泥的非相变干化；

(D)干化污泥-分散介质混合物气流加速度分选：利用步骤(C)中得到的干化污泥-分散介质混合物的分散介质和干化污泥的比重不同，干化污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出并进入旋流捕集器被捕集，而分散介质沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机内，与剩余污泥混合后进入下一次污泥干化过程；

(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集：步骤(D)中分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器作进一步旋流自转干化后，干化污泥由旋流捕集器底流口排出并被收集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔；

(F)在气液分离塔中对步骤(E)中得到的含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用；以及

(G)步骤(F)中得到的含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收。

在一个优选的实施方式中，在所述步骤(A)中，通过污泥脱水离心机对剩余污泥进行浓缩脱水，浓缩后的污泥进入搅拌机与分散介质混合，所述剩余污泥来自污水厂沉砂池与二沉池，其含水率大于95重量％。

在另一个优选的实施方式中，在所述步骤(B)中，剩余污泥与分散介质的混合比例为3:1至1:3；分散介质包括煤渣颗粒、石英砂、珍珠岩和海砂。

在另一个优选的实施方式中，在所述步骤(C)中，分散介质与剩余污泥间的水分以及剩余污泥中水分的脱除在旋流脱水器中进行，利用旋流场中颗粒高速自转产生的离心力和剪切产生的机械剥离作用强化剩余污泥中的水分脱除；载热气体的温度为40℃-80℃。

在另一个优选的实施方式中，在所述步骤(D)中，通过脉动发生器形成流量成正、余弦波形周期的脉动气体，利用污泥与分散介质密度的差异使得二者在气流加速度分选柱中的总体位移方向产生差异，干化后的污泥随气流自气流加速度分选柱顶部排出进入旋流捕集器，分散介质则沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机作循环使用，从而实现分散介质与污泥的分选。

在另一个优选的实施方式中，在所述步骤(F)中，纯净热气循环作为污水源热泵机组冷凝端的受热流体。

在另一个优选的实施方式中，在所述步骤(G)中，实现热量传递之后的含热废水和原生污水均排入污水干渠。

另一方面，本公开提供了一种剩余污泥脱水干化装置，该装置包括：

污泥脱水离心机，用于进行步骤：(A)剩余污泥离心脱水：对剩余污泥进行脱水，以实现剩余污泥的初步浓缩；

与污泥脱水离心机连接的搅拌机，用于进行步骤：(B)投加一定比例分散介质混合均匀：向步骤(A)中得到的剩余污泥中投加分散介质，以实现剩余污泥的颗粒化；

与搅拌机连接的旋流脱水器，用于进行步骤：(C)通过旋流自转对剩余污泥-分散介质混合物进行非相变干化：利用载热气体将步骤(B)中得到的剩余污泥-分散介质混合物进行旋流自转脱水，以实现剩余污泥的非相变干化；

与脱水器连接的气流加速度分选柱，用于进行步骤：(D)干化污泥-分散介质混合物气流加速度分选：利用步骤(C)中得到的干化污泥-分散介质混合物的分散介质和干化污泥的比重不同，干化污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出并进入旋流捕集器被捕集，而分散介质沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机内，与剩余污泥混合后进入下一次污泥干化过程；

与气流加速度分选柱连接的旋流捕集器，用于进行步骤：(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集：步骤(D)中分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器作进一步旋流自转干化后，干化污泥由旋流捕集器底流口排出并被收集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔；

与旋流捕集器连接的气液分离塔，用于进行步骤：(F)在气液分离塔中对步骤(E)中得到的含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用；以及

与气液分离塔连接的中间换热器，和与中间换热器连接的污水源热泵机组，用于进行步骤：(G)步骤(F)中得到的含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收。

在一个优选的实施方式中，所述装置还包括：

与污水源热泵机组连接的风机，用于系统开始运行时的气体来源以及运行过程中的气体补充；以及与旋流脱水器连接的气流脉动发生器，用于产生流量具有正余弦波形周期的脉动气流。

在另一个优选的实施方式中，污泥脱水离心机将剩余污泥含水率降低至70重量％。

有益效果：

本发明方法和装置的主要优点在于：

(1)相比传统污泥脱水方法，本发明方法和装置的脱水效率更高。利用颗粒物质在旋流场中的高速自转运动(自转速率高达20000r/min～60000r/min)产生的巨大离心力以及污泥颗粒在旋流场中受到的高速剪切力和机械剥离作用，可以高效脱除污泥表面以及孔隙中的水分。

(2)通过分散介质与污泥混合提高污泥颗粒的分散性，从而降低污泥颗粒间的粘度，减小污泥的粘滞阻力，有利于提高其脱水效率。

(3)利用分散介质和污泥颗粒的密度差异，基于气流加速度分选原理实现二者在分选柱内的高效分选，分散介质可作为分散剂循环利用，进一步降低了系统运行成本，并且具有流程简单，操作方便的优点。

(4)本发明方法和装置解决了常规的加热蒸发干化必须克服污泥中水分的汽化潜热从而发生相变造成能耗高的问题，同时通过污水源热泵和中间换热器将原生污水中的低位热能以及污泥水分中所含余热提取出来作为系统气体加热的能源，具有十分显著的低能耗优势。

附图说明

附图是用以提供对本公开的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本公开，并不构成对本公开的限制。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的剩余污泥非相变干化的工艺流程示意图。

图2是根据本公开的一个优选实施方式的污泥旋流干化和蒸发干化的能耗对比图。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，在旋流场中颗粒物质具有高速的自转运动，其自转速率高达20000r/min～60000r/min，可利用污泥颗粒在旋流器中高速自转产生的离心力克服孔道中水相的毛细阻力，实现污泥表面和孔道中水分的高效脱除；同时利用污泥在旋流器内脉动自转产生快速振荡，改变污泥表面和水相接触界面的性质，强化脱水过程；通过旋流自转可解决传统污泥离心脱水因离心力不足仅能脱除部分间隙水的问题，并且通过分散介质可增大气液两相界面交换的面积以及降低水分的粘滞阻力，与传统污泥脱水方法相比具有更高的效率和更低的能耗；

脉动气流具有气流的加速效应，在分选柱内产生连续的正余弦波形的脉动气流，使颗粒在每一脉动周期上都获得新的加速运动；通过调节最大脉动气流量的大小，使小粒径或小密度的污泥颗粒在上下震荡运动的过程中，向上脉动的位移始终大于向下的脉动位移，保证污泥颗粒在长周期脉动的过程中总体位移为正，向上运动并从分选柱上部排出；同理，大粒径或大密度的分散介质在长周期脉动的过程中总体位移为负，向下运动并从分选柱底部排出返料至搅拌机循环使用；

污泥脱水产生的尾气以及废水中往往还含有大量余热，直接排放不仅容易引起环境的二次污染而且会造成热能资源的浪费；其中，尾气可循环使用，另外可通过换热机将废水中的余热传递给原生污水中，再通过污水源热泵将原生污水中的低位热能提取出来用于脱水系统的热能需求，从而进一步降低污泥脱水系统的能耗。

基于上述研究及发现，申请人开发了一种用于剩余污泥非相变干化的方法和装置，具有脱水效率高、能耗低、流程简单、操作方便以及环保等优点，可有效解决现有污泥脱水技术中存在的问题。

在本公开的第一方面，提供了一种剩余污泥脱水干化方法，该方法包括以下步骤：

(A)剩余污泥离心脱水：通过污泥脱水离心机对剩余污泥进行脱水，以实现剩余污泥的初步浓缩；

(B)投加一定比例分散介质混合均匀：向步骤(A)中得到的剩余污泥中投加一定量的分散介质以提高污泥的分散性，实现剩余污泥的颗粒化从而利于后续旋流自转脱水；

(C)通过旋流自转对剩余污泥-分散介质混合物进行非相变干化：利用载热气体将步骤(B)中得到的剩余污泥-分散介质混合物送入旋流脱水器进行旋流自转脱水，以实现剩余污泥的非相变干化；

(D)干化污泥-分散介质混合物气流加速度分选：利用分散介质和干化污泥的比重不同，干化污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出并进入旋流捕集器被捕集，而分散介质沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机内，与剩余污泥混合后进入下一次污泥干化过程；

(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集：步骤(D)中分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器作进一步旋流自转干化，干化污泥由旋流捕集器底流口排出并被收集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔；

(F)对步骤(E)中得到的含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用；以及

(G)步骤(F)中的含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收。

在本公开中，在所述步骤(A)中，通过污泥脱水离心机对剩余污泥进行浓缩脱水，浓缩后的污泥进入搅拌机与分散介质混合，所述剩余污泥主要来自污水厂沉砂池与二沉池，其含水率大于95重量％。

在本公开中，在所述步骤(B)中，投加分散介质的作用是提高污泥的分散性，实现污泥的颗粒化以利于后续旋流自转脱水，其中，污泥与分散介质的混合比例为3:1至1:3；分散介质包括煤渣颗粒、石英砂、珍珠岩、海砂等与污泥具有密度差且机械强度较高的颗粒物质，优选煤渣颗粒。

在本公开中，在所述步骤(C)中，分散介质与污泥间的水分以及污泥中水分的脱除在旋流脱水器中进行，利用旋流场中颗粒高速自转产生的巨大离心力和剪切产生的机械剥离作用强化污泥中的水分脱除；并且载热气体具有一定的温度可降低水分的黏附阻力从而更容易离心脱附，载热气体的温度为40℃-80℃。

在本公开中，在所述步骤(D)中，通过脉动发生器形成流量成正、余弦波形周期的脉动气体，利用污泥与分散介质密度的差异使得二者在分选柱中的总体位移方向产生差异，干化后的污泥随气流自气流加速度分选柱顶部排出进入旋流捕集器，分散介质则沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机作循环使用，从而实现分散介质与污泥的分选。

在本公开中，在所述步骤(E)中，分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器，通过旋流分离实现气相中干化污泥的分离与捕集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔，此过程可以进一步脱除污泥中的水分，降低污泥的含水率。

在本公开中，在所述步骤(F)中，含水气体进入气液分离塔，通过旋流分离得到纯净热气与含热废水，其中，纯净热气可循环作为污水源热泵机组冷凝端的受热流体。

在本公开中，在所述步骤(G)中，含热废水通过中间换热器将余热转移到提取的原生污水中，再利用污水源热泵将热能高效率地传递给进口气体，其中进口气体由气液分离塔分离出的纯净热气和风机补充空气组成，实现热量传递之后的含热废水和原生污水均排入污水干渠，此过程省去了通过加热机加热进口气体的步骤，大大减少了干化系统的能耗，进一步体现了非相变干化的节能优势。

在本公开的第二方面，提供了一种剩余污泥脱水干化装置，该装置包括：

污泥脱水离心机，用于进行步骤：(A)剩余污泥的初步浓缩脱水：污泥含水率可由98重量％降低为70重量％左右，将流态污泥转为粘稠污泥以利于后续投加分散介质，实现污泥颗粒的分散化；

与污泥脱水离心机连接的搅拌机，用于进行步骤：(B)污泥与分散介质的混合：向剩余污泥投加分散介质，并且投加量保持污泥：分散介质＝3:1-1:3，此处的分散介质包括煤渣颗粒、石英砂、珍珠岩、海砂等与污泥具有密度差并且具有一定机械强度的颗粒物质；通过分散介质的接触表面提高污泥的分散性，实现污泥的颗粒化利于后续旋流自转干化；其中，煤渣颗粒价格低廉、表面粗糙、比表面积大、孔隙率高并且还易吸水，可作为优良的污泥分散介质；

与搅拌机连接的旋流脱水器，用于步骤：(C)对污泥-分散介质混合物进行非相变干化：通过旋流高速自转对污泥-分散介质混合物进行高效脱水，同时实现污泥与分散介质的分离；

与旋流脱水器连接的气流加速度分选柱，用于步骤：(D)污泥与分散介质的分选：通过脉动气流使污泥与分散介质产生位移差，分选出的污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出进入旋流捕集器，分散介质则从气流加速度分选柱底部排出，并返料至搅拌机循环使用；

与气流加速度分选柱连接的旋流捕集器，用于步骤：(E)干化污泥颗粒捕集：旋流捕集器可通过颗粒的高速自转对污泥进一步脱水干化，并通过底流口将其捕集，携带液相的气体则从溢流口排出；

与旋流捕集器连接的气液分离塔，用于步骤(F)中的气液分离：通过旋流分离得到的含热气体从气液分离塔顶部排出，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用，含热液相则从气液分离塔底部排出进入中间换热器；

与气液分离塔连接的中间换热器，用于步骤(G)中含热废水与原生污水的换热：含热废水的余热通过中间换热器转移到原生污水中，原生污水可作为污水源热泵蒸发端的放热流体，其中，原生污水通过污水泵取自污水干渠，经过换热后的含热废水排入污水干渠；以及

与中间换热器连接的污水源热泵机组，用于步骤(G)中的热量传递：通过污水源热泵的循环吸热与放热，将原生污水中的低位热能与含热废水中的余热传递到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收，其中，进口气体能根据需求加热到40～80℃，热传递之后的原生污水直接排入污水干渠。

在本公开中，所述装置还包括：

与污水源热泵机组连接的风机，用于系统开始运行时的气体来源以及运行过程中的气体补充；以及与旋流脱水器连接的气流脉动发生器，用于产生流量具有正余弦波形周期的脉动气流。

以下参看附图。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的剩余污泥非相变干化的工艺流程示意图。如图1所示，通过污泥离心机1对含水率大于95重量％的剩余污泥进行浓缩脱水，浓缩后的污泥进入搅拌机2；向搅拌机内投加分散介质提高污泥的分散性，污泥与分散介质的混合比例保持在3:1至1:3；风机9补充空气与循环热气混合并通过污水源热泵机组8形成40℃～80℃的载热气体将污泥-分散介质混合物携带至旋流脱水器3，利用旋流场中颗粒高速自转产生的巨大离心力和剪切产生的机械剥离作用脱除水分，给与气体一定的温度可降低水分的粘滞阻力从而强化脱水；脱水后的污泥-分散介质进入气流加速度分选柱4，通过脉动气流发生器10产生呈正、余弦波形周期脉动的气体，利用污泥与分散介质密度的差异使得二者在分选柱中的总体位移方向产生差异，干化后的污泥随气流自分选柱顶部排出，分散介质则沉降至分选柱底部且分散介质返料至搅拌机作循环使用；分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器5，通过旋流分离实现气相中干化污泥颗粒的分离与捕集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出；含水气体进入气液分离塔6，通过旋流分离得到纯净热气与含热废水，其中，纯净热气可直接循环使用(循环热气)，含热废水通过中间换热器7将热量转移到由污水泵11提取的原生污水中，再利用污水源热泵将低位热能传递给进口气体，实现含热废水的余热回收和原生污水低位热能的利用，实现热量传递之后的含热废水和原生污水均排入污水干渠。

图2是根据本公开的一个优选实施方式的污泥旋流干化和蒸发干化的能耗对比图。如图2所示，通过蒸发实现脱水干化的工艺(蒸发干化)，需要温度高于水的沸点，水在蒸发过程中发生相变，相变耗能(汽化潜热)2260kJ/kg；通过旋流自转公转耦合振荡来实现脱水干化(旋流干化)，水分不产生相变，在60℃时能耗为146.6kJ/kg，大大降低了干化能耗(旋流干化温度在最佳温度60℃时，旋流干化能耗仅为146.6kJ/kg，而蒸发干化能耗高达2600kJ/kg)。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：

在一个污水厂剩余污泥脱水干化的装置中，按照本发明方法和装置进行剩余污泥的深度脱水，其具体运作过程及效果描述如下：

1.剩余污泥来源及性质

本实施例中所用剩余污泥取自上海某污水处理厂二沉池，在实验之前对剩余污泥作预处理并测定其性质，对污泥进行自由沉降并取其下层的沉降污泥作为实验用污泥，表1为测得的剩余污泥性质。

表1剩余污泥性质

2.实施过程

本实施例中所用物料为污水厂二沉池的剩余污泥，携带污泥的气体选用空气，以及选用价格低廉、比表面积大并且易吸水的煤渣颗粒作为污泥分散介质。实施过程如图1所示，具体如下：

(1)将含水率为99.20重量％的剩余污泥送入污泥脱水离心机进行离心脱水，将污泥的含水率降低到85％重量以下以改变其流化状态。浓缩后的污泥进入搅拌机，向污泥投加煤渣颗粒并混合均匀，投加量约为污泥：煤渣颗粒＝1:1。进口气体依次通过污水源热泵机组和脉动发生器，将搅拌机出口的污泥-煤渣颗粒混合物送入旋流脱水器进行干化，实验中进口气体的加热温度取60℃。

(2)在旋流脱水器中，利用颗粒在旋流场中做高速自转运动对污泥进行脱水，脱水后的污泥以及煤渣颗粒从底流口进入气流加速度分选柱。从旋流脱水器溢流口排出的载热气体通过脉动气流发生器的调控形成呈正、余弦函数变化的脉动气流，并从分选柱下端进入，利用污泥与煤渣颗粒的密度差异使其在脉动气流场中的总体位移产生差异，从而完成污泥与煤渣颗粒的分选。分选后的煤渣颗粒沉降至分选柱底部排出并返料至搅拌机作循环使用，而污泥颗粒则从分选柱顶部进入旋流捕集器。

(3)在旋流捕集器中实现污泥颗粒和气体的分离，同时通过旋流捕集器内的高速自转实现对污泥颗粒的二次脱水，干化后的污泥从旋流捕集器底流口排出并收集，携带水相的气体则从溢流口进入气液分离塔。

(4)在气液分离塔中，通过旋流分离实现载热气体和液滴的高效分离，载热气体从分离塔顶部排出并连接至风机端进入系统循环使用。分离出的液相形成含热废水，通过中间换热器将其中的余热转移到原生污水中以实现热能的回收利用。

(5)在中间换热器中，含热废水将余热传递给由污水泵提取的原生污水，换热后的原生污水进入污水源热泵机组，含热废水排出。

(6)在污水源热泵机组中，原生污水将热量传递给进口气体，实现热量转移后的原生污水排出，进口气体进入污泥干化系统。

3.实施效果

(1)污泥脱水离心机浓缩效果

对离心机出口端的污泥进行采样并测定其含水率，五次采样测得的含水率依次为81.23重量％、82.30重量％、81.75重量％、83.55重量％以及84.20重量％，离心机能够保证将剩余污泥含水率降到85重量％以下，并且浓缩后的污泥表现为非流态。

(2)旋流自转脱水效果

对旋流捕集器底流口的污泥进行采样并测定其含水率，五次采样测得的含水率依次为11.82重量％、10.21重量％、13.25重量％、10.67重量％以及12.25重量％，平均值为11.64重量％。因此，利用旋流自转干化可将污泥含水率降低至11.64重量％左右，干化效果极佳。

(3)气流加速分选效果

对分选柱底部出口的煤渣颗粒-污泥混合物进行采样并测定其组分，五次采样测得的质量百分比取平均值，结果如表2所示。

表2

由表2中各组分质量所占百分比可知，分选后的混合物其煤渣颗粒含量占97.80％，分选效果极佳，可以直接返料至搅拌机作污泥分散介质重复利用。

(4)换热效果

在中间换热器中，含热废水初始温度为40℃，换热后温度为30℃；原生污水初始温度为22℃，换热后温度为32℃。

在污水源热泵机组中，蒸发端原生污水(放热流体)初始温度为32℃，热量转移后温度为10℃；冷凝端进口气体(吸热流体)初始温度为45℃，调节风机流量大小保证热量转移后进口气体温度为60℃。相比直接通过加热机对常温空气加热的方式，该装置大大降低了污泥干化的能耗。

本技术的实施能显著降低污泥干化工艺的运行成本，符合“减量化、无害化、稳定化、资源化”的污泥处理处置目标，并且不会对环境产生二次污染。

上述所列的实施例仅仅是本公开的较佳实施例，并非用来限定本公开的实施范围。即凡依据本申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本公开的技术范畴。

在本公开提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本公开的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本公开作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种剩余污泥脱水干化方法，该方法包括以下步骤：

(A)剩余污泥离心脱水：对剩余污泥进行脱水，以实现剩余污泥的初步浓缩；

(B)投加一定比例分散介质混合均匀：向步骤(A)中得到的剩余污泥中投加分散介质，以实现剩余污泥的颗粒化；

(C)通过旋流自转对剩余污泥-分散介质混合物进行非相变干化：利用载热气体将步骤(B)中得到的剩余污泥-分散介质混合物进行旋流自转脱水，以实现剩余污泥的非相变干化；

(D)干化污泥-分散介质混合物气流加速度分选：利用步骤(C)中得到的干化污泥-分散介质混合物的分散介质和干化污泥的比重不同，干化污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出并进入旋流捕集器被捕集，而分散介质沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机内，与剩余污泥混合后进入下一次污泥干化过程；

(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集：步骤(D)中分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器作进一步旋流自转干化后，干化污泥由旋流捕集器底流口排出并被收集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔；

(F)在气液分离塔中对步骤(E)中得到的含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用；以及

(G)步骤(F)中得到的含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收，

其中，在所述步骤(A)中，通过污泥脱水离心机对剩余污泥进行浓缩脱水，浓缩后的污泥进入搅拌机与分散介质混合，所述剩余污泥来自污水厂沉砂池与二沉池，其含水率大于95重量％；

在所述步骤(B)中，剩余污泥与分散介质的混合比例为3:1至1:3；分散介质包括煤渣颗粒、石英砂、珍珠岩和海砂。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(C)中，分散介质与剩余污泥间的水分以及剩余污泥中水分的脱除在旋流脱水器中进行，利用旋流场中颗粒高速自转产生的离心力和剪切产生的机械剥离作用强化剩余污泥中的水分脱除；载热气体的温度为40℃-80℃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(D)中，通过脉动发生器形成流量成正、余弦波形周期的脉动气体，利用污泥与分散介质密度的差异使得二者在气流加速度分选柱中的总体位移方向产生差异，干化后的污泥随气流自气流加速度分选柱顶部排出进入旋流捕集器，分散介质则沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机作循环使用，从而实现分散介质与污泥的分选。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(F)中，纯净热气循环作为污水源热泵机组冷凝端的受热流体。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(G)中，实现热量传递之后的含热废水和原生污水均排入污水干渠。

6.一种剩余污泥脱水干化装置，该装置包括：

污泥脱水离心机(1)，用于进行步骤：(A)剩余污泥离心脱水：对剩余污泥进行脱水，以实现剩余污泥的初步浓缩；其中，所述剩余污泥来自污水厂沉砂池与二沉池，其含水率大于95重量％；

与污泥脱水离心机(1)连接的搅拌机(2)，用于进行步骤：(B)投加一定比例分散介质混合均匀：向步骤(A)中得到的剩余污泥中投加分散介质，以实现剩余污泥的颗粒化；其中，剩余污泥与分散介质的混合比例为3:1至1:3；分散介质包括煤渣颗粒、石英砂、珍珠岩和海砂；

与搅拌机(2)连接的旋流脱水器(3)，用于进行步骤：(C)通过旋流自转对剩余污泥-分散介质混合物进行非相变干化：利用载热气体将步骤(B)中得到的剩余污泥-分散介质混合物进行旋流自转脱水，以实现剩余污泥的非相变干化；

与旋流 脱水器(3)连接的气流加速度分选柱(4)，用于进行步骤：(D)干化污泥-分散介质混合物气流加速度分选：利用步骤(C)中得到的干化污泥-分散介质混合物的分散介质和干化污泥的比重不同，干化污泥随气流从气流加速度分选柱顶部排出并进入旋流捕集器被捕集，而分散介质沉降至气流加速度分选柱底部并返料至搅拌机内，与剩余污泥混合后进入下一次污泥干化过程；

与气流加速度分选柱(4)连接的旋流捕集器(5)，用于进行步骤：(E)干化污泥旋流自转再脱水以及颗粒捕集：步骤(D)中分选出的干化污泥随气流进入旋流捕集器作进一步旋流自转干化后，干化污泥由旋流捕集器底流口排出并被收集，含水气体从旋流捕集器溢流口排出进入气液分离塔；

与旋流捕集器(5)连接的气液分离塔(6)，用于进行步骤：(F)在气液分离塔中对步骤(E)中得到的含水气体进行旋流气液分离以得到纯净热气与含热废水，纯净热气和补充空气可组成进口气体而循环使用；以及

与气液分离塔(6)连接的中间换热器(7)，和与中间换热器(7)连接的污水源热泵机组(8)，用于进行步骤：(G)步骤(F)中得到的含热废水通过中间换热器将余热转移到污水处理厂的原生污水中，再通过污水源热泵机组将原生污水中的低位热能转移到进口气体中，实现进口气体的加热以及污水热能的回收。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与中间换热器(7)连接的污水泵(11)，用于污水干渠中原生污水的提升；与污水源热泵机组(8)连接的风机(9)，用于系统开始运行时的气体来源以及运行过程中的气体补充；以及与旋流脱水器(3)连接的气流脉动发生器(10)，用于产生流量具有正余弦波形周期的脉动气流。

8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，污泥脱水离心机(1)将剩余污泥含水率降低至70重量％。

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