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《過濾與分離雜志》2016年第3期

摘要：

近幾年污泥處置問題持續(xù)得到關注。與傳統(tǒng)污泥脫水干化方式相比，太陽能污泥脫水干化技術(shù)應用可觀。重點從污泥深度脫水和干化、太陽能污泥減量、不同季節(jié)污泥含水率的變化三方面來探討太陽能污泥處置的應用。

關鍵詞：

太陽能；污泥處置；脫水；含水率

0引言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市的發(fā)展也隨之加快，帶來的環(huán)境污染問題也越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，2015年6月底，中國已有城鎮(zhèn)污水處理廠3802座，污水處理能力超過1.61億立方米/天，實際處理量達到1.26億立方米/天，脫水污泥（含水率以80%計）已經(jīng)超過3200萬噸/天。污泥是一種被廢棄的資源，其中含有大量的有機質(zhì)與微生物，有相當?shù)脑倮脙r值。污泥處置是以減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化為原則。較新的污泥技術(shù)可分為三大類：一、污泥原位減量。如浙江菲達環(huán)?？萍加邢薰镜奈⑿蛣游铮ㄋ球荆z食技術(shù)，臨沂進民水務有限公司的污泥側(cè)流式原位減量技術(shù)，天津大學的臭氧預處理技術(shù)等。二、污泥處理技術(shù)。如同濟大學的熱水解結(jié)合厭氧技術(shù)，上海交通大學的污泥自熱式高溫好氧技術(shù)，山東省科學技術(shù)研究院的深度機械脫水技術(shù)等。三、污泥處置技術(shù)。包括土地利用、焚燒、填埋、建材利用等。無論哪種污泥處置方式，污泥的脫水干化都是關鍵的第一步，這使其在整個污泥處置體系中扮演著重要的角色。目前主要應用的污泥減量化脫水干化有兩種方式：第一是傳統(tǒng)熱能污泥干化，第二是太陽能污泥干化。常規(guī)的污泥干燥機使用蒸汽，大量電熱或化石燃料提供高耗能，低效率熱源。然而，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的能源，以其獨有的可再生性，清潔無污染和無需運輸?shù)奶攸c，具有一定的經(jīng)濟和社會效應。太陽能污泥干化是指借助傳統(tǒng)溫室干燥技術(shù)，結(jié)合當代自動化技術(shù)的發(fā)展，利用太陽能這種清潔能源作為污泥干化的主要能量來源。采用太陽能干化污泥可達到殺菌、消毒、除臭三個目的，處理過程無臭、無三廢，可實現(xiàn)零排放清潔型生產(chǎn)。我國太陽能年輻射量3520～6520MJ/m2之間，取平均值5020MJ/m2來計算，它相當于每平方米土地上每年產(chǎn)生120萬千卡的熱量，每平方米一年相當于170公斤標準煤。含水80％左右的污泥經(jīng)太陽能干化后，污泥含水可降至20％左右。太陽能脫水干化技術(shù)在歐洲國家已經(jīng)較為成熟，而在我國利用太陽能對污泥減量化也已列入科技攻關計劃，國家的重視和投入使該項技術(shù)得到迅速的發(fā)展。因此，探討太陽能污泥處置的應用有較強的現(xiàn)實意義。

1污泥深度脫水

和干化早期的污泥脫水干化大多采用污泥濃縮技術(shù)和污泥脫水技術(shù)，但脫水效果不理想。目前，污泥深度脫水技術(shù)和污泥干化技術(shù)得到了長足的發(fā)展，能夠較好地實現(xiàn)污泥的脫水干化。

1.1污泥深度脫水

為進一步降低污泥含水率有兩種方法：一是優(yōu)化機械設計，二是在機械脫水前對污泥進行調(diào)理。

1.1.1優(yōu)化機械設計

陳聰?shù)龋?］設計的機械加壓污泥脫水機，可以將污泥的含水率從90%降到50%以下。張民良等［2］研制的污泥脫水柔韌管壓榨機，可以將污泥的含水率從80%降到60%以下。LeeJE等［3］設計的電動壓濾脫水機，在最佳工況下可將污泥含水率降低25%。因此，優(yōu)化機械設計是一種可行的污泥深度脫水途徑。

1.1.2污泥調(diào)理技術(shù)

污泥調(diào)理方法主要有物理調(diào)理法、化學調(diào)理法、微生物調(diào)理法和復合調(diào)理法。各種方法在實際中均有應用，但以化學調(diào)理法為主。

1.2污泥干化

污泥經(jīng)過調(diào)理后機械脫水，不同的調(diào)理方法和不同的機械脫水工藝，污泥最終的含水率也不同，一般可達40%～70%。脫水污泥的含水率不能滿足污泥處置的要求：如作為肥料或土壤改良劑用于土地利用，要求含水率降為20%～40%；直接填埋需要含水率低于60%；直接焚燒要求含水率低于50%。脫水污泥中的水分主要為細胞內(nèi)部結(jié)合水和部分顆粒吸附水及毛細水。要進一步去除這部分水分，常規(guī)的脫水方法已不再適用。污泥干化主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化以及熱泵干化等技術(shù)。在新興的污泥干化技術(shù)中太陽能干化是一種很有前途的技術(shù)，國內(nèi)外已有許多學者展開研究。Celma等［4］研究表明在空氣的相對濕度不超過58%，空氣流量為0.036～0.042kg/s的條件下，經(jīng)過兩天時間太陽能間接對流干化，污泥含水率下降到原來含水率的1/3。

2太陽能污泥減量化

污泥減量化是使整個污水處理系統(tǒng)，在保證污水處理效能的前提下，利用太陽能使向外排放的生物量達到最少，從而實現(xiàn)從“源頭”上減少污泥的產(chǎn)量。

2.1太陽能干化原理

污泥干化意味著將污泥中的液態(tài)水分轉(zhuǎn)化成蒸汽進人空氣，為了克服或消除各種水分的結(jié)合力，必須輸入能量形成蒸發(fā)驅(qū)動力。這里的蒸發(fā)驅(qū)動力是指污泥中水蒸發(fā)壓力和空氣水蒸發(fā)壓力之間的差值，污泥在溫室內(nèi)主要存在三種干化過程。

（1）輻射干化。當溫室內(nèi)的污泥接受外部太陽光線有效輻射后溫度升高。使其內(nèi)部水分得以向周圍空氣加速蒸發(fā)，從而增加了污泥表面的空氣濕度，甚至于達到飽和。

（2）通過自然循環(huán)或通風。將溫室內(nèi)的濕空氣排出，使污泥表面的濕度由原先的飽和狀態(tài)進入非飽和狀態(tài)，從而促使污泥內(nèi)部水分進一步向周圍空氣蒸發(fā)。實驗證明，后者污泥干化過程中占據(jù)更重要的位置。

（3）當污泥中的含水率減至近40％～60％時，污泥中有機物會在有氧的條件下進行發(fā)酵，從而可以觀察到污泥堆的內(nèi)部溫度的進一步升高，起到加速干化作用，同時也使污泥得到穩(wěn)定化處理。為了進一步加速污泥中的水分(包括污泥中的自由水分和間隙水分)蒸發(fā)，一些溫室附屬設備也得到了相應的開發(fā)和利用，其中包括：（1）大流量強制通風系統(tǒng)并附加氣體收集和除臭裝置，滿足大面積溫室處理污泥的需要；（2）半自動化甚至全自動化的翻泥系統(tǒng)，使污泥得到經(jīng)常性的翻動并混合均一，從而不斷翻新蒸發(fā)面積，同時也起到供氧作用，避免污泥堆內(nèi)部出現(xiàn)局部厭氧而釋放惡臭氣體；（3）暖氣系統(tǒng)，用于減小溫室的設計面積，使其適應在不同天氣和不同季節(jié)條件下干化作業(yè)的需求，縮短處理周期。

2.2太陽能干化技術(shù)工藝及其應用

太陽能污泥處置要點就在于太陽能干化裝置，主要包括太陽能集熱裝置、溫室、通風設備、翻泥設備、電控設備等。太陽能干化裝置的主要目的是通過太陽輻射能量和空氣非飽和程度將污泥水蒸發(fā)出來，所以盡可能通過以下技術(shù)手段來實現(xiàn)干化：（1）盡可能多地讓太陽輻射能直接到達污泥表面，通過污泥吸附轉(zhuǎn)化成熱能；（2）盡可能多地通風，使大量非飽和空氣在污泥表面上流動，帶走污泥中的水分。而由此形成了在集熱、翻泥、進料、收料等方面不斷改進發(fā)展出來的干化工藝。太陽能污泥干化實際商業(yè)化應用最早見于1994年德國南部的污水處理廠ISTAnlagen—bauGmbH［5］。近幾年，隨著污泥產(chǎn)量的不斷攀升以及相關環(huán)境衛(wèi)生政策的出臺制約了傳統(tǒng)的污泥處置途徑(如：填埋、農(nóng)用等)，在歐洲尤其在法國和德國，該技術(shù)得到了應用和推廣，在不同季節(jié)不同緯度污泥含水率各異。如威立雅的Solia工藝［6］，得利滿的Helantis工藝，德國UniversityofHohenheim與Thermo—SystemIndustrie—undTrocknungstechnikGmbH聯(lián)合報道的運用機器人的TherInosystem工藝［7-8］。

2.2.1Solia工藝

該工藝由VeoliaWater研發(fā)而成并將其商業(yè)化運用。溫房采用園藝上常用的標準形式，其溫室內(nèi)污泥的放置方式采用三角堆式，可以增加水份傳輸面積，其面積在相同體積和寬度條件是最大的。該工藝采用密閉式系統(tǒng)，溫室內(nèi)飽和氣體的排出，由中央控制系統(tǒng)軟件根據(jù)對溫室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測結(jié)果進行實時控制。其關鍵設備是自動化翻泥系統(tǒng)，能夠同時執(zhí)行以下任務：（1）使污泥均化；（2）更新污泥表面；（3）并利用其頂部裝載的儲料器接收、運輸、放置污泥到指定位置；（4）使新進入的濕污泥和已在進行干化的污泥混合均勻。

2.2.2Helantis工藝

該工藝由Degremont引入IST工藝開發(fā)而成，并將其命名為Helanfis。此工藝可以處理含水率最高為85％的脫水污泥，其處理結(jié)果可以達到最低的15%含水率。經(jīng)預脫水的污泥被運輸放置于溫室內(nèi)，并用專門設計的翻泥滾筒翻動污泥并將其逐步向出口移動，同時也起到了對污泥的強制通風作用，最終使污泥干化成為顆粒狀。

2.2.3Heliocycle工藝

Stéreau公司設計開發(fā)了Heliocycle工藝，該工藝非常適用于中小型污水處理廠。其溫室內(nèi)部的底面由混凝土石板構(gòu)成，一般寬度在9.6m，而長度則根據(jù)裝置需要的處理能力來設計，兩側(cè)平行建有高度80cm的矮墻，使其成為一個污泥儲存槽用以接受污泥。污泥的混合由裝有轉(zhuǎn)子的翻泥機來完成，該翻泥機可以沿著污泥槽做前后往返運動，其頻率為平均為一天一次，使污泥在逐漸前進過程中得到干化。其溫室內(nèi)安裝有通風設備，可以在6min內(nèi)對整個溫室內(nèi)的氣體實現(xiàn)更新。

2.2.4Thermosystem工藝

Thermosystem工藝概念主要由四部分組成：溫室、通風系統(tǒng)、電器模塊、可以根據(jù)氣候條件來自動控制調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部各設備的微電子處理系統(tǒng)。其溫室為封閉系統(tǒng)，污泥被平鋪放置在整個溫室底平面，然后通過專門設計的機器人將污泥混合均勻該機器人由微電子處理系統(tǒng)程序控制，其工作強度和頻率由污泥的干燥度和溫度以及氣候條件來決定。一個機器人最大工作面積為600m2。借助濾板技術(shù)，該工藝同樣可以處理含水率為93％～97％的濕污泥，但其溫室面積必須相應增加。

2.2.5HuberSRT工藝

HuberSRT干化系統(tǒng)太陽能干化裝置主要由暖房、翻泥機、通風設備、測試儀器和電控系統(tǒng)等部分組成。以暖房形式建造透光大棚。覆蓋材料可以采用含氣薄膜、塑料陽光板或單層安全玻璃。在正常運轉(zhuǎn)情況下，干化車間的端墻可通過拉門完全打開透氣。太陽能干化裝置的核心部件為橋架型翻泥機，由德國漢斯唬泊公司開發(fā)制作，可以沿整個干化車間的寬度前進后移，并對污泥進行360°整體旋轉(zhuǎn)翻拋。翻泥機具有污泥翻滾、污泥切割、污泥混合和污泥運輸?shù)榷喾N功能。翻泥滾筒直徑約為lm，可以高低升降、前后翻滾和前移后退。污泥的前推程度、翻泥滾筒的轉(zhuǎn)速和鏟泥深度可以自由設置，并根據(jù)氣象條件進行時間控制設置。根據(jù)不同的季節(jié)時間和期望的出泥干度，污泥在干化裝置內(nèi)的停留時間有所不同。若裝置在設計時留有余量，則污泥可在整個冬季停留在干化車間內(nèi)；夏季污泥可以干化至90％Ds以上。自2001年開始制作太陽能干化裝置以來，至今在全世界已有近30套裝置投入使用。

3不同季節(jié)污泥含水率的變化

太陽能—熱泵技術(shù)。因太陽能存在季節(jié)性差異，冬季太陽光能量不足。為克服不足，逐漸興起太陽能與熱泵結(jié)合的污泥干燥技術(shù)。此技術(shù)是將太陽能和熱泵結(jié)合起來組成新的熱源，即充分利用太陽能集熱器在低溫時集熱效果好、熱泵系統(tǒng)(見圖1)在其蒸發(fā)溫度高時效率高的優(yōu)點，將太陽能加熱系統(tǒng)作為熱泵系統(tǒng)的低位能源組成新的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和微機監(jiān)測與控制系統(tǒng)組成。當夏天陽光充足時，太陽能集熱器能使空氣溫度升至70°C上，在這種情況下熱泵系統(tǒng)不開動，完全利用太陽能進行干燥，充分節(jié)約能源。春秋季時太陽供能不是非常充足。當太陽能集熱器的空氣溫度達不到70°C時，則啟動熱泵系統(tǒng)進行聯(lián)合加熱。當冬天太陽能不能提供熱風時，則可以單獨開啟熱泵系統(tǒng)，并利用其它余熱對污泥進行加熱干燥。我國江蘇天雨環(huán)保集團有限公司開發(fā)出的“太陽能高溫雙熱源熱泵干燥裝置“項目在江都市仙女鎮(zhèn)泰州路北側(cè)(新廠區(qū))和真武鎮(zhèn)廣豐村(老廠區(qū))開始產(chǎn)業(yè)化建設；山東福航新能源環(huán)?？萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的太陽能與熱泵結(jié)合污泥干化系統(tǒng)擁有6項國家專利，經(jīng)過太陽能光熱干化后的污泥含水量僅為25％到30％。鄭宗和［9］等的脫水干燥實驗中結(jié)果指出太陽輻射的季節(jié)性變化很大，但是經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，冬季也可把污泥脫水至含水率<60%，只是時間要比夏季長(一般夏季所需時間為120～150min，冬季所需時間則為150～250min，冬季比夏季長約20%～25%)，這比干燥機的干燥時間(一般為1～2h)長了，但它更加節(jié)能、運行費用更低。同時，夏季還可以把污泥干燥至含水率<10%，而含水率<23%時就能完全抑制微生物的活性，所以可以使污泥處于穩(wěn)定化狀態(tài)。干燥可以使污泥性能全面改善，干燥后的污泥量僅是最初污泥量的4.5%，干燥污泥發(fā)熱量提高，可相當于劣質(zhì)煤，因此提高了污泥的有效利用價值。

4總結(jié)

太陽能脫水干化技術(shù)是一種很有前途的技術(shù)。污泥深度脫水和干化能更好地實現(xiàn)污泥的脫水干化；太陽能污泥減量能實現(xiàn)從源頭上進行治理的“綠色生產(chǎn)”；在不同季節(jié)不同緯度污泥處置的含水率各異。相比較于傳統(tǒng)的污泥處理工藝來說，太陽能污泥處置有以下優(yōu)點：

（1）資源豐富，獲取成本低。

（2）效果好，處理后的污泥體積可減少5倍左右。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定，灰塵產(chǎn)量少。

（4）設備操作簡單，維護方便，壽命長。

（5）可對污泥進行再利用，利于保護環(huán)境。

參考文獻：

［1］陳聰，機械加壓污泥脫水機的研究［D］.北京：北京化工大學，2010.

［2］張民良.用于活性污泥脫水的柔韌管壓榨機的研制［J］.中國給水排水，2009，25(14):106-108.

［6］顧忠民，楊殿海.太陽能污泥干化在歐洲的應用［J］.四川環(huán)境，2008，27(6)：93-96.

［9］鄭宗和，牛寶聯(lián)，雷海燕.利用太陽能進行污泥脫水干燥的試驗［J］.中國給水排水，2013，19(13):111-113.

作者:錢驊 單位:南方中金環(huán)境股份有限公司