污泥節(jié)能干燥技術概述
行業(yè)動態(tài)
隨著我國城市化進程的加快，越來越多的污水得到處理，同時大量的污泥也隨之產生。污泥的處理處置遵循減量化、穩(wěn)定化、無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到60%以下，經過機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)的處理帶來很大的困難。如果要達到較為深度的脫水，就必須對污泥干燥處理。污泥中含有大量的水分，理論上每千克水蒸發(fā)熱能為2515kJ，實際生產中考慮到熱損失，按每千克3349kJ蒸發(fā)熱計算，每噸污泥蒸發(fā)800kg水，需消耗268萬kJ蒸發(fā)熱量，相當于487kg標準煤的發(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
污泥是污水處理的終端產物，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體，里面含有病源微生物、多種有機和無機污染物以及重金屬。從污泥中檢測到的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，將會對環(huán)境造成嚴重的二次污染。
目前國內外常用的污泥處置方法主要有填埋、農用、投海、焚燒，在這幾種處理方法中，衛(wèi)生填埋操作相對簡單，投資費用較小，處理費用較低，但其侵占土地嚴重，如果防滲技術不夠，將導致潛在的土壤和地下水污染。農用因脫水污泥含水率太高，造成運輸困難，并且污泥中含有大量的重金屬元素、病原體、難降解有機物以及對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，會采用污泥投海的方法。污泥中富集的有毒有害物質會對投海區(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到維持過程自行運作所需的能量，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系統(tǒng)在實際運用中所遇到的困難，不難看出污泥的含水率是關鍵的影響因素。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題的關鍵。
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，產品穩(wěn)定、無臭且無病源微生物，干化處理后的污泥產品用途多，可以用作肥料、土壤改良劑、替代能源等。污泥干燥技術按照介質是否與污泥相接觸可以分為兩類：直接干燥技術和間接干燥技術。直接干燥技術是將外部介質加熱后通入干燥器與污泥接觸，熱介質低速流過污泥層，在此過程中吸收污泥中的水分。熱介質離開干燥器后經除塵、熱氧化除臭后排放。直接干燥技術需要熱風量很大，由于與污泥直接接觸，熱介質將受到污染，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。在間接干燥技術中，熱介質通過熱交換器將熱量傳遞給濕污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)，同時熱介質也不會受到污泥的污染，但是在污泥干燥過程中經常發(fā)生粘壁現(xiàn)象。污泥粘壁會降低傳熱效率，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。
污泥干燥是一個能量凈支出的過程，耗能費用在一個標準干化系統(tǒng)運行成本中的比例＞80%。面對日益嚴峻的能源危機和環(huán)境壓力，對污泥節(jié)能干燥技術的研究應是污泥干燥系統(tǒng)研究及改進的重點。
2 幾種城市污泥節(jié)能干燥技術及特點
2.1 太陽能熱泵污泥干燥
太陽能干燥因其能耗低、系統(tǒng)安全性高、環(huán)境友好等特點使其應用于污泥干燥過程具有明顯優(yōu)勢，但是太陽能是一種不連續(xù)的、分散性的熱源，熱流密度低，受季節(jié)和天氣影響大，單獨使用太陽能時，干燥溫度低、波動大、干燥周期長。熱泵是一種消耗一部分能量，將低品位熱源轉換為高品位熱源的裝置。利用太陽能熱泵聯(lián)合干燥污泥，在保證充分利用太陽能的同時，克服了單獨使用太陽能干燥污泥時其本身熱源的稀薄性和間歇性。太陽能熱泵干燥系統(tǒng)主要由干燥室、太陽能集熱器、熱泵、循環(huán)系統(tǒng)組成，整個干燥過程在密閉空間內進行。傳統(tǒng)干燥能耗大的原因主要有兩個：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生的大量廢氣，經過無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。太陽能熱泵污泥干燥在充分利用太陽能作為干燥污泥能源的同時，利用熱泵技術吸收來自干燥過程排放廢氣中的熱量，把廢氣冷卻降到露點一下，排掉冷凝水，將回收的能量再用于干燥過程。王明根等人進行了利用太陽能和高溫熱泵對城市污泥熱干化的系統(tǒng)技術研究，經實驗得出在污泥干燥過程中，熱泵出氣溫度為100℃，干燥機內熱風溫度可達80℃，每度電可脫水5～6kg，能耗費用低，運行成本低。此外，法國的Slim等對熱泵太陽能溫室干化污泥進行研究，并建立了S&HPSDS的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，該數(shù)學模型反映了質量、能量、時間和狀態(tài)平衡與熱量傳遞的耦合關系。太陽能熱泵干燥是在密封條件下進行的，粉塵含量大大降低，干燥過程循環(huán)進行，無廢氣排放，在一定程度上減緩了環(huán)境壓力。另外，強調系統(tǒng)安全性也是衡量污泥干燥設備的關鍵因素，太陽能熱泵干燥屬于中、低溫干燥，系統(tǒng)運行穩(wěn)定安全，無起火和爆炸危險。
利用太陽能熱泵干燥污泥，設備初期投資高的缺點。在污泥干化過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)，必須定期對熱泵裝置進行維修保養(yǎng)。另外，在無太陽能而單獨使用熱泵干燥污泥時，干燥溫度低、時間長，能耗也會相應的增加，所以需要添加儲熱裝置，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程中有一個特殊的膠粘階段（含水率約為40%～60%），在膠粘階段，污泥極易結塊，表面堅硬，而內部仍然是稀泥的“糖心現(xiàn)象”，此階段污泥的流體特性類似膠水，很難干化，污泥干化時含水率由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械設備中混合，一方面避開了污泥在干燥過程中出現(xiàn)的膠粘階段，另一方面在混合的過程中使污泥進一步顆?；?/span>，增加了污泥的比表面積，進而改善了污泥傳熱傳質的效果，干燥的效率也會隨之提高。在污泥熱干燥的過程中經常會出現(xiàn)污泥粘壁的現(xiàn)象，當含水率在60%左右時，污泥黏壁量較大，降低傳熱效率，阻礙污泥中水分的蒸發(fā)，污泥粘壁還會影響污泥干燥設備的使用壽命或對其造成破壞。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，在保證干燥設備安全性的同時提高了干燥效率。
污泥載體干燥工藝需加裝有返料機、混合器、篩選器等輔助設備，污泥中夾雜著大量的沙礫，在濕污泥與載體混合過程中，極易造成混合器的磨損，因此干燥設備成本、維修費用較高。另外，干燥過程中污泥呈細顆粒狀，含水率較低，所以在干燥過程中要嚴格監(jiān)測粉塵濃度、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設施（垃圾焚燒爐、電站、窖爐、化工設施）的廢熱煙氣作為干燥熱源對污泥進行干燥。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行干燥，第二種是通過煙氣余熱加熱其他干燥介質（空氣、導熱油、蒸汽等）對污泥干化的過程。與傳統(tǒng)熱干燥技術相比，利用煙氣干燥不需要單獨建造熱源設備，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污泥進行干化，將含水量為75%的污泥干燥到含水率為30%左右，結果顯示：在100t/d污泥干化的整個過程中，利用煙氣余熱的熱量相當于每天節(jié)約7.73t標準煤，而干化后的污泥作為輔助燃料所提供的熱量相當于7.53t標準煤。另外，污泥是高濕性物質，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。同時污泥表面吸附水中還含有豐富的堿性物質，對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%的污泥對煙氣中SO2的吸收率分別達到25%和16%。
利用煙氣對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，當煙氣溫度降低到露點時，冷凝液中的酸性離子會腐蝕干燥設備，勢必會增加設備維修費用。另外，污水處理系統(tǒng)與煙氣發(fā)生系統(tǒng)地點必須近，否則難以利用。
2.4 過熱蒸汽污泥干燥
過熱蒸汽污泥干燥是指利用過熱蒸汽直接與污泥接觸而去除水分的干燥方式。利用過熱蒸汽干燥污泥，排出的廢氣全部是蒸汽，溫度在100℃以上，可經冷凝、壓縮回收其潛熱，也可以經過加熱器加熱后繼續(xù)參加干燥過程，故降低單位能耗。袁佳麗等進行了過熱蒸汽污泥干燥的機理與經濟性分析，得出利用過熱蒸汽干燥污泥蒸發(fā)1kg水消耗能量為815.4kJ，而傳統(tǒng)的熱風干燥每蒸發(fā)1kg水需要耗能4000～6000kJ，可見過熱蒸汽的能耗要遠遠低于熱風干燥。過熱蒸汽干燥污泥由于只有一種氣體成分存在，水分不是通過擴散作用從濕表面移動，而是通過壓力差產生的體積流移動的，無傳質阻力，并且在干燥后期無表面硬化現(xiàn)象，傳熱系數(shù)大，因此傳熱傳質效率高。眾所周知過熱蒸汽的比熱約為空氣的兩倍，所以蒸汽用量少，有利于減少設備的體積和廢氣的凈化量。整個干燥過程是在密閉環(huán)境內進行的，無空氣存在，無爆炸和失火危險，有利于保護環(huán)境。國際干燥協(xié)會主席Mujumdar把過熱蒸汽干燥稱為在未來具有巨大潛力和發(fā)展前景的干燥技術。
較常規(guī)干燥系統(tǒng)講，過熱蒸汽干燥設備結構復雜，投資大，主要有兩方面原因：一是設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復雜；二是過熱蒸汽干燥的整個過程是在密閉環(huán)境中進行的，對設備的密閉性和絕熱性要求很高。若干燥系統(tǒng)內部蒸汽發(fā)生冷凝，就會和干燥過程中產生的酸性氣體形成酸性液體腐蝕設備，維修費用也相應提高。
3 結語
污泥干燥技術的不斷完善與革新，直接推動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，導致能源利用率低。因此，發(fā)展污泥節(jié)能干燥技術，降低污泥干燥能耗，減少污泥二次污染，并實現(xiàn)污泥的低碳資源化利用。
