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摘要：污泥处理的目的是降低污泥的含水率，以达到便于运输堆放和节省处理费用的目地。传统的机械脱水后污泥含水率仍大于75%，体积庞大，处理费用高，使用干化设备后，可使污泥的含水率降至约30%，有效降低了污泥体积和处理费用，对国外污泥干化设备制造技术分析研究，对提高国产化污泥干化设备技术质量具有重要意义。
关键词：污泥干化；桨叶干燥机；控制系统；PLC
引言
近年来，我国污水处理设施的建设高速发展，随着污水处理量的增加，各类污泥的产量随之增大，对环境的污染也日趋严重。未经处理的污泥含水率高达80%以上，其体积庞大、性质复杂且难以处理。国内外的应用实践表明，经传统的浓缩和脱水工艺处理后，污泥的含水率不可能达到60%以下。减量化是污泥资源化的首要步骤，而干燥则是污泥减量化最有效的方法之一。为了达到对污泥的深度脱水目的，比较经济的方法是引入化工操作中的热干燥技术。目前，世界上污泥干化的主流工艺有直接加热转鼓干化技术、间接加热转鼓干化技术、离心干化技术、间接式多盘干燥技术和流化床干化技术。污泥干化处理后产生的尾气若直接排放会严重污染环境，必须进行必要的尾气处理措施，在此过程中，废气排放量和能耗也是值得关注的焦点。
一、污泥干化设备分析
污泥处置通常遵循让污泥分散在热介质中，并有效干化这个思路，对干化设备进行研发。近几十年以来，污泥干化技术得到了不断改进，世界上也出现了月岛、西门子以及威立雅等很多干燥公司。在我国，污泥干化设备研究与开发时间相对较短，食品、印染以及化工等产业多致力于干燥设备的研发。由于污水污泥处理厂中，污泥有不同的物理特性，以致其工艺技术也会受到影响。在国外，污泥干化已经具有很长时间，很多国家已经具备比较成熟的技术工艺。对国外污泥干化设备制造技术分析研究，对提高国产化污泥干化设备技术质量具有重要意义。
1.转轴式干燥机
这种干燥机可以以其构造不同分为桨叶式、转盘式以及涡轮薄层等干燥机。日本桨叶式干燥机工艺性能优越，占据市场面积较大。该成套设备一般由空心桨叶轴、传动装置以及ω形壳体组成，采用双轴或四轴结构设计，轴体体积较小，却有效保证了传热面积。该干化设备能够使物料干化介面不断更新，有效提高了总体效率，零部件加工与维修也比较容易，适合国产化。德国ATLAS的转盘式干燥机能实现污泥的半干化与全干化，导热油或蒸汽都可以作为热介质，适合于中小型污泥干燥设备。涡轮薄层干燥机干化系统简单，利用平均对数温差换热。该干燥机通过产生涡流，使污泥在离心作用下运动，进而实现其半干化或全干化目的。我国北京水泥厂采用这种设备对污泥进行处置。
2.转鼓式干燥机、多级圆盘干燥机、带式干燥机、流化床干燥机以及二段式干燥机
转筒干燥器在干燥过程中，通过旋转增大了物料的热接触表面，进而提高了干燥效率。三通式回转圆筒干燥机能够适应不同污泥成份的变化，工艺设计能够保证其安全运行。带粉碎装置的回转圆筒干燥机可以采用较高的进口温度，是所有回转圆筒干燥机中热能消耗最低的干燥机。多级圆盘干燥机工艺简单，污泥在耙齿的均匀搅动下，逐层下降直至塔底。污泥在下降过程中十分被逐渐蒸干。该工艺比较环保，然而传热效果较差，并且费用大。带式干燥机由多个单元段构成。每个单元段都由相同装置构成，可以依据用户需求灵活配备。这种干燥机利用传动装置，拖动网带上的物料，热气对物料实施烘干。该干机操作灵活，在完全密封的箱体中进行干燥，然而，辅助系统以及尾气量较大。流化床干燥机由风箱、中间段以及抽吸罩构成，具有低温、不返混特点。上海上海石洞口污泥干化焚烧设施运用这类干燥机。二段式干燥机对转轴式及带式干燥机的优点进行了结合，能够有效利用能源。然而，投资成本与热交换系统较大。
二、桨叶干化处理控制系统
针对上述问题，本文以桨叶干燥机为核心设备，开发并成套设计污泥干化系统技术，建立了一套成熟的工艺和控制理论模型。同时，设计污泥干化装置的自动控制系统，使之高效运行、节能降耗。为了有效提高处理效率，保证系统运行的稳定，选用PLC可编程控制技术完成整个污泥干化系统的监控任务。重点介绍控制系统的网络结构、启停控制逻辑流程的实现。
１.污泥干化
本文以桨叶干燥机为核心设备，开发的污泥干化处理系统主要由污泥干燥单元、尾气处理循环单元、废水循环洗涤单元及蒸汽凝液循环单元等组成，其工艺流程如图１所示。
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含水量大于８０％的污泥由泵送系统自储泥池送入干燥机，其中泵送系统可以根据实际工况调整进料量。同时，来自电厂锅炉系统的蒸汽通过管路分配进入干燥机的空心热轴、叶片和夹套中，将热量传递给污泥，使污泥中的水分蒸发。通过调整系统参数，可将最终干化后的污泥的含水量控制在４０％以下，干燥后的污泥进入密闭皮带输送机送至电厂锅炉系统进行焚烧。
密闭皮带输送机设置有臭气收集管道，将挥发出来的臭气送入洗涤塔；自干燥机蒸发出来的尾气（主要是水蒸气和不凝气）进入文丘里引射器，与来自洗涤塔经洗涤泵增压并在冷却器冷却的循环洗涤水直接接触进行初次降温去湿，初次降温去湿后的尾气和初次洗涤水进入洗涤塔，被洗涤水再次循环洗涤，多余的洗涤水流至废水处理厂。
净化除雾后的尾气（主要是不凝气）经引风机增压后分成两路，少部分去电厂锅炉系统焚烧；大部分进入换热器，与蒸汽换热后的高温凝液间接接触换热，换热后的低温凝液进入电厂除氧器增压后，打入锅炉系统循环利用。被加热的高温尾气作为载气进入干燥机内循环利用。
在该污泥干化系统中，尾气通过引风机被抽至洗涤塔，在循环洗涤水的作用下将尾气中大量的水分冷却，从而使干燥机工作在微负压下，保证了粉尘和恶臭不被外泄；净化后的尾气被蒸汽凝液再次加热后回到干燥机，实现了热能的最大化利用；洗涤后产生的废水，通过冷却器与循环冷却水进行换热后将热能带出，使其温度稳定在50℃以下，从而保证洗涤塔能够正常工作。
2.控制系统
为了有效提高污泥干化的处理效率，保证系统运行的稳定，选用S7-300PLC控制技术来实现整个污泥干化系统的监控任务（图２）。在污泥干化控制过程中，由PLC采集生产设备的运行状态信息，当各路逻辑条件满足时，系统输出保持正常工作状态；一旦输入逻辑条件改变，系统立即动作，使输出改变状态，同时报警。
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S7-300PLC的CPU选择315-2PN/DP，带有两个ET200M从站，采用现场总线profibus-DP连接。同时与外围污泥输送系统和生化水处理系统进行以太网通信连接，整个生产过程都由上位机监控，并且分别从各自系统中的控制单元实现控制要求。系统中还配有大屏幕监控系统，可以实现车间监控和控制组态画面的自由切换，方便工作人员操作。由于该系统采用以太网通信连接，可以通过多个交换机互联实现链路网络结构或者环形网络结构，为二期装置或者加入其他网络提供了便利条件。污泥干化系统ＰＬＣ控制的网络拓扑如图２所示。
3.控制功能
3.1控制点
系统中设有一个蒸汽温度自动控制点和一个蒸汽压力自动控制点，其目的是调节进入干燥机的蒸汽温度。研究表明，污泥干化过程中，除氧含量和粉尘浓度之外，颗粒温度和湿度是与爆炸密切相关的两个重要因素。通过调节进入干燥机的蒸汽温度，即可控制污泥颗粒的温度和湿度，从该层面上保证了系统的安全性。
系统中设有两个液位自动控制点，分别是蒸汽凝液单元和废水循环洗涤单元中的液位控制。干燥机工作性能的优劣取决于其换热效果，如果蒸汽换热后产生的凝液不能及时排出，则污泥干化效果将大打折扣；同样，洗涤塔的液位也影响了系统的稳定运行，若液位过高，会导致循环洗涤水对尾气的降温除湿效果变差，从而改变干燥机内的负压环境，不仅影响污泥干化效果，而且系统正压后会造成臭气外泄，影响整个车间的环境，对工人健康造成影响。
3.2控制回路和监测点
针对上述温度、压力和液位控制点，选取PID负反馈控制系统，配合出口管线的调节阀实现对温度、压力和液位的控制。选择PID控制方式的理由：
ａ．控制参数确定简单，易于整定；
ｂ．对系统扰动的适应性强、鲁棒性强；
ｃ．控制品质对被控对象的变化不敏感，适用于环境恶劣的工业生产现场。
对于蒸汽温度和压力的控制，采用温度变送器和压力变送器，通过测量蒸汽的温度和压力，经过计算后转换为4~20mA信号送入PLC，再配合使用PLC中自带的PID调节模块，最终将控制信号送入调节阀，实现对干燥机入口蒸汽温度和压力的控制，达到了预期的控制效果。
对于液位控制，采用双法兰液位变送器，通过测量凝液罐和洗涤塔中液体的压差，经过计算后转换为4~20mA信号送入PLC，再通过配合使用PLC中自带的PID调节模块，最终将控制信号送入调节阀，实现对凝液罐和洗涤塔中液位的控制，达到了预期的控制效果。
系统中其他温度、压力及流量等工艺测量点均以模拟信号（Pt1000热阻信号、4~20mA电流信号）送入PLC，实现２４ｈ数据监测。
3.3系统启停
系统启停分为现场单机启停、中控单机启停和中控联锁启停３种方式，３种启停方式可在现场和中控室进行切换，具体如下：
ａ．现场单机启停方式一般用于单机调试或现场紧急停车。
ｂ．中控单机启停方式多在试车阶段、中控联锁启停中断或部分设备联锁停车时使用。
ｃ．中控联锁启停方式。设备顺序启动的原则是按照物料流向的反方向依次启动设备，即根据物料流向，先启动下游设备，待下游设备启动完成后依次往前启动上游设备；设备顺序停止的原则是按照物料流向方向，先停止上游设备进料，然后顺序停止下游设备。同时，系统中包含了重要设备之间的联锁信号，以保护核心设备在意外停车时不被损坏。核心设备联锁顺序流程如图３所示。
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结语
随着我国城市化进程的加快，污泥处置问题已经得到了国家环保以及相关部门的关注。由于污泥中，不仅含有很多重金属污染物，而且还含有很多病原体、微生物等。因此，只有对污泥进行安全处置，才不会使其形成二次污染。污泥干化是目前实现大规模污泥减量和污泥处理的重要措施，而干燥系统的稳定性、安全性和自动化程度会直接影响到整个干燥车间的运转情况和经济效益。
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