基于模糊综合评价法的污泥制陶粒工艺的优化

田 娜1，常 成1，姚文红2

（1．长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710064；2．西安市高陵县建筑工程公司，陕西高陵 710200）

作者简介：田 娜（1988－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，市政工程专业。

常 成（1989－），男，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，市政工程专业。

姚文红（1967－），女，西安市高陵县建筑工程公司，土木工程专业。

摘 要：本文将模糊综合评价理论体系引入到某市污泥处置工程当中，并结合业内人士专业经验，针对污泥制陶粒当中的关键流程步骤进行优化比选。污泥制陶粒“干法－烧结”与“湿法－烧结”技术的模糊综合评价结果为：0．4＋0．33＝0．73（湿法）＞0．33＋0．27＝0．60（干法）；污泥制陶粒“对辊挤压造粒”与“圆盘搅拌造粒”技术的模糊综合评价结果为：0．38＋0．40＝0．78（对辊挤压）＞0．37＋0．28＝0．65（圆盘搅拌）。经分析研究，污泥制陶粒关键工艺步骤为湿法对辊挤压造粒技术。

关键词：污泥处置；陶粒；模糊综合评价法；优化

Abstract：The paper raises a fuzzy comprehensive evaluation on a certain city’s sludge disposal project，combining with the ex－perience of the veteran insider，this paper carries out an experiment on optimizing／comparing and selecting the key process of sludge ceramics grain．There are two techniques frequently used in sludge ceramics grain：“wet process granulation－sintering”and“dry process granulation－sintering”．And the obscure comprehensive evaluation result shows that 0．4＋0．33＝0．73（wet process）＞0．33＋0．27＝0．60（dry process）；the obscure comprehensive evaluation between the“double－roll squeezing granu－lation”and the“pan stirring granulation”shows that 0．38＋0．40＝0．78（double－roll squeezing）＞0．37＋0．28＝0．65（pan stirring）．Based on the analytical investigation，the critical process of sludge ceramics grain is wet－sintering of roll extrusion granulation technology．

Key words：Sludge treatment；Ceramsite；Fuzzy comprehensive evaluation method

1 引 言

目前，我国污泥处理技术相比西方发达国家还存在不小差距，处理方式仍以卫生填埋、堆置为主，污泥资源化利用程度极低。根据住建部数据推算，每处理1万t污水可产生5～10t污泥（80％含水率）［1］。根据《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》的要求，到2015年，全国污水处理规模约为20805万m3／d［2］。所以，在全国范围内开辟一条合理的污泥处置道路至关重要。

本文的研究对象为陕西北部某市的生活污泥，通过实地调查，该市生活污泥中毒害物质较平均水平偏低。综合考虑国家“十二五”规划的倡导及当地实情，并以减量、去害、资源循环利用为目的，最终确定污泥制陶粒法为研究方法。（陶粒，作为一种建筑用轻骨料，以其轻体、保温、环保等特性受到了人们的极大重视［3］。）随后引入模糊综合评价法（这种方法系统性很强可以把不系统的事物变得系统，适合去解决模糊的不定项的对象或事物［4］，对于信息的要求更甚［5］），针对污泥制陶粒工艺的关键步骤进行优化比选。经分析研究，确定污泥制陶粒的关键工艺步骤为湿法对辊挤压造粒技术。

2 污水厂污水污泥介绍

本研究项目基于陕西北部地区某中等城市污水处理厂污泥处置项目。该市有很多工矿企业，污水成分较复杂，全市人口86万人，其中城镇人口约占总人口的68％。该市是全国有名的煤炭城市，据相关报道，其煤炭已探明储量已超过30亿t。另外，黏土等珍贵土质资源储量也十分丰富。

截至2013年年底，该市的污水处理率已超过80％、垃圾处理率高达88％［6］。虽然该市在污水处理和生活垃圾处置等方面的处理水平已排全省前列，但泥处置工作起步较晚。污泥浓缩脱水后填埋仍是主要处理方式，另有少许污泥农用处理。在该市城镇化建设快速发展的同时，做好污泥处置工作就显得尤为重要。该市污水厂污泥处置的方式及比例如图1所示［7］。

图1 污泥处置方式及其比例

3 湿法－烧结与干法－烧结

通过研究相关工程实例，国内外污泥制陶粒技术的工艺流程基本一致。现阶段，是否在原料混合前烘干污泥是本文研究的重点之一。

3．1 污泥湿法－烧结制陶粒性能的研究

脱水污泥湿法制陶粒技术已广泛应用于国内外众多工程实例，但关键环节是要把80％含水率的污泥干燥至60％，再与辅料进行混合搅拌。“湿法”工艺在国内技术已经比较成熟，相比“干法”更容易实现。其基本的工艺技术路线如图2所示。

图2 “湿法－烧结”工艺技术路线图

清华大学杜欣等人采用“ZWICKZ2005型万能材料试验机”对污泥湿法制陶粒的强度、吸水度等进行了实验，分析了污泥湿法制陶粒的性能。实验污泥采用北京某污水厂的脱水污泥，与本文研究对象同为北方城市，具有一定相似度。实验的辅料主要是粉煤灰（添加少量沸石粉或黏土用做助熔剂），与本文粉煤灰加黏土的混合辅料组成略有差异，但基于粉煤灰与黏土的成分组成的相似，故实验具有一定的代表性。具体实验数据如图3、图4所示［8］。

不加沸石粉时，添加40％左右的粉煤灰可使产品强度达到最高点，粉煤灰本身不能熔融，实验中加入了少量黏土作为助熔剂。在加入10％沸石粉作为助熔剂时（不加黏土），添加40％的粉煤灰仍然具有峰值效果，但产品强度不如黏土作为助熔剂。这是因为黏土本身除了具有Si O2、Al2O3等成陶组分外，同时也能激活粉煤灰活性并降低其熔点，因此加入黏土的效果会更好。

图3 “湿法－烧结”产品抗压强度随配料的变化

图4 “湿法－烧结”产品吸水率随配料的变化

“湿法”产品吸水率大的主要原因是产品有开裂现象，由于混合料含水率高，干燥过程中大量水蒸汽涌出，造成产品开裂。

3．2 污泥干法－烧结制陶粒性能的研究

脱水污泥干法－烧结陶粒技术是一项新技术，其关键环节是运用大功率污泥烘干机（如转鼓烘干机）将污泥的含水率压缩到20％以下，再进行后续步骤。因污泥内的细胞水很难被烘干，国内现有烘干机通常难达标，故“干法”技术在国内还未普及。且进口烘干机价格昂贵，烘干时要消耗大量的燃气或煤，造价较高。其基本工艺技术路线如图5所示。

图5 “干法－烧结”工艺技术路线图

和“湿法”一样，用黏土和粉煤灰混合的辅料比沸石粉和粉煤灰混合的效果好；从图中可明显对看出，污泥“干法”产品的强度峰值已经达到12000N左右，而“湿法”产品的强度峰值还没有过万。可见，“干法”产品的强度远优于“湿法”。

比对污泥“湿法－烧结”制陶粒技术，分析“干法”技术产品性能的实验数据如图6、图7所示［8］

图6 “干法－烧结”产品抗压强度随配料的变化

图7 “干法－烧结”产品1h吸水率随配方的变化

很明显，“干法”产品的吸水率比“湿法”下降了很多，远低于国标对陶粒产品吸水率的要求。

因此可以断定，“干法”产品的表面比较光滑，更加致密，陶粒产品的品质更加优秀。

从实验可知，干法－烧结优于湿法－烧结，但由于干法－烧结要将污泥的含水率压缩到20％以下，其费用相当高，实践中没有可操作性，经多次实地调研，广泛咨询污水处理厂与设计单位意见，利用模糊综合评价法确定污泥处置是采用湿法－烧结还是干法－烧结。

3．3 建立模型比选湿－法烧结与干法－烧结

1）设定评价指标集合

本研究从科技水平、实现可能性，处理效果和经济效益四个方面分析研究，决定最后的选择方案，故评价指标集合为：

2）确定评语等级集合

对评价指标确定等级，等级集合可设为：

3）确定评价因素的权向量

本研究的主要目的是在合适的条件下最大限度的处置好污泥问题，因此，实现可能性和处理效果最为重要，评价因素的权向量可设置为：

4）走访调查

通过调查走访了近10位专业相关人士（主要是大学教授和专业设计人士），得到的评价结果比值如表1所示。

表1 专家评价结果

5）建立模糊关系矩阵

由表1可分别得出“湿法－烧结”与“干法－烧结”的评价矩阵P、Q如下：

6）计算评价结果向量

用矩阵算法将A与各被评事物的P、Q进行计算，得到各被评价事物的结果向量B1、B2如下：

7）对模糊综合评价结果向量进行分析

设定的评语等级为，“湿法”的分析结果“优＋良”明显高于“干法”，因此，本文推荐选用更具有可行性的湿法－烧结技术。

4 对辊压力造粒机与圆盘搅拌造粒机

通过研究对比国内外现有污泥制陶粒实际工程，再结合某市实际情况。本文选定了对辊压力造粒技术和圆盘搅拌造粒技术作为备选方案。

4．1 对辊压力造粒机

其工艺原理分为挤压和造粒两个过程。挤压过程：混合物料在特定的空间里在外力的作用下压成紧密的料饼；造粒过程：挤压后的料饼再被破碎、筛分，形成了一定强度的圆形颗粒。挤压的目的主要是为了清除粒子间的气体，进而拉近颗粒之间的距离，近的可以产生分子间的作用力，如范德华力等，使得颗粒间可以更好的相互吸引相互融合。对辊压力成球主要是靠颗粒分子间的相互接触碰撞而产生融合颗粒，对辊挤压后的形状大多为椭圆体［9］。

对辊挤压造粒的优点：

（1）资源节约对辊挤压造粒是一种纯物理的造粒工艺，整个流程都是在常温下进行的，相比其他方法，无需再喷入粘合剂、水混合，也不需为干燥而消耗燃料。

（2）无需粘结剂目前，最常见的造粒方法就是蒸汽造粒。为了保证颗粒的强度，蒸汽造粒中水蒸气在颗粒之间结晶，为的是起到一定的粘结剂的作用。

（3）投资较低没有了干燥过程，同时筛分出的不合格颗粒比例低，造粒过程简单，因此投资较低。

（4）绿色环保对辊挤压造粒除了用一点点电能外，没有废水、废气的排放，完全符合国家对于制造业的环保要求，也符合企业自身的发展要求。

对辊挤压造粒的缺点：

对辊挤压机使用寿命较短、料球形状基本为椭圆体且成球速度较慢。

4．2 圆盘搅拌造粒机

圆盘搅拌造粒的工作原理：预加水成球盘式全盘成球法。生料粉在双轴搅拌机内被雾化水均匀湿润，形成粒度很均匀的球核，然后送进成球盘中进行成球。料球的水分应控制在12％～14％。水应大部分在双轴搅拌机内加入，成球盘中只加入少量的补加水，补加水量控制在0～3％左右。干粉造粒则直接加在成球盘内，并喷洒适量的水份，生料球核进入成球盘后在盘内受离心力，摩擦力和重力的作用，沿抛物线运动。由于物料的黏结性和可塑性，使球核在运动过程中互相黏结并逐渐长大。当成球盘的倾角，盘边高，转速及水份等参数一定时，不同粒径的料球由于重力不同而按不同的脱离角离开盘边向下滚动。料球在不断的滚动过程中将球内的水份不断排挤出表面，由于物料的黏结性以及表面液膜的自然挥发，使料球具有一定的强度，然后随着倾斜盘体的转动从盘的边部排出盘外［10］。

圆盘搅拌造粒的优点：

（1）生产效率高圆盘成球工艺运行一次能生产比对辊挤压造粒多很多倍的料球，具备大产量的优势。

（2）机器寿命长造粒机主齿轮采用高频淬火，寿命增加1倍。造粒机盘内衬高强度玻璃钢，防腐耐用。

（3）外形美观混料通过机器运转的离心力成球，具备造粒均匀、颗粒圆润度强大等特点。

圆盘搅拌造粒的缺点：

圆盘搅拌造粒工艺的运行能耗大，分子间的吸附力没有挤压造粒大，分子性质不稳定。处理过程中还需要增设加水装备，增加了投资成本。目前，很多国产的圆盘成球机不能达到指定的目标效果，在此技术上与国外还有一定的差距。

4．3 建立模型比选对辊压力造粒与圆盘搅拌造粒

对辊压力造粒与圆盘搅拌造粒模型的建立与比选湿法－烧结与干法－烧结原理一致。与干湿法比选前四步一致，经调查走访近10位专业相关人士得到的评价结果比值如表2所示。

（1）建立模糊关系矩阵

由表2可分别得出“挤压法”与“圆盘法”的评价矩阵P、Q如下：

表2 专家评价结果

（2）计算评价结果向量

用矩阵算法将A与各被评事物的P、Q进行计算，得到各被评价事物的结果向量B1、B2如下：

B1＝AP＝

（3）对模糊综合评价结果向量进行分析

设定的评语等级为，挤压造粒技术的分析结果与圆盘造粒技术的分析结果接近，但挤压法的“优＋良”略高，因此，本文推荐选用挤压造粒技术。

5 结论

干法制陶粒是一项新技术，其关键环节是用大功率污泥烘干机将污泥的含水率压缩到20％以下，再进行后续步骤。因污泥内的细胞水很难被烘干，干法技术在国内还未普及，国内现有烘干机通常难达标，进口烘干机价格昂贵，烘干时要消耗大量的能源，造价高；湿法制陶粒技术已经广泛应用于国内外众多工程实例，其关键环节是把80％含水率的污泥干燥至60％，再与辅料进行混合搅拌。“湿法”工艺在国内技术已经比较成熟，相比“干法”更容易推广。“干法－烧结”与“湿法－烧结”技术的模糊综合评价结果为：0．4＋0．33＝0．73（湿法）＞0．33＋0．27＝0．60（干法）；“对辊挤压造粒”与“圆盘搅拌造粒”技术的模糊综合评价结果为：0．38＋0．40＝0．78（对辊挤压）＞0．37＋0．28＝0．65（圆盘搅拌）。本文确定的污泥制陶粒工艺为湿法对辊挤压造粒技术。

参考文献

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［2］ “十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划［Z］．国务院办公厅，2012，国办发〔2012〕24号．

［3］ 贺君．污水厂污泥制轻质陶粒研究现状及应用前景［J］．城市环境与城市生态，2003，16（6）：13－14．

［4］ 王新洲．模糊空间信息处理［M］．武汉：武汉大学出版社，2003：130－131．

［5］ 李士勇．工程模糊数学及应用［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004：101－108．

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［9］ 李慧．挤压造粒技术的研究应用［J］．橡塑技术与装备，2012，32（6）：28－32．

［10］倪志华．有机物加入条件下圆盘造粒工艺的主要技术参数研究［J］．化肥工业，2003，24（1）：9－12．