畜禽粪污深度脱水工艺及系统设计

崔 勇 ， 翟旭军， 花成巍， 朱 永， 高莹莹 ，王 琪

(1.江苏农牧科技职业学院， 江苏 泰州 225300； 2.江苏康泰环保股份有限公司， 江苏 泰州 225300)

我国是畜牧业大国，畜禽养殖的规模不断扩大，畜禽粪便、污水等养殖废弃物的产生量也迅速增加，农业面源污染在COD里面90%以上的都是畜禽粪污[1]。然而，畜禽粪便中含有大量的有机物和丰富的氮、磷、钾等物质，是农业种植可持续发展的宝贵资源[2]。固液分离是畜禽粪污的预处理工艺之一，通过采取物理或化学的方法，将粪污中的液体剥离，固液分离后固体部分能方便运离养殖场，制成有机肥或动物饲料，对畜禽粪污进行开发利用的同时也减少了养殖污染。

1 畜禽粪污深度脱水工艺及总方案

1.1 深度脱水系统设计的目的和功用

畜禽粪污脱水工艺和措施主要包括离心脱水、螺旋脱水、带式压滤脱水、干化脱水、生物脱水等[3]。各种脱水工艺和措施都有相应的特点(见表1)，可根据畜禽粪污的种类和应用场合进行选择。其中，离心脱水、螺旋脱水、带式压滤脱水等机械设备脱水方式由于自动化程度好、操作简单、效率高，目前被作为畜禽粪污脱水的主要方式。但单个种类的脱水设备的使用仍然存在着脱水后含水率高，如LJG-1型螺旋固液分离机，脱水后含水率为65%～73%[3]，XY型固液分离机对含水率80%以上的猪粪脱水后，含水率低于60%[4]。同时单个的脱水设备可进行脱水的畜禽粪污种类单一，造成综合农场或养殖场在进行粪污脱水处理时需要购买不同品种的脱水设备，或脱水后要进一步干化处理，增加了设备和人工成本，不适合规模化综合养殖场的粪污处理使用。

表1 畜禽粪污脱水工艺特点对比

笔者设计一种畜禽粪污深度脱水工艺及系统，处理技术包括初次脱水和深度脱水，综合叠螺脱水机、带式污泥深度脱水机两种脱水设备的特点，使得连续脱水后水去除率高至40%以上，并适用于多种畜禽粪污的脱水处理。

1.2 深度脱水工艺流程

带式畜禽粪污脱水机的优点是粪污处理量比较大，含水率低，缺点是容易堵塞[5]，特别是含纤维素较高的牛粪，更易造成堵塞，对设备磨损大。叠螺脱水机优点是不易堵塞，可处理的畜禽粪污种类较多。因此在工艺处理上，可以先使用叠螺脱水机进行初次脱水，再经带式脱水机深度脱水，具体工艺流程如图1。

图1 畜禽粪污深度脱水工艺流程

需要脱水处理的粪污先经絮凝沉淀，通过高压泵送至叠螺脱水设备，通过粪污重力浓缩及背压板挤压进行初次脱水，后经粪污改性输送机传送至带式污泥深度脱水机，带式深度脱水机采用上下两条夹紧的滤带，滤带夹带着畜禽粪污经过一系列规律排列的压辊，通过压榨挤压水分，从而获得含固率较高的泥饼，实现深度脱水。脱水后可根据需求进一步干化或资源化处理。

2 畜禽粪污深度脱水系统设计

畜禽粪污深度脱水系统主要集成了叠螺初次脱水机和带式深度脱水机两种主要脱水设备，系统的电气控制部分集成一体，粪污脱水过程连续进行，脱水设备转换过程不需人工操作。

畜禽粪污絮凝沉淀后进入叠螺脱水机进行初步脱水，实现水去除率达到20%，初步脱水后进入改性输送机，后经化学调质，使其中的间隙水和部分结合水释放出来，减少比阻和恶臭，再输送到带式深度脱水机进行深度脱水，最终实现水去除率达至40%或以上。

2.1 叠螺初次脱水机

叠螺初次脱水机包含絮凝箱、叠螺脱水主体、集液槽等部件。叠螺脱水主体由变径螺旋轴、动环、定环、不等距旋片、背压板、电机组成。畜禽粪污与絮凝剂在絮凝箱中经搅拌形成钒花状，自动流入叠螺脱水主体，在电机的带动下，变径螺旋轴旋转运动，带动畜禽粪污前进，由于容积逐渐减小，在背压板挤压的作用下，粪污实现脱水，水液经由动定环之间的间隙流出[6]。由于螺旋轴转动过程中，动环也随之转动，形成运转过程中的连续清洗，减少了堵塞(见图2)。

图2 叠螺初次脱水机

2.2 带式深度脱水机

带式深度脱水机主要由布料器、压辊、滤带、纠偏和张紧装置、冲洗装置、电机等组成。脱水的工艺流程为三步：重力脱水、楔形脱水、S形挤压脱水(见图3)。

1.重力脱水区； 2.楔形脱水区； 3.S形挤压脱水区图3 带式深度脱水工艺流程

重力脱水区是一段平直的滤带，脱水区距离较长，微向上翘起3°～5°，经布料器均匀分布的畜禽粪污在滤带的带动下向前移动，其中大部分自由水在重力脱水区利用自身的重力穿过滤带流走，畜禽粪污处于不可流动的状态。

楔形脱水区上下滤带在压辊的作用下夹角逐渐减小，直至重合，脱水区距离较短，粪污在上下滤带的挤压下失去一部分水分。该段脱水兼有重力脱水和压榨脱水双重功能，处于重力脱水转向S形挤压脱水的过渡阶段[7]。

S形挤压脱水区中滤带经过辊径不同的压辊，在滤带本身的张力作用下，形成对粪污污泥产生的剪切力和压榨力，污泥被深度脱水。S形脱水区布置多个压辊，压辊的直径逐步递减，对粪污污泥所产生的压榨力逐步增大，最终得到深度脱水后含水率较低的泥饼。

2.2.1 纠偏装置的设计

由于粪污污泥在滤带上分布不均以及设备制造过程中的合理误差等因素，在滤带运行过程中，常会出现各处的张紧力不均匀，产生跑偏的现象。跑偏会使得滤带的边缘产生磨损，降低滤带和设备的使用寿命，因此，需要设置纠偏装置，在滤带产生跑偏时，及时将滤带调整到居中位置。

纠偏装置结构如图4所示，当滤带发生跑偏时，触碰到左右两侧其中一个限位开关，限位开关发出触发信号给该侧调偏缸，调偏缸气缸沿箭头方向伸出，带动调偏辊一端滑块移动，使调偏辊产生偏转，调偏辊与滤带的夹角产生变化，使得其与滤带左右两侧产生不同的摩擦力，推动滤带向另一侧滑动，实现纠偏。

1.调偏缸； 2.调偏辊； 3.限位开关(右)； 4.限位开关(左)； 5.调偏缸图4 纠偏装置结构

图5 清洗装置

图6 卸泥装置

2.2.2 清洗装置的设计

粪污在滤带中进行压榨脱水后，残留的细小残渣会嵌在滤带中，影响脱水机的连续工作和后续的脱水效果，因此需设置清洗装置对滤带进行清洗以保证脱水机连续、高效工作。清洗装置由水管、喷嘴、手动阀、水泵、电机等组成，清洗滤带的水压一般大于0.35 Mpa，单侧喷嘴所形成的滤带冲洗带宽度为80～90 mm[7]。图5为脱水机中的清洗装置，清洗后的废水从脱水机下方的水槽出水口流出。

2.2.3 卸泥装置的设计

经过脱水后的粪污会形成泥饼，但仍具有一定的粘性，要将泥饼从滤带上卸下排出，需要设置卸泥装置。设备采用的上下两块横置刮片，与滤带宽度一致，固定于出料口处，如图6。随着滤带的滚动，泥饼被刮片剥离。

2.2.4 主要零部件的计算和选择

2.2.4.1 滤带的材质和宽度

滤带是带式深度脱水机的关键部件，应具备较好的强度、拉伸抗力、化学稳定性和相适应的过滤性能，设备选用的滤带为聚酯纤维材质，采用双层锻织，上层结构紧密、丝径细，下层丝径粗、强度较高，在增强过滤性能同时对粪污泥饼具有一定的拦截作用。

滤带的宽度按照公式(1)进行计算。

(1)

式中：b为滤带的有效宽度；M为生产能力；v为滤带速度；h为滤饼厚度；c为滤饼中干物料的质量分数；p为滤饼的容重[8]。

课题开发的脱水机带宽为1500 mm，脱水机的宽度约为1670 mm。

2.2.4.2 电机的选择

由于粪污的种类和含水率的变化，滤带的张力在运行中不固定，导致压辊受力也不稳定，因此带式污泥脱水机采用变频调速电动机。根据设备的工作环境，电机的防护等级选择为IP55。电机选用型号为Y112M/4，额定功率4 kW，转速1445 r·min-1。

2.3 电气控制装置的设计

电气控制装置需实现对整个系统的操作和调整进行控制，包含叠螺初次脱水机、粪污改性输送机、带式深度脱水机、输送带等设备的集成控制和监测。如图7，整个控制系统集中在一个控制柜中，由于工作环境潮湿，控制柜和导线作防腐处理，控制柜采用IP65防护等级，电气控制部分、纠偏和张紧装置的气动控制部分采用24 V低压电源。整个系统的联动运行、停止、故障报警、电机的驱动调节等由PLC主工作站控制，设备工况信息传送至仪表和显示屏。

图7 脱水系统电气控制柜

3 研究实例

课题组及合作单位在现有产品的基础上对畜禽粪污深度脱水系统进行了开发和试制，并进行了脱水效果试验。

3.1 原料参数

试验采用江苏某种猪公司猪场的猪粪，选取了3个猪舍中猪粪样本，pH值为6.3左右，含水率在85%左右，具体样本参数见表2。

表2 样本各项指标参数

表3 深度脱水系统运行主要技术参数

3.2 深度脱水系统构建

深度脱水系统主要技术参数和设定参数见表3。系统含水率的设计指标为叠螺脱水机出口为65%～70%，带式脱水机出口(系统出口)为45%～50%，脱水处理后CODcr浓度值降到5000 mg·L-1以下，系统处理量设计指标为1.2 t·h-1。

图8 试验用水分测定仪

3.3 分析方法

畜禽粪污测定试验在系统进口、叠螺脱水机出口、系统出口三处采样测定了含水率，在系统进口、系统出口两处采样测定了CODcr浓度值。试验选用絮凝剂和改性材料分别为PAM和CaO,脱水后含水率采用水分测定仪进行测定，CODcr测定采用重铬酸钾标准法[9]，检测采用的主要仪器有：KW-301A型水分测定仪(见图8)、电子天平、全玻璃回流装置，HT-9012A型CODcr恒温加热器(见图9)，酸式滴定管，锥形瓶，移液管，容量瓶等。

3.4 结果分析

表4为系统设备猪场粪污脱水效果测定结果。

图9 CODcr恒温加热器

猪粪样本含水率/%CODCr/(mg·L-1)处理能力系统进口叠螺脱水机出口系统出口系统进口系统出口(t·h-1)184.6566.1546.851788041481.32283.3765.6747.571975044321.29387.3367.1347.932087145081.37

通过试验，得出该脱水系统及工艺处理方式可实现猪粪脱水后的含水率平均值为47.45%，CODCr的浓度平均值为4363 mg·L-1，去除率平均值77.63%，处理能力为1.33 t·h-1。脱水处理后含水率，CODCr浓度和处理能力达到设计要求。

3.5 设备运行结果

(1)系统运转平稳、能实现24 h无人值守连续运行；

(2)控制柜操作简便，系统参数显示正常；

(3)清洗装置清洗滤带时增加了废水量和处理量，下一步可考虑气动吹洗的应用开发。

4 总结

规模化养殖场粪污的处理中，固液分离，实现畜禽粪污的脱水是至关重要的[10]，该深度脱水工艺及系统的设计集成了叠螺和带式两种脱水机的优势，实现了畜禽粪污脱水后含水率低的目标值，脱水后粪污的固体和液体部分分别可制成有机肥和制备沼气[11]，保护环境的同时，实现资源化利用。适用于综合农场或养殖场进行畜禽粪污脱水处理。