太陽能污泥干化技術(shù)的研究

杜家雯

太陽能污泥干化技術(shù)的研究

杜家雯

（民東有機廢物處理有限公司）

隨著中國污水處理事業(yè)的發(fā)展，污泥的產(chǎn)量以每年10～15%的速度增長。污泥的處理處置已經(jīng)成為城市發(fā)展的環(huán)境瓶頸問題，而污泥的資源化利用也成為污泥處理處置的重要手段。太陽能干化處理是污泥處理工藝的一種創(chuàng)新方法，通過太陽能干化處理后的污泥可實現(xiàn)資源利用。太陽能干化污泥處理技術(shù)還可以結(jié)合污水處理廠或污泥處理廠自身的工業(yè)余熱或廢熱作為干化的輔助熱源，不僅節(jié)省能源降低成本，而且進一步實現(xiàn)了能源的資源化利用。本文介紹了太陽能用于污泥干化的技術(shù)，并以污泥處理廠為例，計算太陽能污泥干化的物料及能量恒算。

太陽能干化；太陽輻射；污泥干化；余熱

前言

隨著中國污水處理事業(yè)的發(fā)展，污泥的產(chǎn)量快速增長，達到每年10～15%的增長率。污泥的處理處置制約著城市環(huán)境的發(fā)展，因此，必須加快污泥的資源化利用。污泥的減量化、無害化、資源化是現(xiàn)在污泥處理的重要方向。通過減少污泥的存儲和運輸，發(fā)揮污泥的穩(wěn)定性，實現(xiàn)污泥的資源化利用。一般情況下，采用帶機或離心機進行市政污泥脫水后，只能將含水率降至75～80%，最低為70%，每頓脫水污泥仍含700～800kg的水分，必須進一步干化才能進行后續(xù)的處置[1]。

太陽能污泥干化是對污泥干燥處理的一種創(chuàng)新方式，太陽能的干化處理不僅是為了處理掉污泥，而是為了進行污泥的資源利用。通過將太陽能污泥干化工藝與其它的污泥處置途徑進行結(jié)合，增加污泥處置手段的靈活性，更好的降低污泥處置費用[2]。

1 污泥干化技術(shù)的發(fā)展情況

早在20世紀40年代，日本和歐美國家就已經(jīng)采用直接加熱鼓式干燥器進行污泥干燥。80年代末期以來，污泥干化技術(shù)在歐美發(fā)達國家應(yīng)用廣泛。歐洲的污泥熱干化廠由1995年的110座，迅速增加到1999年的370座，如今已超過450座[3]。

目前我國經(jīng)濟最為發(fā)達的長三角地區(qū)，污泥基本只進行了脫水處理，且其中60%的污水處理廠脫水污泥達不到含水率在80%以下的要求。污泥的后續(xù)利用主要取決于含水率的高低，污泥含水率低于50%才適合進行焚燒，含水率低于60%才可以進行堆肥，城市污泥含水率較高，機械脫水后的含水率仍在80%以上，因此，污泥干化是解決污泥處置難題的關(guān)鍵所在。

目前主要運用的干化模式有：傳統(tǒng)熱能污泥干化和太陽能污泥干化。

2 傳統(tǒng)熱能污泥干化

傳統(tǒng)熱能污泥干化是指利用污泥熱干化集成設(shè)備對污泥實現(xiàn)干化處理。按照熱介質(zhì)與污泥的接觸方式，干化設(shè)備又可分為直接干化、間接干化和直接-間接聯(lián)合式干化等工藝類型。

表1 傳統(tǒng)熱能污泥干化技術(shù)不同加熱方式工藝的比較

3 太陽能污泥干化技術(shù)

顧名思義，太陽能污泥干化就是指利用太陽能資源對污泥進行干化。該工藝將先進的自動化技術(shù)與傳統(tǒng)溫室干燥技術(shù)相結(jié)合，利用太陽能這種清潔能源來進行污泥處理。

20世紀70年代的能源危機給能源的利用帶來了新的思考，太陽能作為可再生資源，以其安全、清潔、無污染等特點受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[3]。太陽能作為取之不盡的一種清潔型能源，合理應(yīng)用可以緩解能源危機。我國太陽能每年的輻射總量在3520～6520MJ/m2之間，按5020MJ/m2計算，相當(dāng)于170kg標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。近年來，我國太陽能干燥技術(shù)得到了深入的研究并將其廣泛的應(yīng)用。

3.1 太陽能干化工藝的原理和設(shè)備

太陽能污泥干化工藝的原理是污泥在太陽能溫室中通過風(fēng)能干化、輻射干化和有機物發(fā)酵三個過程達到含水率下降的目的[4]。

干化設(shè)備主要有太陽能集熱裝置、通風(fēng)設(shè)備、翻泥機、溫室、電控設(shè)備等。

溫室附屬設(shè)備有暖氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、全自動化甚至半自動化的翻泥系統(tǒng)等[5]。

3.2 太陽能污泥干化的工藝設(shè)計要點

太陽能污泥干化的工藝設(shè)計主要考慮到以下幾方面：①污泥的初始含固率；②要求達到的含固率；③季節(jié)性干化效果的不同；④氣候條件因素；⑤溫室的管理情況；⑥翻泥設(shè)備的種類和性能；⑦需要處理的污泥量。

3.3 太陽能污泥干化技術(shù)的優(yōu)缺點

太陽能污泥干化的優(yōu)點：①技術(shù)操作簡單、壽命較長；②系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性較高，溫度較低，灰塵產(chǎn)量?。虎巯到y(tǒng)具備較高的透明性和環(huán)境協(xié)調(diào)性；④系統(tǒng)所使用的管理費用低，能耗比較??；⑤太陽能作為可再生資源，符合科學(xué)發(fā)展觀；⑥通過污泥體積的減少，實現(xiàn)其穩(wěn)定化和再利用價值；⑦污泥存儲的需要得以解決。

太陽能污泥干化的缺點：①受天氣和季節(jié)的影響較大。②對場地空間的面積要求較大。③必須具備除臭設(shè)備。④作業(yè)環(huán)境為空氣條件密閉。

3.4 輔助熱源

太陽能干化裝置的主要能源來自太陽能，但由于太陽能受天氣和季節(jié)性條件的約束，國外許多污水處理廠也經(jīng)常利用其他余熱或廢熱作為補充能源，為干化裝置提供熱能，以提高干化處理效果。輔助能源的主要來源有：①利用沼氣發(fā)電機組產(chǎn)生的廢熱或余熱；②利用二沉池排水中的余熱。

4 “太陽能+鍋爐水余熱”干化污泥的物料及能量平衡（以我司為例）

根據(jù)能量守恒定律，污泥干化所需的熱量等于外界向污泥所提供能量的總和。提供能量的方式是溫室太陽能輻射能量和鍋爐伴熱水余熱能量。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)（以日處理量計算）

處理前：沼渣160t（含水率80%），其中含干物質(zhì)32t，水分128t；處理后：沼渣80t（含水率60%），其中含干物質(zhì)32t，水分48t。故每天需蒸發(fā)的水分的質(zhì)量是80t。

4.2 所需熱量的計算

假設(shè)物料的初始溫度是20℃，蒸發(fā)溫度是40℃（40℃水的氣化潛熱是 2414kJ/kg）。

故蒸發(fā)80t水所需熱量是199819.2MJ。

4.3 鍋爐水余熱所能提供的能量

我司鍋爐的伴熱水出水溫度可達60～70℃，可通過鋪設(shè)管道，把熱水通過太陽能溫室再回到鍋爐房，利用熱水對地面的熱輻射形成地?zé)帷５責(zé)崂缅仩t水的余熱作為太陽能溫室的輔助熱源，進一步提高污泥干化的效率。

假設(shè)熱水進水的溫度是60℃，出水的溫度是50℃，水流量為70t/h。

故鍋爐水余熱日可提供熱量是70341.6MJ。

4.4 需要建設(shè)的溫室的面積

中山位于廣東中南部，太陽能的日均輻射量為13.74-16.03MJ/m2。設(shè)定太陽能的日均輻射量為13.74MJ/m2，熱能的利用率為70%。每天所需的太陽能的熱量=（199819.2MJ-70341.6MJ×70%）÷70%=215114.4MJ，故所需溫室的面積S=215114.4MJ÷13.74MJ/m2=15656m2。

5 地?zé)岬哪M實驗

實驗室利用加熱板模擬地?zé)釋ξ勰噙M行干化實驗。實驗所取污泥是我司厭氧消化后經(jīng)離心脫水后的沼渣，含水率為81%。實驗設(shè)計相關(guān)的參數(shù)為：地?zé)釡囟?0℃，翻拋次數(shù)為4次/d，攤鋪面積為22cm×17cm，攤鋪高度為10cm、15cm、20cm，另設(shè)計一常溫狀態(tài)作為對比。實驗結(jié)果如圖1。

圖1 模擬地?zé)釋嶒瀳D

加熱一周，攤鋪高度為10cm的污泥含水率從81%降至65%；攤鋪高度為15cm的污泥含水率從81%降至73%；攤鋪高度為20cm的污泥含水率從81%降至74%；常溫蒸發(fā)，攤鋪高度為20cm的污泥含水率從81%降至78%。

實驗表明：污泥通過地?zé)岣苫暮时瘸卣舭l(fā)的含水率有明顯下降，但下降幅度不大；污泥含水率的下降幅度隨著攤鋪高度的增加而遞減，攤鋪高度越高，污泥含水率下降幅度越小。而且經(jīng)常翻拋污泥，可以使污泥受熱均勻，加速污泥的干化速率。

6 結(jié)論

雖然太陽能污泥干化技術(shù)有能耗少、操作簡便、維護費用低等優(yōu)點，但由于其投資費用高、占地面積大、效果不穩(wěn)定、低效率等問題限制了該工藝在國內(nèi)的應(yīng)用，國內(nèi)的應(yīng)用實例很少。但在太陽能充足的城市，若結(jié)合其他輔助熱源方式來提高熱量的利用效率，該工藝還是具有一定的優(yōu)勢，可有效降低污泥的處置成本。如我司這樣的污泥處理廠，可以利用沼氣鍋爐的余熱作為太陽能干化的輔助能源，即可以節(jié)省能源降低成本，又實現(xiàn)了能源的資源化利用。

[1]陳曦，馬文杰.太陽能污泥干化技術(shù)應(yīng)用及其進展[J].科技信息，2012（27）：435～436.

[2]饒賓期，曹 黎.太陽能熱泵污泥干燥技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（5）：184～188.

[3]田順，陳文娟，魏壘壘，等.太陽能-中水熱泵污泥干化系統(tǒng)干化機理研究[J].給水排水，2014（z1）：182～184，185.

[4]劉永付，王飛，池涌，等.太陽能蒸汽輔助污泥干化的試驗研究[J].中國給水排水，2013，29（17）：35～39.

[5]劉漢橋，原宏梅，王兵帥，等.煙氣廢熱/太陽能預(yù)干化污泥新工藝[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2015（5）：13～16.

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