飲用水廠污泥主要來自濾池反沖洗廢水和沉淀（澄清）池排泥水，約占水廠總凈水量的2%，其中包含砂礫、懸浮物、有機(jī)物、細(xì)菌及水處理過程中投加的混凝劑等。經(jīng)過濃縮、調(diào)節(jié)、機(jī)械脫水處理后，污泥含水率可降至約75%，質(zhì)量和體積仍然龐大，不利于后續(xù)的填埋、焚燒及資源化利用。鑒于飲用水廠污泥的低危害性，目前尚無相應(yīng)管理或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參考已有的污泥相關(guān)資源化利用標(biāo)準(zhǔn)，污泥含水率宜低于60%；浙江省飲用水廠出廠污泥含水率基本要求控制在60%以下。
熱泵低溫干化技術(shù)可將污泥含水率從75%降至60%以下，污泥質(zhì)量和體積減量超過38%。熱泵低溫干化技術(shù)便于操作，運(yùn)行安全，但其能耗約為機(jī)械脫水的20倍，因此研究其他熱能輔助熱泵供熱具有重要的意義。影響污泥熱泵低溫干化設(shè)備運(yùn)行效果的因素包括外部因素和內(nèi)部因素，外部因素如空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及空氣與物料的接觸情況等，內(nèi)部因素即含水率、膠黏性、尺寸等污泥性質(zhì)。然而，現(xiàn)有的研究及應(yīng)用主要關(guān)注外部因素，未考慮污泥性質(zhì)的影響。為此，以浙江省A、B、C三個(gè)水廠的熱泵低溫干化設(shè)備為研究對(duì)象，分析其除濕能效、出泥含水率，并考察了太陽能供熱（A水廠）及污泥性質(zhì)對(duì)除濕能效的影響。
1、熱泵低溫干化技術(shù)特點(diǎn)
1.1 污泥熱泵低溫干化原理
熱泵低溫干化技術(shù)基于逆卡諾循環(huán)原理，其工作過程主要由三個(gè)步驟構(gòu)成：①冷凝器將周圍的空氣加熱；②熱空氣在干化室中促進(jìn)污泥的對(duì)流干燥，同時(shí)其濕度不斷增加；③濕熱空氣通過蒸發(fā)器降溫除濕。隨后，干冷空氣回到冷凝器加熱，重復(fù)上述循環(huán)過程。而壓縮機(jī)和膨脹閥通過對(duì)制冷劑的加壓，實(shí)現(xiàn)低溫干化設(shè)備工作步驟①和③中的高、低溫位熱能的再生。
1.2 污泥性質(zhì)的影響
脫水污泥（即經(jīng)過PAM絮凝及機(jī)械脫水后的污泥）經(jīng)造粒后再進(jìn)行低溫干化。脫水污泥性質(zhì)如膠黏性和含水率會(huì)對(duì)熱泵低溫干化效果產(chǎn)生影響。
①膠黏性。
脫水污泥膠黏性增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致造粒粒徑變大，從而影響內(nèi)部水分蒸發(fā)，降低干化設(shè)備除濕能效。影響脫水污泥膠黏性的因素包括可溶性有機(jī)物和粒徑分布兩個(gè)方面。其中，可溶性有機(jī)物包括腐殖酸（HA）、可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）等天然性有機(jī)物，以及脫水藥劑PAM，這類物質(zhì)會(huì)增加污泥的膠黏性。對(duì)于粒徑分布而言，脫水污泥的黏粒和粉粒比例越高，其膠黏性就越強(qiáng)。
②含水率。
污泥中的水分包括強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水。強(qiáng)結(jié)合水與污泥顆粒緊密結(jié)合，只能通過熱干化去除；弱結(jié)合水與污泥顆粒相互作用較弱，可通過機(jī)械脫水去除一部分或熱干化完全去除；自由水與污泥顆粒無相互作用，可由機(jī)械脫水完全去除。脫水污泥的含水率受到機(jī)械脫水設(shè)備的影響，含水率過高即存在自由水，會(huì)導(dǎo)致本應(yīng)由機(jī)械脫水設(shè)備去除的自由水必須通過后序干化設(shè)備完成，造成干化后的含水率達(dá)不到預(yù)期效果，并且導(dǎo)致熱干化設(shè)備除濕能效無意義的提高。
2、低溫干化設(shè)備及試驗(yàn)方法
2.1 工程概況
以浙江省A、B、C三個(gè)水廠的熱泵低溫干化設(shè)備為研究對(duì)象，其中A水廠的低溫干化設(shè)備具備熱泵供熱和太陽能供熱兩種運(yùn)行方式（見圖1），B、C水廠為單獨(dú)的熱泵供熱方式。A、B、C水廠的供水規(guī)模分別為50×104、15×104、15×104m3/d，A水廠水源為河網(wǎng)水，B、C水廠水源均為水庫水，A、B水廠的脫水設(shè)備為離心脫水機(jī)，C水廠采用多重圓板脫水機(jī)。各水廠排泥水及污泥處理流程均為濃縮、PAM調(diào)理、機(jī)械脫水、刀梳機(jī)造粒和（太陽能）熱泵低溫干化。
B、C水廠熱泵低溫干化設(shè)備的工作流程見圖2。濕熱空氣首先經(jīng)過濾袋除塵，以及熱回收器、蒸發(fā)器降溫除濕，溫度可降至約35℃；隨后回到熱回收器預(yù)熱，并在冷凝器二次加熱，溫度可升至約75℃；最后進(jìn)入干化室對(duì)污泥對(duì)流干燥，空氣濕度飽和后重復(fù)上述流程。
A水廠太陽能熱泵低溫干化設(shè)備的工作流程見圖3。熱水箱水溫高于85℃，干化循環(huán)泵和外接水源開啟，熱泵系統(tǒng)關(guān)閉，濕熱空氣通過外接低溫水源除濕，隨后進(jìn)入干化室中對(duì)污泥進(jìn)行干燥；而太陽能通過提高干化室內(nèi)空氣的溫度，促進(jìn)污泥中水分的快速蒸發(fā)。待熱水箱水溫降至77℃后熱泵系統(tǒng)開啟，干化循環(huán)泵和外接水源關(guān)閉，干化流程與圖2一致。
2.2 分析項(xiàng)目及方法
有機(jī)質(zhì)組成采用熒光分光光度計(jì)測定；粒徑分布采用激光粒度儀（EAST-LAP-W2000H，廈門易仕特）測定；含水率依照《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》（CJ/T221—2005）烘箱烘干法測定。液限、塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀（LP-100，河北華偉）落錐法測定，用干基含水率表示，單位為%。其中，液限對(duì)應(yīng)脫水污泥下沉深度為17mm時(shí)的干基含水率，塑限對(duì)應(yīng)下沉深度為2mm時(shí)的干基含水率。
污泥塑性指數(shù)：為脫水污泥液限與塑限的差值，用于反映膠黏程度，其值越大則膠黏性越強(qiáng)。
脫水污泥強(qiáng)、弱結(jié)合水與自由水含量：強(qiáng)結(jié)合水界限對(duì)應(yīng)于塑限值的88.5%，弱結(jié)合水界限對(duì)應(yīng)于液限值；脫水污泥干基含水率低于強(qiáng)結(jié)合水界限部分為強(qiáng)結(jié)合水含量，在強(qiáng)、弱結(jié)合水界限之間部分為弱結(jié)合水含量，高于弱結(jié)合水界限部分為自由水含量。
除濕能效：是指熱泵低溫干化設(shè)備消耗單位電量所去除的水分質(zhì)量，間隔3h記錄干化機(jī)出水累計(jì)流量和電表累計(jì)數(shù)值，累計(jì)流量差值與累計(jì)用電量差值之商即為除濕能效。
3、結(jié)果與討論
3.1 低溫干化運(yùn)行狀況
3.1.1 熱泵低溫干化
熱泵供熱期間，三個(gè)水廠低溫干化設(shè)備的進(jìn)泥（即造粒后的脫水污泥）、出泥含水率及除濕能效的變化見圖4。A、B水廠設(shè)備出泥含水率為40%~55%，除濕能效分別為（3.0±0.2）、（3.2±0.2）kg/（kW·h）；C水廠設(shè)備出泥含水率大多為55%~65%，除濕能效為（3.8±0.2）kg/（kW·h）。
除濕能效反映了干化設(shè)備的能耗效率，C水廠設(shè)備除濕能效最高，但污泥含水率會(huì)高于60%的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，原因主要為：①C水廠的進(jìn)泥含水率約為86%，為三水廠最高，其中自由水含量達(dá)到了183.1%，而這部分本應(yīng)由機(jī)械脫水去除的自由水將延至低溫干化設(shè)備脫除，一方面提高了干化設(shè)備的除濕能效，另一方面卻造成低溫干化工藝能量的浪費(fèi)及出泥含水率較高。②C水廠干化進(jìn)泥顆粒粒徑最小（見圖5），表明其膠黏性最弱，因此單位體積的污泥具有更大的水分汽化表面積，水分更易脫除；而A、B水廠干化進(jìn)泥的顆粒較大，呈現(xiàn)條狀，說明其膠黏性更強(qiáng)，導(dǎo)致抱團(tuán)結(jié)塊，阻礙了設(shè)備除濕能效的提高。
3.1.2 太陽能低溫干化
太陽能供熱期間，A廠干化設(shè)備進(jìn)、出泥含水率及除濕能效見表1。設(shè)備出泥含水率穩(wěn)定低于55%，且除濕能效可提升至8kg/（kW·h）以上，相較熱泵干化（樣本1~10平均值），除濕能效提高了近3倍，節(jié)能效果明顯。
3.2 污泥性質(zhì)的影響
3.2.1 粒徑分布的影響
在水廠機(jī)械脫水單元，由于PAM的絮凝作用，脫水污泥中的微粒會(huì)團(tuán)聚，導(dǎo)致無法測得其粒徑分布。因此，通過測定水廠污泥平衡池中的排泥水粒徑分布間接得到脫水污泥的粒徑分布，并根據(jù)不同粒徑范圍進(jìn)行了粒級(jí)劃分，結(jié)果見表2。其中，黏粒、粉粒、細(xì)砂、中砂、粗砂的粒徑范圍分別為黏粒含量均較砂粒高，其中C水廠達(dá)到了67.9%，而A、B水廠則分別高達(dá)95.7%和93.3%。
A、B、C水廠脫水污泥的塑限和液限分別為239.1%、230.5%、304.3%和328.7%、309.6%、343.3%，A、B水廠脫水污泥塑性指數(shù)分別高達(dá)89.6%、79.1%，高于C水廠的39.0%。塑性指數(shù)的較大差異是由于排泥水經(jīng)機(jī)械脫水后，脫水污泥中的粉粒和黏粒會(huì)通過顆粒-水結(jié)合力增強(qiáng)污泥的黏性，因此A、B水廠脫水污泥中較高的粉粒+黏粒含量顯著提高了污泥的膠黏性，影響其內(nèi)部水分蒸發(fā)，進(jìn)而制約了低溫干化設(shè)備除濕能效的提高。
3.2.2 天然有機(jī)物的影響
脫水污泥中的天然有機(jī)物具備吸附黏結(jié)特性，種類包括HA、SMP、芳香蛋白等。可通過測定平衡池排泥水中的天然有機(jī)物含量間接得到脫水污泥中的含量，結(jié)果見圖6。可知，A、B水廠排泥水的HA（Ⅴ區(qū)）含量明顯高于C水廠，并且A水廠存在SMP（Ⅳ區(qū)）。經(jīng)過機(jī)械脫水后，HA、SMP會(huì)附著在脫水污泥顆粒表面，并使污泥顆粒相互黏結(jié)，表現(xiàn)為脫水污泥膠黏性增強(qiáng)。此外，HA、SMP會(huì)提高脫水污泥的親水性，進(jìn)一步阻礙水分的蒸發(fā)及低溫干化設(shè)備除濕能效的提高。
3.2.3 污泥調(diào)理藥劑的影響
污泥調(diào)理藥劑包括石灰、酸、高分子絮凝劑、無機(jī)混凝劑等，其中高分子絮凝劑PAM廣泛應(yīng)用于污泥調(diào)理。PAM為高分子有機(jī)聚合物，能夠有效提高脫水污泥的膠黏性，從而增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而不同PAM的分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此會(huì)對(duì)脫水污泥膠黏性產(chǎn)生不同程度的影響。
選定5種PAM對(duì)A水廠污泥進(jìn)行試驗(yàn)，其中1#、2#、4#、5#為固體，3#為液體，調(diào)理并脫水后的污泥塑性指數(shù)見圖7（PAM投量以PAM和污泥干基計(jì)）。經(jīng)1#、2#、4#、5#PAM調(diào)理后，污泥塑性指數(shù)在75%以上，均高于3#PAM，且波動(dòng)較大，4#、5#甚至高于100%；而經(jīng)3#PAM調(diào)理后，污泥塑性指數(shù)保持在60%~70%。5種PAM調(diào)理后的污泥形態(tài)呈現(xiàn)明顯差異，1#、2#、4#、5#PAM調(diào)理后的污泥抱團(tuán)現(xiàn)象明顯，膠黏性強(qiáng)；而經(jīng)3#PAM調(diào)理后的污泥顆粒松散，膠黏性較弱。因此，3#PAM更適用于機(jī)械脫水前的污泥調(diào)理，有利于提高后序低溫干化設(shè)備的除濕能效。
3.2.4 含水率的影響
三個(gè)水廠脫水污泥的強(qiáng)、弱結(jié)合水及自由水分布情況見表3。C廠脫水污泥的自由水含量高達(dá)183.1%，而這部分本應(yīng)由機(jī)械脫水單元去除的自由水會(huì)延至后序低溫干化設(shè)備去除，不僅造成大量能耗，而且導(dǎo)致低溫干化設(shè)備出泥含水率高于設(shè)定的60%標(biāo)準(zhǔn)。A、B水廠脫水污泥均不含自由水，說明其機(jī)械脫水單元已脫除全部自由水及部分弱結(jié)合水，低溫干化設(shè)備主要去除機(jī)械脫水設(shè)備難以或無法去除的強(qiáng)、弱結(jié)合水。綜上所述，C水廠應(yīng)盡可能提高機(jī)械脫水單元效率，以降低熱泵低溫干化設(shè)備的負(fù)荷，同時(shí)保證干化出泥含水率達(dá)標(biāo)。
4、投資和運(yùn)行成本分析
A水廠太陽能和熱泵供熱的功率分別為65、265kW，污泥產(chǎn)量為1.98t/h，干化后產(chǎn)量為1.19t/h；B水廠供熱功率為63kW，污泥產(chǎn)量為0.38t/h，干化后產(chǎn)量為0.168t/h；C水廠供熱功率為126kW，污泥產(chǎn)量為0.78t/h，干化后產(chǎn)量為0.29t/h。三個(gè)水廠干化設(shè)備每天均運(yùn)行6h，電價(jià)按照0.75元（/kW·h）計(jì)，污泥外運(yùn)費(fèi)用為220元/t。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到污泥處理處置費(fèi)用見表4。
由表4可知，A、B、C廠的污泥處理及處置總費(fèi)用分別為232.6、221.6、202.9元/t。A、B兩水廠的污泥處理及處置總費(fèi)用較C水廠高，一方面是由于A、B水廠脫水污泥的膠黏性較C水廠強(qiáng)，影響了污泥內(nèi)部水分的脫除；另一方面是由于A、B水廠低溫干化主要去除脫水污泥中的結(jié)合水，其脫除較自由水困難，兩方面原因共同導(dǎo)致污泥減量不明顯。C水廠的費(fèi)用最低，然而其干化出泥含水率較A、B水廠高，處理效果較差。
在太陽能供熱期間，A水廠的干化運(yùn)行費(fèi)用僅為292.5元/d，相較熱泵供熱的1192.5元/d降低了75.5%，單位處理費(fèi)用僅有24.6元/t，污泥處理及后續(xù)處置總費(fèi)用僅為156.8元/t，相較熱泵的232.6元/t降低了32.6%，相較直接處置的220元/t降低了28.7%。針對(duì)B、C水廠無太陽能供熱設(shè)備現(xiàn)狀，若引進(jìn)太陽能供熱設(shè)備（投資需追加約8%），預(yù)計(jì)B、C水廠的設(shè)備除濕能效分別提升至約10、12kg/（kW·h），脫水污泥處理及后續(xù)處置總費(fèi)用預(yù)計(jì)可分別降至122.9、106.8元/t，分別降低44.5%、47.4%。
5、結(jié)論
①熱泵供熱期間，A、B水廠熱泵干化設(shè)備的除濕能效分別為（3.0±0.2）、（3.2±0.2）kg/（kW·h），出泥含水率穩(wěn)定低于55%；C水廠除濕能效為（3.8±0.2）kg/（kW·h），但存在干化出泥含水率高于60%設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)和前序脫水設(shè)備效率低的情況，其高除濕能效的工程意義不大。太陽能供熱期間，A水廠低溫干化設(shè)備的除濕能效高于8kg/（kW·h），干化運(yùn)行費(fèi)用可降低75.5%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。此外，建議對(duì)太陽能和熱泵供熱的結(jié)合方式繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行。
②天然有機(jī)物HA、SMP及粉、黏粒會(huì)增強(qiáng)脫水污泥的膠黏性，間接降低熱泵干化設(shè)備的除濕能效。污泥調(diào)理和機(jī)械脫水均會(huì)影響干化設(shè)備運(yùn)行效果，經(jīng)3#PAM調(diào)理后，脫水污泥塑性指數(shù)僅為60%~70%，有利于除濕能效提高。C水廠脫水污泥的自由水含量高達(dá)183.1%，導(dǎo)致后序低溫干化不充分及大量能耗，故應(yīng)改進(jìn)其機(jī)械脫水單元，以降低含水率。（來源：浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江工業(yè)大學(xué)水工程與應(yīng)急技術(shù)研發(fā)中心，杭州市水務(wù)集團(tuán)有限公司，嘉興市水務(wù)集團(tuán)有限公司）
