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《過(guò)濾與分離雜志》2016年第3期

摘要：

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

關(guān)鍵詞：

太陽(yáng)能；污泥處置；脫水；含水率

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市的發(fā)展也隨之加快，帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年6月底，中國(guó)已有城鎮(zhèn)污水處理廠3802座，污水處理能力超過(guò)1.61億立方米/天，實(shí)際處理量達(dá)到1.26億立方米/天，脫水污泥（含水率以80%計(jì)）已經(jīng)超過(guò)3200萬(wàn)噸/天。污泥是一種被廢棄的資源，其中含有大量的有機(jī)質(zhì)與微生物，有相當(dāng)?shù)脑倮脙r(jià)值。污泥處置是以減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化為原則。較新的污泥技術(shù)可分為三大類(lèi)：一、污泥原位減量。如浙江菲達(dá)環(huán)?？萍加邢薰镜奈⑿蛣?dòng)物（水蚯蚓）攝食技術(shù)，臨沂進(jìn)民水務(wù)有限公司的污泥側(cè)流式原位減量技術(shù)，天津大學(xué)的臭氧預(yù)處理技術(shù)等。二、污泥處理技術(shù)。如同濟(jì)大學(xué)的熱水解結(jié)合厭氧技術(shù)，上海交通大學(xué)的污泥自熱式高溫好氧技術(shù)，山東省科學(xué)技術(shù)研究院的深度機(jī)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(wú)論哪種污泥處置方式，污泥的脫水干化都是關(guān)鍵的第一步，這使其在整個(gè)污泥處置體系中扮演著重要的角色。目前主要應(yīng)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(yáng)能污泥干化。常規(guī)的污泥干燥機(jī)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(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的能源，以其獨(dú)有的可再生性，清潔無(wú)污染和無(wú)需運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。太陽(yáng)能污泥干化是指借助傳統(tǒng)溫室干燥技術(shù)，結(jié)合當(dāng)代自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，利用太陽(yáng)能這種清潔能源作為污泥干化的主要能量來(lái)源。采用太陽(yáng)能干化污泥可達(dá)到殺菌、消毒、除臭三個(gè)目的，處理過(guò)程無(wú)臭、無(wú)三廢，可實(shí)現(xiàn)零排放清潔型生產(chǎn)。我國(guó)太陽(yáng)能年輻射量3520～6520MJ/m2之間，取平均值5020MJ/m2來(lái)計(jì)算，它相當(dāng)于每平方米土地上每年產(chǎn)生120萬(wàn)千卡的熱量，每平方米一年相當(dāng)于170公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。含水80％左右的污泥經(jīng)太陽(yáng)能干化后，污泥含水可降至20％左右。太陽(yáng)能脫水干化技術(shù)在歐洲國(guó)家已經(jīng)較為成熟，而在我國(guó)利用太陽(yáng)能對(duì)污泥減量化也已列入科技攻關(guān)計(jì)劃，國(guó)家的重視和投入使該項(xiàng)技術(shù)得到迅速的發(fā)展。因此，探討太陽(yáng)能污泥處置的應(yīng)用有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)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(zhǎng)足的發(fā)展，能夠較好地實(shí)現(xiàn)污泥的脫水干化。

1.1污泥深度脫水

為進(jìn)一步降低污泥含水率有兩種方法：一是優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)，二是在機(jī)械脫水前對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理。

1.1.1優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)

陳聰?shù)龋?］設(shè)計(jì)的機(jī)械加壓污泥脫水機(jī)，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(jī)，可以將污泥的含水率從80%降到60%以下。LeeJE等［3］設(shè)計(jì)的電動(dòng)壓濾脫水機(jī)，在最佳工況下可將污泥含水率降低25%。因此，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)調(diào)理法、微生物調(diào)理法和復(fù)合調(diào)理法。各種方法在實(shí)際中均有應(yīng)用，但以化學(xué)調(diào)理法為主。

1.2污泥干化

污泥經(jīng)過(guò)調(diào)理后機(jī)械脫水，不同的調(diào)理方法和不同的機(jī)械脫水工藝，污泥最終的含水率也不同，一般可達(dá)40%～70%。脫水污泥的含水率不能滿(mǎn)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(xì)胞內(nèi)部結(jié)合水和部分顆粒吸附水及毛細(xì)水。要進(jìn)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(yáng)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(yáng)能干化是一種很有前途的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者展開(kāi)研究。Celma等［4］研究表明在空氣的相對(duì)濕度不超過(guò)58%，空氣流量為0.036～0.042kg/s的條件下，經(jīng)過(guò)兩天時(shí)間太陽(yáng)能間接對(duì)流干化，污泥含水率下降到原來(lái)含水率的1/3。

2太陽(yáng)能污泥減量化

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

2.1太陽(yáng)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(jìn)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(dòng)力。這里的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(guò)程。

（1）輻射干化。當(dāng)溫室內(nèi)的污泥接受外部太陽(yáng)光線有效輻射后溫度升高。使其內(nèi)部水分得以向周?chē)諝饧铀僬舭l(fā)，從而增加了污泥表面的空氣濕度，甚至于達(dá)到飽和。

（2）通過(guò)自然循環(huán)或通風(fēng)。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(jìn)入非飽和狀態(tài)，從而促使污泥內(nèi)部水分進(jìn)一步向周?chē)諝庹舭l(fā)。實(shí)驗(yàn)證明，后者污泥干化過(guò)程中占據(jù)更重要的位置。

（3）當(dāng)污泥中的含水率減至近40％～60％時(shí)，污泥中有機(jī)物會(huì)在有氧的條件下進(jìn)行發(fā)酵，從而可以觀察到污泥堆的內(nèi)部溫度的進(jìn)一步升高，起到加速干化作用，同時(shí)也使污泥得到穩(wěn)定化處理。為了進(jìn)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(shè)備也得到了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)和利用，其中包括：（1）大流量強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)并附加氣體收集和除臭裝置，滿(mǎn)足大面積溫室處理污泥的需要；（2）半自動(dòng)化甚至全自動(dòng)化的翻泥系統(tǒng)，使污泥得到經(jīng)常性的翻動(dòng)并混合均一，從而不斷翻新蒸發(fā)面積，同時(shí)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(shè)計(jì)面積，使其適應(yīng)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(yáng)能干化技術(shù)工藝及其應(yīng)用

太陽(yáng)能污泥處置要點(diǎn)就在于太陽(yáng)能干化裝置，主要包括太陽(yáng)能集熱裝置、溫室、通風(fēng)設(shè)備、翻泥設(shè)備、電控設(shè)備等。太陽(yáng)能干化裝置的主要目的是通過(guò)太陽(yáng)輻射能量和空氣非飽和程度將污泥水蒸發(fā)出來(lái)，所以盡可能通過(guò)以下技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)干化：（1）盡可能多地讓太陽(yáng)輻射能直接到達(dá)污泥表面，通過(guò)污泥吸附轉(zhuǎn)化成熱能；（2）盡可能多地通風(fēng)，使大量非飽和空氣在污泥表面上流動(dòng)，帶走污泥中的水分。而由此形成了在集熱、翻泥、進(jìn)料、收料等方面不斷改進(jìn)發(fā)展出來(lái)的干化工藝。太陽(yáng)能污泥干化實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用最早見(jiàn)于1994年德國(guó)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(guān)環(huán)境衛(wèi)生政策的出臺(tái)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(guó)和德國(guó)，該技術(shù)得到了應(yīng)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(mǎn)的Helantis工藝，德國(guó)UniversityofHohenheim與Thermo—SystemIndustrie—undTrocknungstechnikGmbH聯(lián)合報(bào)道的運(yùn)用機(jī)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(yùn)用。溫房采用園藝上常用的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)溫室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其關(guān)鍵設(shè)備是自動(dòng)化翻泥系統(tǒng)，能夠同時(shí)執(zhí)行以下任務(wù)：（1）使污泥均化；（2）更新污泥表面；（3）并利用其頂部裝載的儲(chǔ)料器接收、運(yùn)輸、放置污泥到指定位置；（4）使新進(jìn)入的濕污泥和已在進(jìn)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(kāi)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(dá)到最低的15%含水率。經(jīng)預(yù)脫水的污泥被運(yùn)輸放置于溫室內(nèi)，并用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的翻泥滾筒翻動(dòng)污泥并將其逐步向出口移動(dòng)，同時(shí)也起到了對(duì)污泥的強(qiáng)制通風(fēng)作用，最終使污泥干化成為顆粒狀。

2.2.3Heliocycle工藝

Stéreau公司設(shè)計(jì)開(kāi)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(zhǎng)度則根據(jù)裝置需要的處理能力來(lái)設(shè)計(jì)，兩側(cè)平行建有高度80cm的矮墻，使其成為一個(gè)污泥儲(chǔ)存槽用以接受污泥。污泥的混合由裝有轉(zhuǎn)子的翻泥機(jī)來(lái)完成，該翻泥機(jī)可以沿著污泥槽做前后往返運(yùn)動(dòng)，其頻率為平均為一天一次，使污泥在逐漸前進(jìn)過(guò)程中得到干化。其溫室內(nèi)安裝有通風(fēng)設(shè)備，可以在6min內(nèi)對(duì)整個(gè)溫室內(nèi)的氣體實(shí)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(fēng)系統(tǒng)、電器模塊、可以根據(jù)氣候條件來(lái)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部各設(shè)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(gè)溫室底平面，然后通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的機(jī)器人將污泥混合均勻該機(jī)器人由微電子處理系統(tǒng)程序控制，其工作強(qiáng)度和頻率由污泥的干燥度和溫度以及氣候條件來(lái)決定。一個(gè)機(jī)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(yīng)增加。

2.2.5HuberSRT工藝

HuberSRT干化系統(tǒng)太陽(yáng)能干化裝置主要由暖房、翻泥機(jī)、通風(fēng)設(shè)備、測(cè)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(yáng)光板或單層安全玻璃。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，干化車(chē)間的端墻可通過(guò)拉門(mén)完全打開(kāi)透氣。太陽(yáng)能干化裝置的核心部件為橋架型翻泥機(jī)，由德國(guó)漢斯唬泊公司開(kāi)發(fā)制作，可以沿整個(gè)干化車(chē)間的寬度前進(jìn)后移，并對(duì)污泥進(jìn)行360°整體旋轉(zhuǎn)翻拋。翻泥機(jī)具有污泥翻滾、污泥切割、污泥混合和污泥運(yùn)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(shè)置，并根據(jù)氣象條件進(jìn)行時(shí)間控制設(shè)置。根據(jù)不同的季節(jié)時(shí)間和期望的出泥干度，污泥在干化裝置內(nèi)的停留時(shí)間有所不同。若裝置在設(shè)計(jì)時(shí)留有余量，則污泥可在整個(gè)冬季停留在干化車(chē)間內(nèi)；夏季污泥可以干化至90％Ds以上。自2001年開(kāi)始制作太陽(yáng)能干化裝置以來(lái)，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(yáng)能—熱泵技術(shù)。因太陽(yáng)能存在季節(jié)性差異，冬季太陽(yáng)光能量不足。為克服不足，逐漸興起太陽(yáng)能與熱泵結(jié)合的污泥干燥技術(shù)。此技術(shù)是將太陽(yáng)能和熱泵結(jié)合起來(lái)組成新的熱源，即充分利用太陽(yáng)能集熱器在低溫時(shí)集熱效果好、熱泵系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)在其蒸發(fā)溫度高時(shí)效率高的優(yōu)點(diǎn)，將太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)作為熱泵系統(tǒng)的低位能源組成新的太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)組成。當(dāng)夏天陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)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(kāi)動(dòng)，完全利用太陽(yáng)能進(jìn)行干燥，充分節(jié)約能源。春秋季時(shí)太陽(yáng)供能不是非常充足。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器的空氣溫度達(dá)不到70°C時(shí)，則啟動(dòng)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合加熱。當(dāng)冬天太陽(yáng)能不能提供熱風(fēng)時(shí)，則可以單獨(dú)開(kāi)啟熱泵系統(tǒng)，并利用其它余熱對(duì)污泥進(jìn)行加熱干燥。我國(guó)江蘇天雨環(huán)保集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)出的“太陽(yáng)能高溫雙熱源熱泵干燥裝置“項(xiàng)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(kāi)始產(chǎn)業(yè)化建設(shè)；山東福航新能源環(huán)保科技有限公司自主研發(fā)的太陽(yáng)能與熱泵結(jié)合污泥干化系統(tǒng)擁有6項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能光熱干化后的污泥含水量?jī)H為25％到30％。鄭宗和［9］等的脫水干燥實(shí)驗(yàn)中結(jié)果指出太陽(yáng)輻射的季節(jié)性變化很大，但是經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冬季也可把污泥脫水至含水率<60%，只是時(shí)間要比夏季長(zhǎng)(一般夏季所需時(shí)間為120～150min，冬季所需時(shí)間則為150～250min，冬季比夏季長(zhǎng)約20%～25%)，這比干燥機(jī)的干燥時(shí)間(一般為1～2h)長(zhǎng)了，但它更加節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用更低。同時(shí)，夏季還可以把污泥干燥至含水率<10%，而含水率<23%時(shí)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?jī)H是最初污泥量的4.5%，干燥污泥發(fā)熱量提高，可相當(dāng)于劣質(zhì)煤，因此提高了污泥的有效利用價(jià)值。

4總結(jié)

太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)污泥的脫水干化；太陽(yáng)能污泥減量能實(shí)現(xiàn)從源頭上進(jìn)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(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能污泥處置有以下優(yōu)點(diǎn)：

（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(shè)備操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。

（5）可對(duì)污泥進(jìn)行再利用，利于保護(hù)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳聰，機(jī)械加壓污泥脫水機(jī)的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2010.

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［6］顧忠民，楊殿海.太陽(yáng)能污泥干化在歐洲的應(yīng)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(yáng)能進(jìn)行污泥脫水干燥的試驗(yàn)［J］.中國(guó)給水排水，2013，19(13):111-113.

作者:錢(qián)驊 單位:南方中金環(huán)境股份有限公司