太陽能污泥干化技術的研究

杜家雯

太陽能污泥干化技術的研究

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的發展，污泥的產量以每年10～15%的速度增長。污泥的處理處置已經成為城市發展的環境瓶頸問題，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新方法，通過太陽能干化處理后的污泥可實現資源利用。太陽能干化污泥處理技術還可以結合污水處理廠或污泥處理廠自身的工業余熱或廢熱作為干化的輔助熱源，不僅節省能源降低成本，而且進一步實現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，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的發展，污泥的產量快速增長，達到每年10～15%的增長率。污泥的處理處置制約著城市環境的發展，因此，必須加快污泥的資源化利用。污泥的減量化、無害化、資源化是現在污泥處理的重要方向。通過減少污泥的存儲和運輸，發揮污泥的穩定性，實現污泥的資源化利用。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的處置[1]。

太陽能污泥干化是對污泥干燥處理的一種創新方式，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 污泥干化技術的發展情況

早在20世紀40年代，日本和歐美國家就已經采用直接加熱鼓式干燥器進行污泥干燥。80年代末期以來，污泥干化技術在歐美發達國家應用廣泛。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]。

目前我國經濟最為發達的長三角地區，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鍵所在。

目前主要運用的干化模式有：傳統熱能污泥干化和太陽能污泥干化。

2 傳統熱能污泥干化

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

表1 傳統熱能污泥干化技術不同加熱方式工藝的比較

3 太陽能污泥干化技術

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與傳統溫室干燥技術相結合，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外的廣泛關注[3]。太陽能作為取之不盡的一種清潔型能源，合理應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，相當于170kg標準煤[4]。近年來，我國太陽能干燥技術得到了深入的研究并將其廣泛的應用。

3.1 太陽能干化工藝的原理和設備

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能干化、輻射干化和有機物發酵三個過程達到含水率下降的目的[4]。

干化設備主要有太陽能集熱裝置、通風設備、翻泥機、溫室、電控設備等。

溫室附屬設備有暖氣系統、通風系統、全自動化甚至半自動化的翻泥系統等[5]。

3.2 太陽能污泥干化的工藝設計要點

太陽能污泥干化的工藝設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的優缺點

太陽能污泥干化的優點：①技術操作簡單、壽命較長；②系統的穩定性和安全性較高，溫度較低，灰塵產量小；③系統具備較高的透明性和環境協調性；④系統所使用的管理費用低，能耗比較小；⑤太陽能作為可再生資源，符合科學發展觀；⑥通過污泥體積的減少，實現其穩定化和再利用價值；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必須具備除臭設備。④作業環境為空氣條件密閉。

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性條件的約束，國外許多污水處理廠也經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利用沼氣發電機組產生的廢熱或余熱；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 系統參數（以日處理量計算）

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

4.2 所需熱量的計算

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

故蒸發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熱。地熱利用鍋爐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 地熱的模擬實驗

實驗室利用加熱板模擬地熱對污泥進行干化實驗。實驗所取污泥是我司厭氧消化后經離心脫水后的沼渣，含水率為81%。實驗設計相關的參數為：地熱溫度60℃，翻拋次數為4次/d，攤鋪面積為22cm×17cm，攤鋪高度為10cm、15cm、20cm，另設計一常溫狀態作為對比。實驗結果如圖1。

圖1 模擬地熱實驗圖

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，攤鋪高度為20cm的污泥含水率從81%降至78%。

實驗表明：污泥通過地熱干化的含水率比常溫蒸發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 結論

雖然太陽能污泥干化技術有能耗少、操作簡便、維護費用低等優點，但由于其投資費用高、占地面積大、效果不穩定、低效率等問題限制了該工藝在國內的應用，國內的應用實例很少。但在太陽能充足的城市，若結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，即可以節省能源降低成本，又實現了能源的資源化利用。

[1]陳曦，馬文杰.太陽能污泥干化技術應用及其進展[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[J].農業工程學報，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/太陽能預干化污泥新工藝[J].環境衛生工程，2015（5）：13～16.

X703

A

1004-7344（2016）33-0255-02

2016-11-13