污泥節(jié)能干燥技術(shù)概述
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的污水得到處理，同時(shí)大量的污泥也隨之產(chǎn)生。污泥的處理處置遵循減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的原則。傳統(tǒng)的污泥處理流程為：污泥→濃縮→穩(wěn)定→脫水。研究表明，經(jīng)傳統(tǒng)的濃縮和脫水工藝處理之后的污泥的含水率不可能達(dá)到60%以下，經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水之后污泥的含水率仍然在80%左右。污泥中的大量水分使得污泥的體積龐大，從而給后續(xù)的處理帶來(lái)很大的困難。如果要達(dá)到較為深度的脫水，就必須對(duì)污泥干燥處理。污泥中含有大量的水分，理論上每千克水蒸發(fā)熱能為2515kJ，實(shí)際生產(chǎn)中考慮到熱損失，按每千克3349kJ蒸發(fā)熱計(jì)算，每噸污泥蒸發(fā)800kg水，需消耗268萬(wàn)kJ蒸發(fā)熱量，相當(dāng)于487kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。如此巨大的能源消耗量一方面提高了污泥干燥的成本，同時(shí)消耗了大量的能源。
1 傳統(tǒng)的污泥處置方法
1.1 污泥處置方法及特點(diǎn)
污泥是污水處理的終端產(chǎn)物，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，里面含有病源微生物、多種有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物以及重金屬。從污泥中檢測(cè)到的192種化合物中，有99種被確定為有害化合物，因此，污泥是一類(lèi)危害性極大的固體廢棄物，如果不加以徹底的處理與控制，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。
目前國(guó)內(nèi)外常用的污泥處置方法主要有填埋、農(nóng)用、投海、焚燒，在這幾種處理方法中，衛(wèi)生填埋操作相對(duì)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用較小，處理費(fèi)用較低，但其侵占土地嚴(yán)重，如果防滲技術(shù)不夠，將導(dǎo)致潛在的土壤和地下水污染。農(nóng)用因脫水污泥含水率太高，造成運(yùn)輸困難，并且污泥中含有大量的重金屬元素、病原體、難降解有機(jī)物以及對(duì)地表水和地下水的污染。沿海城市或有通往海洋航道的城市，會(huì)采用污泥投海的方法。污泥中富集的有毒有害物質(zhì)會(huì)對(duì)投海區(qū)域造成污染，影響海洋生態(tài)環(huán)境。以焚燒為核心的處理方法是較徹底的處理方法，它能使有機(jī)物全部碳化，殺死病原體，可較大限度的減少污泥體積，可脫水污泥餅也因其含固率低不能達(dá)到維持過(guò)程自行運(yùn)作所需的能量，需要加入輔助燃料，使處理成本明顯增加，難以承受。綜合分析上述污泥處理與處置技術(shù)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中所遇到的困難，不難看出污泥的含水率是關(guān)鍵的影響因素。因此，降低污泥含水率是解決目前在污泥處理所遇到的許多問(wèn)題的關(guān)鍵。
1.2 污泥干燥方式
污泥干燥可以有效去除污泥中的水分，在很大程度上降低了污泥的含水率，體積可以減少4-5倍，產(chǎn)品穩(wěn)定、無(wú)臭且無(wú)病源微生物，干化處理后的污泥產(chǎn)品用途多，可以用作肥料、土壤改良劑、替代能源等。污泥干燥技術(shù)按照介質(zhì)是否與污泥相接觸可以分為兩類(lèi)：直接干燥技術(shù)和間接干燥技術(shù)。直接干燥技術(shù)是將外部介質(zhì)加熱后通入干燥器與污泥接觸，熱介質(zhì)低速流過(guò)污泥層，在此過(guò)程中吸收污泥中的水分。熱介質(zhì)離開(kāi)干燥器后經(jīng)除塵、熱氧化除臭后排放。直接干燥技術(shù)需要熱風(fēng)量很大，由于與污泥直接接觸，熱介質(zhì)將受到污染，故尾氣處理成本較高，并且尾氣中含有大量的熱量不能有效的利用。在間接干燥技術(shù)中，熱介質(zhì)通過(guò)熱交換器將熱量傳遞給濕污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)，同時(shí)熱介質(zhì)也不會(huì)受到污泥的污染，但是在污泥干燥過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生粘壁現(xiàn)象。污泥粘壁會(huì)降低傳熱效率，阻礙污泥中水分的蒸發(fā)，從而降低干燥速度，造成能源浪費(fèi)。
污泥干燥是一個(gè)能量?jī)糁С龅倪^(guò)程，耗能費(fèi)用在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)干化系統(tǒng)運(yùn)行成本中的比例＞80%。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，對(duì)污泥節(jié)能干燥技術(shù)的研究應(yīng)是污泥干燥系統(tǒng)研究及改進(jìn)的重點(diǎn)。
2 幾種城市污泥節(jié)能干燥技術(shù)及特點(diǎn)
2.1 太陽(yáng)能熱泵污泥干燥
太陽(yáng)能干燥因其能耗低、系統(tǒng)安全性高、環(huán)境友好等特點(diǎn)使其應(yīng)用于污泥干燥過(guò)程具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是太陽(yáng)能是一種不連續(xù)的、分散性的熱源，熱流密度低，受季節(jié)和天氣影響大，單獨(dú)使用太陽(yáng)能時(shí)，干燥溫度低、波動(dòng)大、干燥周期長(zhǎng)。熱泵是一種消耗一部分能量，將低品位熱源轉(zhuǎn)換為高品位熱源的裝置。利用太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥污泥，在保證充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)，克服了單獨(dú)使用太陽(yáng)能干燥污泥時(shí)其本身熱源的稀薄性和間歇性。太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)主要由干燥室、太陽(yáng)能集熱器、熱泵、循環(huán)系統(tǒng)組成，整個(gè)干燥過(guò)程在密閉空間內(nèi)進(jìn)行。傳統(tǒng)干燥能耗大的原因主要有兩個(gè)：一方面是干燥污泥所用的熱能是由電能或化石能源提供，另一方面污泥干化處理后產(chǎn)生的大量廢氣，經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理后排入大氣，用常規(guī)換熱器雖然可以回收廢氣中部分顯熱，但廢氣中60%～80%的熱量是以潛熱形式存在的，還是被排放掉。太陽(yáng)能熱泵污泥干燥在充分利用太陽(yáng)能作為干燥污泥能源的同時(shí)，利用熱泵技術(shù)吸收來(lái)自干燥過(guò)程排放廢氣中的熱量，把廢氣冷卻降到露點(diǎn)一下，排掉冷凝水，將回收的能量再用于干燥過(guò)程。王明根等人進(jìn)行了利用太陽(yáng)能和高溫?zé)岜脤?duì)城市污泥熱干化的系統(tǒng)技術(shù)研究，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出在污泥干燥過(guò)程中，熱泵出氣溫度為100℃，干燥機(jī)內(nèi)熱風(fēng)溫度可達(dá)80℃，每度電可脫水5～6kg，能耗費(fèi)用低，運(yùn)行成本低。此外，法國(guó)的Slim等對(duì)熱泵太陽(yáng)能溫室干化污泥進(jìn)行研究，并建立了S&HPSDS的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型反映了質(zhì)量、能量、時(shí)間和狀態(tài)平衡與熱量傳遞的耦合關(guān)系。太陽(yáng)能熱泵干燥是在密封條件下進(jìn)行的，粉塵含量大大降低，干燥過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，無(wú)廢氣排放，在一定程度上減緩了環(huán)境壓力。另外，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)安全性也是衡量污泥干燥設(shè)備的關(guān)鍵因素，太陽(yáng)能熱泵干燥屬于中、低溫干燥，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定安全，無(wú)起火和爆炸危險(xiǎn)。
利用太陽(yáng)能熱泵干燥污泥，設(shè)備初期投資高的缺點(diǎn)。在污泥干化過(guò)程中熱泵回收的氣體具有腐蝕性，為了使熱泵處于 工作狀態(tài)，必須定期對(duì)熱泵裝置進(jìn)行維修保養(yǎng)。另外，在無(wú)太陽(yáng)能而單獨(dú)使用熱泵干燥污泥時(shí)，干燥溫度低、時(shí)間長(zhǎng)，能耗也會(huì)相應(yīng)的增加，所以需要添加儲(chǔ)熱裝置，常用的有卵石、巖石和水箱等。
2.2 污泥載體干燥
污泥載體干燥是指濕污泥在干燥前，向污泥中添加一種物質(zhì)與濕污泥混合，然后再造粒、干燥的方法。污泥載體干燥可以選用粉煤灰、粘土、干污泥或者它們的混合物作為干燥載體。目前常用的是使用干污泥作為載體，即干料返混工藝。高含水率的污泥在干燥過(guò)程中有一個(gè)特殊的膠粘階段（含水率約為40%～60%），在膠粘階段，污泥極易結(jié)塊，表面堅(jiān)硬，而內(nèi)部仍然是稀泥的“糖心現(xiàn)象”，此階段污泥的流體特性類(lèi)似膠水，很難干化，污泥干化時(shí)含水率由80%降到60%和由35%降至10%所消耗能量較小，而污泥含水率由60%降至35%所消耗的能量明顯增加。采用載體干化，將干、濕污泥按照一定的比例在機(jī)械設(shè)備中混合，一方面避開(kāi)了污泥在干燥過(guò)程中出現(xiàn)的膠粘階段，另一方面在混合的過(guò)程中使污泥進(jìn)一步顆?；?/span>，增加了污泥的比表面積，進(jìn)而改善了污泥傳熱傳質(zhì)的效果，干燥的效率也會(huì)隨之提高。在污泥熱干燥的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)污泥粘壁的現(xiàn)象，當(dāng)含水率在60%左右時(shí)，污泥黏壁量較大，降低傳熱效率，阻礙污泥中水分的蒸發(fā)，污泥粘壁還會(huì)影響污泥干燥設(shè)備的使用壽命或?qū)ζ湓斐善茐?。采用污泥載體干燥，降低污泥干燥的初始含水率，有效的控制了污泥的粘壁量，在保證干燥設(shè)備安全性的同時(shí)提高了干燥效率。
污泥載體干燥工藝需加裝有返料機(jī)、混合器、篩選器等輔助設(shè)備，污泥中夾雜著大量的沙礫，在濕污泥與載體混合過(guò)程中，極易造成混合器的磨損，因此干燥設(shè)備成本、維修費(fèi)用較高。另外，干燥過(guò)程中污泥呈細(xì)顆粒狀，含水率較低，所以在干燥過(guò)程中要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)粉塵濃度、干燥器溫度和含氧量，防止干燥器起火或爆炸。
2.3 煙氣余熱污泥干燥
煙氣余熱污泥干燥是指利用大型工業(yè)、環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施（垃圾焚燒爐、電站、窖爐、化工設(shè)施）的廢熱煙氣作為干燥熱源對(duì)污泥進(jìn)行干燥。利用煙氣余熱干燥污泥可以分為兩種形式： 種是采用煙氣直接與污泥接觸進(jìn)行干燥，第二種是通過(guò)煙氣余熱加熱其他干燥介質(zhì)（空氣、導(dǎo)熱油、蒸汽等）對(duì)污泥干化的過(guò)程。與傳統(tǒng)熱干燥技術(shù)相比，利用煙氣干燥不需要單獨(dú)建造熱源設(shè)備，并且干化后的污泥可與煤等原料混合作為燃料，減少了污泥后續(xù)處理的費(fèi)用，投資低，節(jié)能效果顯著。翁煥新等建立了二段式污泥低溫干化工藝，利用熱電廠的煙氣余熱對(duì)污泥進(jìn)行干化，將含水量為75%的污泥干燥到含水率為30%左右，結(jié)果顯示：在100t/d污泥干化的整個(gè)過(guò)程中，利用煙氣余熱的熱量相當(dāng)于每天節(jié)約7.73t標(biāo)準(zhǔn)煤，而干化后的污泥作為輔助燃料所提供的熱量相當(dāng)于7.53t標(biāo)準(zhǔn)煤。另外，污泥是高濕性物質(zhì)，熱煙氣與濕污泥直接接觸，可以使煙氣中的部分煙塵被濕污泥吸附并被固定在污泥顆粒中。同時(shí)污泥表面吸附水中還含有豐富的堿性物質(zhì)，對(duì)于酸性氣體有一定的吸附作用。翁煥新等研究表明，含水率為75%和55%的污泥對(duì)煙氣中SO2的吸收率分別達(dá)到25%和16%。
利用煙氣對(duì)污泥干燥也存在一些局限性，煙氣中含有SO2、HCL等大量酸性氣體，當(dāng)煙氣溫度降低到露點(diǎn)時(shí)，冷凝液中的酸性離子會(huì)腐蝕干燥設(shè)備，勢(shì)必會(huì)增加設(shè)備維修費(fèi)用。另外，污水處理系統(tǒng)與煙氣發(fā)生系統(tǒng)地點(diǎn)必須近，否則難以利用。
2.4 過(guò)熱蒸汽污泥干燥
過(guò)熱蒸汽污泥干燥是指利用過(guò)熱蒸汽直接與污泥接觸而去除水分的干燥方式。利用過(guò)熱蒸汽干燥污泥，排出的廢氣全部是蒸汽，溫度在100℃以上，可經(jīng)冷凝、壓縮回收其潛熱，也可以經(jīng)過(guò)加熱器加熱后繼續(xù)參加干燥過(guò)程，故降低單位能耗。袁佳麗等進(jìn)行了過(guò)熱蒸汽污泥干燥的機(jī)理與經(jīng)濟(jì)性分析，得出利用過(guò)熱蒸汽干燥污泥蒸發(fā)1kg水消耗能量為815.4kJ，而傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥每蒸發(fā)1kg水需要耗能4000～6000kJ，可見(jiàn)過(guò)熱蒸汽的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱風(fēng)干燥。過(guò)熱蒸汽干燥污泥由于只有一種氣體成分存在，水分不是通過(guò)擴(kuò)散作用從濕表面移動(dòng)，而是通過(guò)壓力差產(chǎn)生的體積流移動(dòng)的，無(wú)傳質(zhì)阻力，并且在干燥后期無(wú)表面硬化現(xiàn)象，傳熱系數(shù)大，因此傳熱傳質(zhì)效率高。眾所周知過(guò)熱蒸汽的比熱約為空氣的兩倍，所以蒸汽用量少，有利于減少設(shè)備的體積和廢氣的凈化量。整個(gè)干燥過(guò)程是在密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行的，無(wú)空氣存在，無(wú)爆炸和失火危險(xiǎn)，有利于保護(hù)環(huán)境。國(guó)際干燥協(xié)會(huì)主席Mujumdar把過(guò)熱蒸汽干燥稱(chēng)為在未來(lái)具有巨大潛力和發(fā)展前景的干燥技術(shù)。
較常規(guī)干燥系統(tǒng)講，過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，主要有兩方面原因：一是設(shè)備中包含有廢氣再循環(huán)利用系統(tǒng)，而尾氣回收利用技術(shù)復(fù)雜；二是過(guò)熱蒸汽干燥的整個(gè)過(guò)程是在密閉環(huán)境中進(jìn)行的，對(duì)設(shè)備的密閉性和絕熱性要求很高。若干燥系統(tǒng)內(nèi)部蒸汽發(fā)生冷凝，就會(huì)和干燥過(guò)程中產(chǎn)生的酸性氣體形成酸性液體腐蝕設(shè)備，維修費(fèi)用也相應(yīng)提高。
3 結(jié)語(yǔ)
污泥干燥技術(shù)的不斷完善與革新，直接推動(dòng)了污泥處置手段的發(fā)展，拓寬了污泥處置手段的范圍，為污泥的資源化利用提供了可靠的保證，但是污泥干燥過(guò)程的高能耗仍然是制約污泥干燥處理的瓶頸。常規(guī)的污泥干燥利用電能或化石能源提供熱量，消耗大量的能源，增加了溫室氣體的排放。干燥溫度高，與環(huán)境溫差大，排氣溫度高，導(dǎo)致能源利用率低。因此，發(fā)展污泥節(jié)能干燥技術(shù)，降低污泥干燥能耗，減少污泥二次污染，并實(shí)現(xiàn)污泥的低碳資源化利用。
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