污泥熱干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展
行業(yè)動態(tài)
污泥是水和污水處理過程所產(chǎn)生的半固態(tài)或者固態(tài)沉淀物質(zhì)，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒等組成的高含水率非均質(zhì)體，隨著我國經(jīng)濟、社會的快速發(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，到2016年污泥的年排放量已超過4000萬t。目前，我國大多數(shù)污水處理廠只對產(chǎn)生的濃縮污泥進行脫水處理，脫水污泥的含水率仍有80%左右，不能達到衛(wèi)生填埋、堆肥或焚燒等后續(xù)處理處置的要求。因此，對污泥進行干燥、降低污泥含水率是污泥處理過程中的關(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90%，而經(jīng)機械脫水后含水率為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物，易腐敗，產(chǎn)生惡臭，比重較小，顆粒較細，高溫灼燒后減重量相對較大。而工業(yè)污泥則含有較多銅、鉻等重金屬粒子，有毒有害，同時具有一定的資源化利用價值。
污泥干燥即是水分去除的過程，包括表面水汽化和內(nèi)部水?dāng)U散兩個過程。其中汽化過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)。擴散過程與汽化過程相互關(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，對應(yīng)的污泥干燥過程的恒速干燥過程、第一降速干燥過程、第二降速干燥過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程，進一步起到節(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、可引起空化作用，進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，是污泥干燥的一個重要研究內(nèi)容。
超聲波預(yù)處理對污泥干燥過程有一定的促進作用，楊玉廷等在105℃干燥溫度下研究了不同超聲波處理時間對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，進而提高污泥干燥效率。趙芳、李進平等研究了超聲聲能密度、超聲作用時間、超聲熱效應(yīng)等因素對污泥熱風(fēng)干燥過程的影響。結(jié)果表明，超聲作用對污泥干燥速率的影響效果隨著聲能密度的增加逐漸增強，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，污泥樣品干基含水率降至100%所需干燥時間與無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，污泥中微生物的細胞壁被破壞，使微生物細胞內(nèi)的大量有機物和內(nèi)部結(jié)合水被釋放出來，自由水含量增多，增大了干燥速率。通過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散系數(shù)、干燥速率均大于純污泥的有效擴散系數(shù)，而活化能小于純污泥的活化能。
2 國內(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，用來加熱空氣以自然或強制對流循環(huán)的方式與物料進行濕熱交換來達到干燥除濕的方法，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：
（1）節(jié)約能源，保護環(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）自動化程度高等。
熱泵熱風(fēng)干燥系統(tǒng)由熱泵主機循環(huán)和熱風(fēng)除濕循環(huán)構(gòu)成。熱泵循環(huán)包括從壓縮機來的高溫高壓氣態(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)，然后進入壓縮機，完成熱泵主機循環(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)機提速后進入干燥室內(nèi)掠過濕污泥變成高濕空氣，其相對濕度達到70%以上，再進入除濕蒸發(fā)器進行冷凝除濕，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)動力學(xué)機理。劉欣等對印染污泥的熱空氣干燥特性進行了研究，研究表明污泥干燥過程可分為預(yù)干燥、恒速干燥和降速干燥階段。在預(yù)干燥階段時間非常短，對于不同溫度、不同顆粒的污泥，恒速干燥階段的長短不同，而降速干燥階段是干燥過程的主要階段。鄭龍等對污泥在低溫低濕條件下的干燥規(guī)律進行了研究，研究表明污泥的低溫低濕干燥過程屬于水分內(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程可用Page模型來描述的結(jié)論。
熊夢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)的溫度和相對濕度，溫度越高、相對濕度越低，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 過熱蒸汽污泥干燥技術(shù)
過熱蒸汽污泥干燥是利用過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)干燥來說，過熱蒸汽的傳熱系數(shù)高，水分遷移過程阻力小，具備較高的干燥速率和效率，同時其干燥過程尾氣都是蒸汽，熱量易被回收，具有顯著的節(jié)能效果，干燥過程不存在氧化和燃燒方應(yīng)，具有較好的安全性能。另外，過熱蒸汽干燥過程還具有消毒滅菌及提高干燥物料品質(zhì)等優(yōu)點。
過熱蒸汽污泥干燥過程也可分為預(yù)熱段、恒速段和降速段三個階段，但其干燥曲線特點與熱風(fēng)干燥曲線略有不同。過熱蒸汽干燥過程的預(yù)熱段過熱蒸汽迅速在物料表面形成凝結(jié)水，污泥含水率會出現(xiàn)一個短暫的陡升過程。史勇春等對過熱蒸汽干燥凝結(jié)段的動力學(xué)特性進行了理論分析和比較，得出了與實際數(shù)值吻合度較高的過熱蒸汽干燥凝結(jié)段的數(shù)學(xué)模型。
污泥過熱蒸汽干燥特性與熱風(fēng)干燥基本相同。從干燥速率來講，過熱蒸汽干燥過程開始時干燥速率為負(fù)值，直到干燥凝結(jié)過程結(jié)束，干燥速率變大進入恒速干燥階段。張緒坤等研制了一套常壓內(nèi)循環(huán)式干燥實驗裝置，分析城市污泥過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥特性曲線，結(jié)果表明隨著溫度升高，過熱蒸汽與熱風(fēng)干燥時間越來越接近，當(dāng)溫度達到280℃時，過熱蒸汽干燥與熱風(fēng)干燥時間大致相同。張馨予等研究過熱蒸汽溫度對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）及冷凝液的有機物含量（TOC）的影響，表明高溫對污泥干燥有促進作用，溫度越高，干燥速率越大，過熱蒸汽溫度205℃以上時，干燥后殘余固分熱值相對降低，不利于焚燒，并且污泥干燥過程中產(chǎn)生的冷凝水有機物濃度高于220mg/L，會使污泥冷凝液處理難度增加。
2.3 太陽能輔助熱泵污泥熱干燥技術(shù)
我國2/3的國土面積太陽能年輻射不低于500MJ/㎡，擁有豐富的太陽能資源。因此，近幾年利用太陽能對污泥進行干燥處理的技術(shù)也得到快速發(fā)展。根據(jù)運行方式及結(jié)構(gòu)形式，太陽能干燥裝置可以分為三大類：溫室型太陽能干燥器、集熱型太陽能干燥器、太陽能輔助聯(lián)合干燥裝置。
溫室型太陽能干燥器結(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，太陽光輻射穿過蓋板后，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，熱空氣進而將熱量傳遞給物料，使物料中的水分不斷汽化，然后通過對流把水汽及時帶走，達到干燥物料的目的。趙磊等研究了利用太陽能溫室將污泥含水率從80%干燥至40%的干燥過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，單純利用太陽能對污泥進行干燥時，干燥速率不超過0.63kg水/（㎡·h），在無輔助熱源的條件下，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)并沒有顯著關(guān)系。
集熱型太陽能干燥器是太陽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)實現(xiàn)對流熱質(zhì)交換過程，達到干燥的目的，裝置通常采用高低溫保溫水箱，將白天富余的太陽能儲存供夜晚使用，太陽能利用率高。Mathioudakis等在希臘利用集熱儲熱太陽能干燥裝置對污泥進行了干燥研究，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%，體積則減少到原來的15%～20%，如果在裝置底部加裝太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)進行輔助，即使在冬季污泥干燥時間也可以縮短到1～9天。
太陽能熱泵干燥裝置將太陽能加熱干燥運行能源費用低以及熱泵干燥裝置工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點相結(jié)合起來，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，太陽能熱泵干燥技術(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)生的熱能和太陽能共同作用對污泥進行干燥試驗及系統(tǒng)性能分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)太陽輻射條件好時，盡可能讓太陽能加熱裝置發(fā)揮作用，而天氣條件差時，則主要利用電能通過熱泵系統(tǒng)進行干燥，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)
微波干燥是一項新型、清潔的高效干燥技術(shù)，利用300兆赫～30萬兆赫，波長1mm～1m的高頻電磁波作用于待干燥污泥，污泥中的水分子會在微波電場中劇烈震動，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、干燥時間短、清潔衛(wèi)生等特點，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，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，可估算出污泥吸收的能量有約70.7%有效地用于干燥過程。對于1kg脫水污泥的微波干燥過程，損失的能量為878kj，而所得到的干化污泥燃燒可放熱約800kg，可補償損失能量的絕大部分。
2.5 小結(jié)
通過對以上幾種污泥熱干燥技術(shù)的對比分析可以看出，不同干燥方法都有相應(yīng)的特點和優(yōu)勢。熱泵熱風(fēng)干燥方法能耗較低，環(huán)保效益好；過熱蒸汽干燥方法干燥效果好，安全性高；太陽能干燥節(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，污水帶來的污泥急劇增加，污泥處理問題已經(jīng)成為我國亟待解決的重要環(huán)境問題之一。同時人們的節(jié)能意識及環(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)可以初步實現(xiàn)污泥的無害化、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，還需要進一步研究和發(fā)展。隨著干燥機理、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，確保我國環(huán)保事業(yè)穩(wěn)步前進，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）利用熱分析動力學(xué)來研究污泥干燥機理、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)及過熱蒸汽等聯(lián)合循環(huán)干燥技術(shù)，提高污泥干燥處理過程的綜合能量利用效率，減少干燥成本。
（3）污泥干燥過程中存在粉塵爆炸等危險，開發(fā)新型干燥裝置的同時，干燥過程監(jiān)控及工程安全性也需要加強關(guān)注。
（4）污泥含有大量有機物等，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。
