第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
污水处理厂作为一个能源密集型产业，如何降低它的能耗和碳排放是近年来的重要问题。污水处理约占美国年用电量的 0.6%，占德国总用电量的 0.7%，仅占中国总用电量的 0.25%。上述国家的污水处理单位耗电量分别约为 0.52kWh/m3、0.40 kWh/m3、0.254 kWh/m3[1]。中国的污水处理能耗对比发达国家，明显处于一个较低的水平。但是污水处理的能耗受污水处理水平和处理要求的影响。
1.1.1 我国污水处理现状
截至 2018 年底，我国城市污水日处理能力达到 1.82 亿 m3,城市排水管道长度达 68.3 万公里；全国城镇累计建成运行污水处理厂 4063 座[2]。截至 2017 年 6月底，污泥处理能力约为 1300 万吨/日，污泥处理率仅达到 33%；到 2020 年末，污泥总产生量很有可能突破 8000 万吨/日。
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1.2.1 污泥成分及其特性
污水污泥的状态为流态或半流态，经过生物和机械污水处理后，由悬浮和溶解的有机和无机物质组成[27]。在北美立法机构中，半固体污泥是污水处理厂生产的中间体，也被称为生物固体(biosolids)[28]。
污水处理厂产生的污泥（生物固体）可以来自各个阶段的净化。它们中的每一种都产生略微不同性质的污泥。基本上，可以区分以下内容：
（1）初级污泥 ：机械预清洗的产物；
（2）二级污泥：生物处理后产生的剩余污泥；
（3）来自化学沉淀的污泥：例如在去除磷化合物期间形成，磷化合物通常与二次污泥混合。
生产的污水污泥的成分和质量是可变的，取决于加工方法和工业污水的份额。一般而言，污水污泥的特点是[29]：
（1）高含水量，未加工通常为 99％，脱水污泥为 80-55％；
（2）高有机物含量，原污泥中干物质含量（DM）为 75％，稳定污泥中 DM为 45-55％；
（3）高氮（2-7％DM）磷（1-5％）含量，和磷，特殊情况下高达 15％DM；
（4）各种重金属含量（0.5-2％，在某些情况下高达 4％DM），取决于污泥来源与处理技术；
（5）不同数量的病原微生物，它们的类型和数量取决于污泥的来源，最多来自初级沉淀池的污泥。
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第 2 章 稳态的污泥干燥方法与过程特性研究
2.1 实验材料
2.1.1 原始材料
市政污泥：市政污泥取自北京市高碑店污水处理厂，取得污泥后，为使污泥状态稳定，因此将污泥放入 4℃的冰箱进行保存。对于污泥含水量的测定，对于首批污泥，进行两次含水率测定，第一次所取污泥样品含水率为 84.337%，第二次所取污泥含水率为 83.739%。测试完成后对污泥进行造型以及调制用于污泥干燥特性实验。制备后的污泥保存在设定温度 4℃冰箱内。
木渣：为工业生产木渣，过 40 目筛网备用；
氧化钙(CaO)：粉碎后的 CaO，过 300 目筛网后灼烧干燥后放入坩埚冷却至室温，冷却后的 CaO 放入干燥皿中保存备用。
2.1.2 材料处理
滤纸准备：实验前取足量所需滤纸放入干燥箱中，持续、反复烘干（103℃-105℃），直至前后质量差小于 0.2mg。记录此时的滤纸质量为 M1。
（1）前置实验 1：纯污泥含水率测定
污泥含水率的标准测量的方法：
取样：称取一定质量污泥放入干燥后的滤纸中。将滤纸与待检测污泥放入天平待读数稳定后记下重量 M2，则污泥重量 M=M2-M1。将滤纸与待检测污泥放入烘干箱里烘 2 小时左右（103℃-105℃）。之后将滤纸与污泥取出冷却至室温再称量其质量。反复重复上述步骤，直至前后两次的质量不变或者质量差在 0.4mg内，则认为污泥完全干燥，记录此时的质量 M3，（则此时水分的质量=M2- M3。水 分的 质量 /M*100%= 含 水率 。（ 《 城镇 污水 处 理厂 污 染 物排 放 标准 》(GB18918-2002))
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2.2 污泥干燥特性实验
污泥干燥特性实验台由带热风功能的恒温烘干箱改造而成，实验台主要包含：恒温热风烘干箱、轴流风机、风机变频器。实验前将纯污泥放入烧杯中进行称重，按照计算加入 CaO 与木渣进行充分混合。调制后的污泥与纯污泥手工制成形状、质量类似的条状，放入培养皿中密封，并且置于 4℃的冰箱内保存。其他设备为精密电子天平、计时器等。实验前，将精密电子天平放置于防震动试验台上。
2.2.1 污泥干燥特性实验设备
该干燥实验台由一台热风干燥箱改造而成，因为湿负荷极小，干燥过程中干燥箱内湿度改变较小，因此认为湿度在干燥过程中是恒定的。干燥实验在北京建筑大学环能学院实验室进行。实验在热风炉内进行。
干燥过程使用可控制内部空气速度的热风烤箱。烤箱的详细信息如下：烤箱的控制精度为 0.1 °C; 烤箱的温度变化可以控制±1 °C，工作温度范围为+ 10–250 °C 时，干燥箱内的温度显示在烘干箱的数控面板上。一旦我们设定了任何特定的温度，记录的温度变化为±1 °C。实验所用部分设别与精度表如下表所示。
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第 3 章 低温污泥热泵干燥系统设计..................................38
3.1 系统设流程..................................................39
3.2 制冷剂选择与压缩机选型.................................40
第 4 章 热泵低温干燥污泥系统实验方法...........................47
4.1 热泵污泥干燥系统性能实验装置................................47
4.1.1 风系统....................................48
4.1.2 制冷与控制系统...............................50
第 5 章 变工况的热泵低温干燥污泥过程及其系统热性能研究....................55
5.1 干燥效率对压缩机功率的影响..........................55
5.1.1 污水蒸发器.................................55
5.1.2 空气蒸发器...........................56
第 5 章 变工况的热泵低温干燥污泥过程及其系统热性能研究
5.1 干燥效率对压缩机功率的影响
尽管改进热泵系统将改善干燥机的状况，但压缩机的性能是热泵干燥系统中最重要的，因为压缩机是任何热泵系统的主要组成部分。改善压缩机性能可能会减少功率输入或所需的功率。
我们在切换两种蒸发器的闭式模式时，分别检测其在不同设定干燥温度时的干燥速率与能耗，并且对比得到以下计算结果。
5.1.1 污水蒸发器
当使用污水蒸发器提供热量时，冷却后的污水通过污水盘管与风道中的空气换热，对热湿空气进行冷却除湿。在不同设定干燥温度下，压缩机的功率如下图所示。
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结论与展望
为解决污水处理厂污泥处理成本较高且污水余热能利用率较低的问题，同时为污水处理厂从耗能单位向能源回收转变甚至进一步成为产能单位提供技术与理论支持。本研究以污水余热的回收利用与污泥的干燥特性为基础，建立节能高效的低温双源热泵污泥干燥设备。通过实验的方法研究了污泥干燥特性并且得出污泥干燥动力学模型，从而对污泥干燥流程进行指导；并且探究了低温双源热泵污泥干燥设备的应用效果：
(1) 使用以污水余热为热源的污水源热泵对污泥进行热干燥进而焚烧可以综合利用污水处理厂的低品位能源。
(2) 风速在污泥干燥初期对于干燥速率的提升远远大于在中后期的作用，随着温度升高，干燥温度升高所减少的时间差逐渐减小，在低风速情况下升高温度对干化速度的提升作用更大，因此当干燥进入到后期阶段可适当降低干燥风速或者提高干燥温度。
(3) 当温度升高调制污泥内的木渣可以形成支撑作用增强扩散作用，这导致相对于纯污泥，调制污泥在高干基含水率阶段，即污泥干燥的初始阶段污泥的干燥速率较纯污泥更高。
(4) 低温状态下污泥不容易产生表面断裂，这一状态在调制污泥中更加明显。这可以保证在较大风速下污泥不因为产生断裂的小颗粒而导致污泥飞散，降低了安全隐患。但是在污泥干燥后期却是对污泥干燥的不利因素，因此在对于调制污泥的干燥，干燥后期应当提高干燥温度并且降低干燥风速，同时通过物理手段对污泥进行二次破碎。
(5) 低温双源热泵污泥干燥设备最大计算风机与水泵能耗后的最大干燥速率（使用污水蒸发器，60℃热风干燥）的能耗为 3.73.1kg（H2O）/kWh，使用空气蒸发器时的干燥能耗为 3.1kg（H2O）/kWh。具有良好的节能性，并且可以适用于多种气候条件下的恶劣工况。
参考文献（略）