污泥熱干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展
行業(yè)動(dòng)態(tài)
污泥是水和污水處理過(guò)程所產(chǎn)生的半固態(tài)或者固態(tài)沉淀物質(zhì)，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)顆粒等組成的高含水率非均質(zhì)體，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展和污水處理能力的不斷提升，由此產(chǎn)生的污泥量也迅速增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2016年污泥的年排放量已超過(guò)4000萬(wàn)t。目前，我國(guó)大多數(shù)污水處理廠只對(duì)產(chǎn)生的濃縮污泥進(jìn)行脫水處理，脫水污泥的含水率仍有80%左右，不能達(dá)到衛(wèi)生填埋、堆肥或焚燒等后續(xù)處理處置的要求。因此，對(duì)污泥進(jìn)行干燥、降低污泥含水率是污泥處理過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。
1 污泥干燥特性及預(yù)處理
1.1 污泥干燥特性
污泥是含水率極高的物質(zhì)，易腐敗且有惡臭，經(jīng)濃縮、消化后的含水率仍超過(guò)90%，而經(jīng)機(jī)械脫水后含水率為70%～80%，經(jīng)干燥處理后可以降至20%左右。根據(jù)污泥來(lái)源的不同，可以將污泥分為市政污泥、湖泊污泥和工業(yè)污泥。市政污泥含有大量有機(jī)物，易腐敗，產(chǎn)生惡臭，比重較小，顆粒較細(xì)，高溫灼燒后減重量相對(duì)較大。而工業(yè)污泥則含有較多銅、鉻等重金屬粒子，有毒有害，同時(shí)具有一定的資源化利用價(jià)值。
污泥干燥即是水分去除的過(guò)程，包括表面水汽化和內(nèi)部水?dāng)U散兩個(gè)過(guò)程。其中汽化過(guò)程由于污泥表面的水蒸氣壓高于熱空氣中的水蒸氣分壓，導(dǎo)致水分從污泥表面遷移到干燥介質(zhì)。擴(kuò)散過(guò)程與汽化過(guò)程相互關(guān)聯(lián)，污泥表面水分被蒸發(fā)掉，導(dǎo)致其表面濕度低于內(nèi)部濕度，此時(shí)污泥水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面。研究發(fā)現(xiàn)水分在污泥中有四種存在形式：自由水分、間隙水分、表面水分以及結(jié)合水分，分別反應(yīng)了水分與污泥固體顆粒結(jié)合的情況，對(duì)應(yīng)的污泥干燥過(guò)程的恒速干燥過(guò)程、第一降速干燥過(guò)程、第二降速干燥過(guò)程等去除的水分以及固體的束縛水分。
1.2 污泥干燥預(yù)處理
通過(guò)一定的預(yù)處理手段，可以改變污泥中物質(zhì)存在以及結(jié)合形式，減少污泥固體顆粒的結(jié)合力，從而加速污泥脫水過(guò)程，進(jìn)一步起到節(jié)能降耗的作用。如超聲波預(yù)處理由于功率大、穿透能力強(qiáng)、可引起空化作用，進(jìn)而加速污泥的干燥速率；泡沫化處理方法則將氣體通入液體或半液態(tài)污泥物料中，通過(guò)攪拌使氣泡均勻分布于物料中，使污泥與干燥介質(zhì)的接觸面積增加，同樣可以起到加快干燥速率的效果。因此，通過(guò)預(yù)處理改善污泥本身的性質(zhì)從而提高污泥脫水干燥效率，是污泥干燥的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。
超聲波預(yù)處理對(duì)污泥干燥過(guò)程有一定的促進(jìn)作用，楊玉廷等在105℃干燥溫度下研究了不同超聲波處理時(shí)間對(duì)污泥干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理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，進(jìn)而提高污泥干燥效率。趙芳、李進(jìn)平等研究了超聲聲能密度、超聲作用時(shí)間、超聲熱效應(yīng)等因素對(duì)污泥熱風(fēng)干燥過(guò)程的影響。結(jié)果表明，超聲作用對(duì)污泥干燥速率的影響效果隨著聲能密度的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)熱風(fēng)溫度為80℃，聲能密度分別為0.2、0.4、0.6、0.8及1.0W/mL時(shí)，污泥樣品干基含水率降至100%所需干燥時(shí)間與無(wú)超聲作用相比分別縮短了8.3%、22.9%、33.3%、37.5%及39.6%。
泡沫化預(yù)處理工藝同樣可以有效減小水分遷移阻力，提高污泥干燥速率。王慧玲等在含水率為83%左右的脫水污泥中加入一定量的CaO粉末，發(fā)現(xiàn)經(jīng)攪拌可以形成泡沫化污泥，在不同的干燥溫度下，密度為0.70g/cm3的泡沫化污泥表現(xiàn)出較好的干燥效果。閆景武等在微波干燥中，添加CaO使污泥提取液的pH和SCOD迅速升高，污泥中微生物的細(xì)胞壁被破壞，使微生物細(xì)胞內(nèi)的大量有機(jī)物和內(nèi)部結(jié)合水被釋放出來(lái)，自由水含量增多，增大了干燥速率。通過(guò)添加木屑提高污泥透氣性的方法也可以有效提高干燥效果，岳蓮等研究發(fā)現(xiàn)添加木屑的污泥有效擴(kuò)散系數(shù)、干燥速率均大于純污泥的有效擴(kuò)散系數(shù)，而活化能小于純污泥的活化能。
2 國(guó)內(nèi)外污泥熱干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 污泥熱泵熱風(fēng)干燥技術(shù)
污泥熱泵熱風(fēng)干燥技術(shù)是利用熱泵從干燥室排出的高溫?zé)犸L(fēng)中吸收部分顯熱和蒸汽潛熱，用來(lái)加熱空氣以自然或強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)的方式與物料進(jìn)行濕熱交換來(lái)達(dá)到干燥除濕的方法，是公認(rèn)的綠色干燥技術(shù)。這種方法可以避免熱濕空氣排放造成熱量損失和環(huán)境污染，還可以調(diào)節(jié)控制熱風(fēng)的溫度和濕度，提高物料干燥質(zhì)量和達(dá)到不同干燥目的。因此，與傳統(tǒng)干燥相比熱泵熱風(fēng)污泥干燥技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。
（2）干燥條件可調(diào)節(jié)范圍廣。
（3）可回收物料中易揮發(fā)的成分。
（4）自動(dòng)化程度高等。
熱泵熱風(fēng)干燥系統(tǒng)由熱泵主機(jī)循環(huán)和熱風(fēng)除濕循環(huán)構(gòu)成。熱泵循環(huán)包括從壓縮機(jī)來(lái)的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)向外界空氣放熱冷凝為中溫高壓工質(zhì)，經(jīng)節(jié)流閥降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|(zhì)，再進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪猴柡蜌鈶B(tài)工質(zhì)，然后進(jìn)入壓縮機(jī)，完成熱泵主機(jī)循環(huán)。熱風(fēng)除濕循環(huán)包括在從熱泵冷凝器排出的高溫低濕空氣，經(jīng)風(fēng)機(jī)提速后進(jìn)入干燥室內(nèi)掠過(guò)濕污泥變成高濕空氣，其相對(duì)濕度達(dá)到70%以上，再進(jìn)入除濕蒸發(fā)器進(jìn)行冷凝除濕，水汽凝結(jié)排出系統(tǒng)，低溫低濕空氣作為干燥介質(zhì)進(jìn)入冷凝器加熱后繼續(xù)循環(huán)干燥。
熱泵熱風(fēng)污泥干燥技術(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(guò)程中濕分遷移的宏觀表現(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(dòng)力學(xué)機(jī)理。劉欣等對(duì)印染污泥的熱空氣干燥特性進(jìn)行了研究，研究表明污泥干燥過(guò)程可分為預(yù)干燥、恒速干燥和降速干燥階段。在預(yù)干燥階段時(shí)間非常短，對(duì)于不同溫度、不同顆粒的污泥，恒速干燥階段的長(zhǎng)短不同，而降速干燥階段是干燥過(guò)程的主要階段。鄭龍等對(duì)污泥在低溫低濕條件下的干燥規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明污泥的低溫低濕干燥過(guò)程屬于水分內(nèi)部遷移控制，即水分?jǐn)U散速度決定干燥速率，并得出污泥低溫低濕干燥過(guò)程可用Page模型來(lái)描述的結(jié)論。
熊夢(mèng)清等研究了熱泵干燥系統(tǒng)的能量回收率和能量效率，表明隨著制冷劑流量增大，干燥介質(zhì)冷凝器出口溫度、干燥介質(zhì)循環(huán)率和能量回收率都增大，但能量效率卻隨之降低，當(dāng)兩者同時(shí)在合理的范圍內(nèi)熱泵干燥系統(tǒng)才能獲得節(jié)能減排的雙重效益。張碧光等研究表明污泥熱泵依靠熱泵回收尾氣余熱，干燥箱內(nèi)平均溫度在70℃左右，干燥速率主要取決于干燥室內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度，溫度越高、相對(duì)濕度越低，干燥速率越大；污泥干燥速率還與熱泵制冷工質(zhì)有關(guān)，制冷工質(zhì)冷凝溫度越高，熱泵供風(fēng)溫度就越高，干燥速率也越快。
2.2 過(guò)熱蒸汽污泥干燥技術(shù)
過(guò)熱蒸汽污泥干燥是利用過(guò)熱蒸汽攜帶的熱量蒸發(fā)污泥中的水分的一種干燥方式。相比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥來(lái)說(shuō)，過(guò)熱蒸汽的傳熱系數(shù)高，水分遷移過(guò)程阻力小，具備較高的干燥速率和效率，同時(shí)其干燥過(guò)程尾氣都是蒸汽，熱量易被回收，具有顯著的節(jié)能效果，干燥過(guò)程不存在氧化和燃燒方應(yīng)，具有較好的安全性能。另外，過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程還具有消毒滅菌及提高干燥物料品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。
過(guò)熱蒸汽污泥干燥過(guò)程也可分為預(yù)熱段、恒速段和降速段三個(gè)階段，但其干燥曲線特點(diǎn)與熱風(fēng)干燥曲線略有不同。過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程的預(yù)熱段過(guò)熱蒸汽迅速在物料表面形成凝結(jié)水，污泥含水率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的陡升過(guò)程。史勇春等對(duì)過(guò)熱蒸汽干燥凝結(jié)段的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了理論分析和比較，得出了與實(shí)際數(shù)值吻合度較高的過(guò)熱蒸汽干燥凝結(jié)段的數(shù)學(xué)模型。
污泥過(guò)熱蒸汽干燥特性與熱風(fēng)干燥基本相同。從干燥速率來(lái)講，過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程開(kāi)始時(shí)干燥速率為負(fù)值，直到干燥凝結(jié)過(guò)程結(jié)束，干燥速率變大進(jìn)入恒速干燥階段。張緒坤等研制了一套常壓內(nèi)循環(huán)式干燥實(shí)驗(yàn)裝置，分析城市污泥過(guò)熱蒸汽和熱風(fēng)干燥特性曲線，結(jié)果表明隨著溫度升高，過(guò)熱蒸汽與熱風(fēng)干燥時(shí)間越來(lái)越接近，當(dāng)溫度達(dá)到280℃時(shí)，過(guò)熱蒸汽干燥與熱風(fēng)干燥時(shí)間大致相同。張馨予等研究過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)污水廠的污泥的干燥特性、殘余固體的燃燒熱值（Q）和揮發(fā)固分（VS）及冷凝液的有機(jī)物含量（TOC）的影響，表明高溫對(duì)污泥干燥有促進(jìn)作用，溫度越高，干燥速率越大，過(guò)熱蒸汽溫度205℃以上時(shí)，干燥后殘余固分熱值相對(duì)降低，不利于焚燒，并且污泥干燥過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水有機(jī)物濃度高于220mg/L，會(huì)使污泥冷凝液處理難度增加。
2.3 太陽(yáng)能輔助熱泵污泥熱干燥技術(shù)
我國(guó)2/3的國(guó)土面積太陽(yáng)能年輻射不低于500MJ/㎡，擁有豐富的太陽(yáng)能資源。因此，近幾年利用太陽(yáng)能對(duì)污泥進(jìn)行干燥處理的技術(shù)也得到快速發(fā)展。根據(jù)運(yùn)行方式及結(jié)構(gòu)形式，太陽(yáng)能干燥裝置可以分為三大類：溫室型太陽(yáng)能干燥器、集熱型太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能輔助聯(lián)合干燥裝置。
溫室型太陽(yáng)能干燥器結(jié)構(gòu)與農(nóng)作物栽培的溫室相似，一般采用透光率較好的蓋板，太陽(yáng)光輻射穿過(guò)蓋板后，一部分直接投射到被干燥物料上，被其吸收轉(zhuǎn)換為熱能，使污泥中水分不斷汽化；另一部分則投射到干燥室內(nèi)壁面上，也被其吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，用以加熱干燥室內(nèi)的空氣，溫度逐漸上升，熱空氣進(jìn)而將熱量傳遞給物料，使物料中的水分不斷汽化，然后通過(guò)對(duì)流把水汽及時(shí)帶走，達(dá)到干燥物料的目的。趙磊等研究了利用太陽(yáng)能溫室將污泥含水率從80%干燥至40%的干燥過(guò)程中污泥干縮形變率、孔隙率、干燥面積的變化行為，結(jié)果表明，在不利用輔助熱源，單純利用太陽(yáng)能對(duì)污泥進(jìn)行干燥時(shí)，干燥速率不超過(guò)0.63kg水/（㎡·h），在無(wú)輔助熱源的條件下，溫室內(nèi)溫度和濕度是影響污泥干燥速率的主要因素，而干燥速率隨含水率變化趨勢(shì)并不明顯，污泥干縮形變率和孔隙率、污泥干燥面積只與污泥含水率相關(guān)，與干燥速率和季節(jié)并沒(méi)有顯著關(guān)系。
集熱型太陽(yáng)能干燥器是太陽(yáng)能空氣集熱器與干燥室組合而成的干燥裝置，這種干燥器利用集熱器把空氣加熱到60～70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)流熱質(zhì)交換過(guò)程，達(dá)到干燥的目的，裝置通常采用高低溫保溫水箱，將白天富余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存供夜晚使用，太陽(yáng)能利用率高。Mathioudakis等在希臘利用集熱儲(chǔ)熱太陽(yáng)能干燥裝置對(duì)污泥進(jìn)行了干燥研究，結(jié)果表明，在夏季把污泥含水率從從85%降至6%需要7～12天，秋季9～33天可以將污泥含水率降至10%，體積則減少到原來(lái)的15%～20%，如果在裝置底部加裝太陽(yáng)能熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行輔助，即使在冬季污泥干燥時(shí)間也可以縮短到1～9天。
太陽(yáng)能熱泵干燥裝置將太陽(yáng)能加熱干燥運(yùn)行能源費(fèi)用低以及熱泵干燥裝置工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合起來(lái)，較常規(guī)氣流干燥在能源消耗和干燥成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能熱泵干燥技術(shù)已成為一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)。饒賓期等采用熱泵產(chǎn)生的熱能和太陽(yáng)能共同作用對(duì)污泥進(jìn)行干燥試驗(yàn)及系統(tǒng)性能分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)太陽(yáng)輻射條件好時(shí)，盡可能讓太陽(yáng)能加熱裝置發(fā)揮作用，而天氣條件差時(shí)，則主要利用電能通過(guò)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行干燥，該系統(tǒng)平均可節(jié)省電量20%左右。
2.4 微波污泥干燥技術(shù)
微波干燥是一項(xiàng)新型、清潔的高效干燥技術(shù)，利用300兆赫～30萬(wàn)兆赫，波長(zhǎng)1mm～1m的高頻電磁波作用于待干燥污泥，污泥中的水分子會(huì)在微波電場(chǎng)中劇烈震動(dòng)，產(chǎn)生摩擦升溫促使水分子汽化。與熱風(fēng)、蒸汽等外部加熱干燥不同，微波干燥技術(shù)是一種內(nèi)部加熱的方法，并且干燥速率一致，干燥效果均勻，因此，微波污泥干燥方法具有加熱速度快、干燥時(shí)間短、清潔衛(wèi)生等特點(diǎn)，具備應(yīng)用于污泥干化領(lǐng)域的潛力。
微波干燥技術(shù)應(yīng)用到污泥處理上的研究起步較晚，但也取得了一定的研究成果。蘇文湫等采用微波干燥技術(shù)處理市政污泥，研究結(jié)果表明，微波可高效快速干燥污泥，污泥含水率由82%降至30%時(shí)，干燥污泥能耗為1133kWh/t污泥，處理至10%，微波處理能耗約為1300kWh/t污泥。肖朝倫等將微波輻射用于含水率為81.97%降低到5%時(shí)，可估算出污泥吸收的能量有約70.7%有效地用于干燥過(guò)程。對(duì)于1kg脫水污泥的微波干燥過(guò)程，損失的能量為878kj，而所得到的干化污泥燃燒可放熱約800kg，可補(bǔ)償損失能量的絕大部分。
2.5 小結(jié)
通過(guò)對(duì)以上幾種污泥熱干燥技術(shù)的對(duì)比分析可以看出，不同干燥方法都有相應(yīng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。熱泵熱風(fēng)干燥方法能耗較低，環(huán)保效益好；過(guò)熱蒸汽干燥方法干燥效果好，安全性高；太陽(yáng)能干燥節(jié)能環(huán)保效果都比較明顯；微波干燥處理速率快，干燥效果好，但運(yùn)行成本也較高。
3 總結(jié)與展望
隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，污水帶來(lái)的污泥急劇增加，污泥處理問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)亟待解決的重要環(huán)境問(wèn)題之一。同時(shí)人們的節(jié)能意識(shí)及環(huán)保要求的不斷提高，污泥處理技術(shù)的研究得到廣泛關(guān)注，也取得了大量的研究成果，污泥的干燥方法也從傳統(tǒng)的自然風(fēng)干方法發(fā)展到如今熱泵熱風(fēng)干燥、過(guò)熱蒸汽干燥、可再生能源輔助干燥等多種大規(guī)模污泥干燥方法協(xié)同發(fā)展的局面，已經(jīng)可以初步實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化、減量化和資源化的目的。但要使污泥干燥在節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、穩(wěn)定等各方面均有較高性能，還需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。隨著干燥機(jī)理、干燥特性的研究不斷深入以及為加快污泥處理行業(yè)的成熟發(fā)展，確保我國(guó)環(huán)保事業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)，今后污泥熱干燥技術(shù)的研究還應(yīng)更多關(guān)注以下方面：
（1）利用熱分析動(dòng)力學(xué)來(lái)研究污泥干燥機(jī)理、干燥規(guī)律等，提高干燥模型的合理性和準(zhǔn)確性。
（2）研究可再生能源、工業(yè)尾氣與熱泵熱風(fēng)及過(guò)熱蒸汽等聯(lián)合循環(huán)干燥技術(shù)，提高污泥干燥處理過(guò)程的綜合能量利用效率，減少干燥成本。
（3）污泥干燥過(guò)程中存在粉塵爆炸等危險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)新型干燥裝置的同時(shí)，干燥過(guò)程監(jiān)控及工程安全性也需要加強(qiáng)關(guān)注。
（4）污泥含有大量有機(jī)物等，干燥后可以制作材料，制備建筑材料、吸附材料等，變廢為寶，提高污泥的資源化利用率。
熱門(mén)產(chǎn)品
