城市河道污泥干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀與裝備性能分析

房凱文 曹憲周

摘 要：污泥處理由于高成本和對環(huán)境、人體健康造成的威脅，已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)問題和社會問題。本文對目前國內(nèi)外污泥干燥技術(shù)及設(shè)備技術(shù)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以給今后污泥處理裝備的發(fā)展提供良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：污泥處理;干燥技術(shù);干燥機(jī)

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0131-04

Abstract： Sludge treatment has become a serious economic and social problem due to its high cost and threat to the environment and human health. In this paper， the sludge drying technology and equipment technical performance at home and abroad were systematically analyzed to provide a good reference for the development of sludge treatment equipment in the future.

Keywords： sludge treatment;drying technology;drying machine

污泥，尤其是城市河道污泥，其不僅含水率高、所占體積大、氣味惡臭等，而且含有多種重金屬、有機(jī)污染物、寄生蟲卵和病原微生物等難以降解的有毒有害及致癌物質(zhì)，若不及時(shí)進(jìn)行無公害處理，將會對人們的生存環(huán)境造成極大的污染，甚至威脅環(huán)境安全和公眾健康。因此，加強(qiáng)城市污泥處理尤為重要。

1 國內(nèi)外污泥干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀

污泥是含水率極高的物質(zhì)，易腐敗且有惡臭。經(jīng)濃縮、消化后的含水率仍高達(dá)95%～97%，而經(jīng)機(jī)械脫水后含水率為70%～80%，而經(jīng)干燥后含水量可降至20%左右[1]。因此，應(yīng)用干燥技術(shù)使污泥減容，是污泥減量化、無害化和資源化利用的重要方法。目前，污泥干燥是城市污泥處理最常用的方法，干燥后的污泥水分含量降低、體積大幅縮小，為其后續(xù)處理和運(yùn)輸創(chuàng)造了有利條件。干燥后的污泥與濕污泥相比，其體積大幅度減小，一定程度上減少了儲存空間。以含水率為85%的濕污泥為例，干燥至含水率40%時(shí)，體積可減少至原來的1/4，污泥的形狀成為顆粒，有利于進(jìn)一步的后續(xù)處理。

英國的Bradford公司是世界上最早將熱干燥技術(shù)應(yīng)用于污泥干燥處理的公司。1910年，該公司首次開發(fā)了轉(zhuǎn)窯式污泥干化機(jī)，并將其應(yīng)用于污泥干化實(shí)踐;1915年，這套技術(shù)得到了Huddersfield的采用[2]。到了20世紀(jì)30年代，美、英兩國污水處理行業(yè)分別出現(xiàn)了閃蒸式干燥機(jī)、帶式干燥機(jī)等設(shè)備。20世紀(jì)六七十年代，污泥熱干燥技術(shù)逐步得到了完善[3]。大約在20世紀(jì)40年代，日本和歐美就已經(jīng)采用直接加熱鼓式干燥器來干燥污泥。污泥干燥是一個(gè)能量靜消耗的過程，能耗費(fèi)用在整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)運(yùn)行成本中的比例超過80%[4]。但是，污泥干燥的優(yōu)點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來，因而，這項(xiàng)技術(shù)于20世紀(jì)80年代末期在瑞典等國家成功應(yīng)用之后，逐漸在發(fā)達(dá)國家推廣起來。

目前，研究較多的污泥干燥方式有高溫干燥（包括過熱飽和蒸汽干燥）（80～280 ℃）和低溫干燥（20～70 ℃）。熱風(fēng)干燥技術(shù)的研究主要集中在污泥干燥規(guī)律、干燥模型及系統(tǒng)分析等方面。污泥干燥速率的變化是干燥過程中水分遷移的宏觀表現(xiàn)，其變化規(guī)律揭示了污泥干燥內(nèi)部微觀的傳熱傳質(zhì)動力學(xué)機(jī)理[5-6]。劉欣等對印染污泥的熱空氣干燥特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為污泥干燥過程可分為預(yù)干燥、恒速干燥和降速干燥三個(gè)階段，恒速干燥階段是主要干燥階段，干燥速率最高，蒸發(fā)水分最多[7]。張緒坤等在160～280 ℃溫度下，分別對4、10 mm污泥薄層進(jìn)行過熱蒸汽干燥和熱風(fēng)干燥，并利用Fick擴(kuò)散模型，建立有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥時(shí)間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：當(dāng)溫度超過260 ℃時(shí)，過熱蒸汽干燥的有效擴(kuò)散系數(shù)比熱風(fēng)干燥有效擴(kuò)散系數(shù)大[8]。之后，他為了研究城市污泥過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥特性，研制了一套常壓內(nèi)循環(huán)式干燥實(shí)驗(yàn)裝置。以4 mm和10 mm污泥薄層為研究對象，在160～280 ℃溫度下進(jìn)行過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥特性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著溫度升高，過熱蒸汽與熱風(fēng)干燥時(shí)間越來越接近，當(dāng)溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，過熱蒸汽干燥與熱風(fēng)干燥時(shí)間大致相同[9]。2016年，其又和其他學(xué)者利用圖像處理技術(shù)分析干燥過程污泥收縮現(xiàn)象及特性。結(jié)果表明，污泥在干燥過程中存在明顯的收縮現(xiàn)象，前段干燥收縮幅度大，后段干燥收縮幅度小，收縮變化規(guī)律與水分變化規(guī)律一致[10]。曾慶洋、Font、Krista等[11-13]用Logarithmic模型研究了常溫條件下的污泥干燥速率。結(jié)果表明，污泥厚度及風(fēng)速對其干燥速率影響較大，污泥厚度越小、風(fēng)速越大，污泥干燥速率越大。Ruiz Celma A和Cuadros F[14]采用對流干燥方式分析了不同進(jìn)風(fēng)速率和進(jìn)風(fēng)溫度下的污泥干燥特性。

傳統(tǒng)的污泥干燥技術(shù)已經(jīng)不符合現(xiàn)代環(huán)境的要求，面對愈發(fā)嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，污泥低溫干燥、太陽能干化、熱泵干化、低溫真空脫水技術(shù)、低溫射流干化及煙氣余熱干化等技術(shù)逐漸得到研究和應(yīng)用。李帥旗等通過對熱泵熱風(fēng)干燥、過熱蒸汽干燥、太陽能干燥和微波干燥等幾種污泥熱干燥技術(shù)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為熱泵熱風(fēng)干燥能耗較低，環(huán)保效益好，過熱蒸汽干燥效果好，安全性高，太陽能干燥節(jié)能環(huán)保效果更優(yōu)，微波干燥處理速率快，干燥效果好，但運(yùn)行成本較高[15]。楊玉廷等在超聲波預(yù)處理污泥干燥實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了超聲波預(yù)處理技術(shù)對污泥干燥速率的影響。結(jié)果表明，超聲波預(yù)處理能有效提高污泥干燥效率，能夠加速表面自由水分蒸發(fā)和快速結(jié)束污泥恒速干燥階段;增大超聲波功率可以更好地改善污泥的干燥特性，但改善的程度隨著十燥時(shí)間的延長而放緩[16]。趙芳為了探討超聲作用對污泥熱風(fēng)干燥過程的強(qiáng)化效果，對不同功率超聲作用下污泥熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析討論了超聲聲能密度、超聲作用時(shí)間、超聲熱效應(yīng)等因素對污泥干燥過程的影響。結(jié)果表明，超聲作用可以加速污泥干燥速率，且超聲強(qiáng)化效果隨著聲能密度的增加逐漸增強(qiáng)[18]。李進(jìn)平等采用微波和烘箱結(jié)合及全程烘箱2種方式對城市污泥干化進(jìn)行對比研究，考察了不同粒徑、微波干化預(yù)處理、預(yù)處理時(shí)間及烘箱溫度對污泥干燥特性的影響。結(jié)果表明，同一溫度條件下，微波預(yù)處理時(shí)間越長，污泥干化速率越快;微波干燥污泥具有時(shí)間短、干燥速率大的特點(diǎn)，微波和烘箱結(jié)合對比全程烘箱干化速率高且能耗低[18]。曹雷等針對薄膜態(tài)污泥進(jìn)行低溫干燥，研究了溫度為50 ℃和70 ℃、表面風(fēng)速為0.3～1.2 m·s-1的條件下污泥質(zhì)量與含水率的相對狀態(tài)變化[19]。

干燥是一個(gè)非常復(fù)雜的操作單元，其包含質(zhì)量、能量和動量的傳遞，涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等一些基礎(chǔ)學(xué)科。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在污泥干燥動力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程方面也進(jìn)行了相應(yīng)研究。程誠等利用相同質(zhì)量的污泥在85～145 ℃下進(jìn)行恒溫干燥實(shí)驗(yàn)，得到污泥干燥過程中含水率、干燥速率等變化規(guī)律，并采用多元線性回歸對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了污泥干燥動力學(xué)模型[20]。王高敏等主要從干燥動力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及干燥模型方程3方面對污泥干燥動力學(xué)進(jìn)行了論述，著重介紹了其在污泥干燥中的研究進(jìn)展與應(yīng)用狀況，最后從干燥應(yīng)用技術(shù)方面出發(fā)，對污泥干燥動力學(xué)進(jìn)一步提出了研究展望[21]。馬德剛等通利用功率譜分析對實(shí)驗(yàn)所得間接式加熱的污泥干燥速度變化進(jìn)行分形和混沌特性的判別，并提出Hausdorff維數(shù)和整體盒維數(shù)的計(jì)算方法，以分析其分形規(guī)律。通過判斷得知，污泥的干燥速度變化具有分形特性[22]。

2 國內(nèi)外污泥干燥裝備技術(shù)特性

污泥的熱干化已經(jīng)成為世界上大規(guī)模處理污泥的主要手段。污泥熱干化可采用直接加熱、間接加熱的方式。直接熱干化宜采用轉(zhuǎn)筒式設(shè)備，間接熱干化可采用圓盤式干化機(jī)、槳葉式干化機(jī)、薄層式干化機(jī)、流化床式干化機(jī)、低溫真空板框式干化機(jī)等。圖1是目前污泥干燥傳熱常用的方式和設(shè)備。

國外干燥設(shè)備已經(jīng)發(fā)展近百年，利用各種原理進(jìn)行干燥脫水的產(chǎn)品已成系列化、規(guī)模化。根據(jù)熱蒸發(fā)方式不同，可將干燥器分為閃蒸式干燥器、轉(zhuǎn)筒式干燥器、螺環(huán)式干燥器、帶式干燥器、噴淋式干燥器、多效蒸發(fā)器等。目前，國內(nèi)常用的技術(shù)有氣流干燥、回轉(zhuǎn)圓篩干燥、流化床干燥、旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥、噴霧干燥、紅外干燥、微波干燥、冷凍干燥等。此外，還有一些新型的干燥技術(shù)也被投入工業(yè)化應(yīng)用，如沖擊干燥、對撞流干燥、過蒸汽干燥、脈動燃燒干燥、熱泵干燥等。但從實(shí)際應(yīng)用來看，目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)從技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性及對環(huán)境的影響等方面，對其進(jìn)行綜合論述。因此，本文根據(jù)工程案例經(jīng)驗(yàn)，對國內(nèi)外幾種典型的污泥干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行歸納分析。

第一，槳葉式干燥機(jī)。此類干燥機(jī)主要由夾套、雙軸（或四軸）楔形葉片和傳動裝置組成。污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心葉片的熱傳導(dǎo)被間接加熱干化。楔形葉片對污泥切割攪拌，并不斷更新干燥面，從而達(dá)到干燥的目的。由于楔形槳葉對污泥有切割作用，因此該設(shè)備對黏性不大的污泥具有一定的自潔凈功能。但對于黏性強(qiáng)的污泥，由于楔形槳葉不是等截面，不能使用刮泥刀，因此會導(dǎo)致干燥面黏附污泥，影響干燥效果和設(shè)備干燥能力。

第二，帶有內(nèi)破碎裝置回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)。該干燥機(jī)采用直接干燥技術(shù)，將煙道氣與污泥直接進(jìn)行接觸混合，使污泥中的水分得以蒸發(fā)并最終得到干污泥產(chǎn)品。該設(shè)備的主體部分為與水平線略呈傾斜的旋轉(zhuǎn)圓筒，烘干方式采用順流式烘干。

第三，槳葉攪拌式回轉(zhuǎn)滾筒烘干機(jī)。槳葉攪拌式回轉(zhuǎn)滾筒烘干機(jī)，又稱為耙式滾筒烘干機(jī)、旋耙式滾筒烘干機(jī)、旋轉(zhuǎn)槳葉式滾筒烘干機(jī)。水分50%～85%物料由螺旋輸送機(jī)送入攪拌滾筒烘干機(jī)實(shí)現(xiàn)順流烘干，污泥在抄板下不斷抄起、散落呈螺旋行進(jìn)式前進(jìn)，內(nèi)置攪拌槳葉裝置將污泥攪拌、打散、破碎，經(jīng)與熱氣熱交換，水分迅速蒸發(fā)汽化，達(dá)到干燥效果的物料在熱風(fēng)作用下快速行進(jìn)排出滾筒，沒有達(dá)到干燥效果的物料由于重力作用而不能快速行進(jìn)，物料在滾筒內(nèi)進(jìn)行充分干燥，由此達(dá)到干燥效果，完成干燥過程，由螺旋輸送機(jī)排出。

3 結(jié)語

污泥干燥處理技術(shù)及干燥設(shè)備特點(diǎn)各異，不同國家、不同地區(qū)污泥特性不同、應(yīng)用要求及環(huán)境不同，污泥處理干燥機(jī)技術(shù)及設(shè)備亦呈現(xiàn)出不同應(yīng)用特征;但總體而言，污泥干燥處理技術(shù)及干燥設(shè)備的發(fā)展應(yīng)注重以下幾方面。

第一，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，注重標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)。雖然我國已經(jīng)頒布30余項(xiàng)涉及污泥處理處置的標(biāo)準(zhǔn)，但系統(tǒng)性不強(qiáng)，未形成標(biāo)準(zhǔn)化體系，并不能為我國污泥處理工藝及污泥設(shè)備行業(yè)提供較為可靠的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對此，首先，應(yīng)該建立規(guī)劃和督導(dǎo)小組，保證城市污泥處理標(biāo)準(zhǔn)化。其次，應(yīng)該將污泥處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為兩個(gè)梯度，將排放量超過3 000 m3/d作為第一梯度，將排放量低于3 000 m3/d作為第二梯度。

第二，實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化。2015年國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動計(jì)劃》（“水十條”），為確保全國水環(huán)境治理與保護(hù)指明了方向。目前，我國污泥處理的減量化初步實(shí)現(xiàn)，污泥穩(wěn)定化處理的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備也取得了階段性進(jìn)展。太陽能干燥、微波干燥、熱泵干燥等技術(shù)也為污泥處理無害化奠定了基礎(chǔ)，干化后的污泥可以用作肥料、土壤改良劑、替代能源。

第三，注重技術(shù)集成和創(chuàng)新。在創(chuàng)新方面，應(yīng)積極尋求最佳工藝方法，確定最佳工藝路線及最優(yōu)參數(shù)。要利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法開展大型設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)備機(jī)械性能、工藝效果與負(fù)載特性研究，創(chuàng)建高效節(jié)能型關(guān)鍵裝備設(shè)計(jì)新理論、新方法、新工藝，從而提高技術(shù)創(chuàng)新能力，提升裝備機(jī)械、工藝和自動化智能化水平，帶動行業(yè)整體水平提高，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求;同時(shí)，真正實(shí)現(xiàn)改革創(chuàng)新，解決大部分團(tuán)隊(duì)只注重單節(jié)點(diǎn)、單工藝或單設(shè)備的技術(shù)研究，而忽略了不同研究技術(shù)的兼容性、銜接性、集成性的問題。

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