太陽能污泥處置研究范文

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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得到關注。與傳統污泥脫水干化方式相比，太陽能污泥脫水干化技術應用可觀。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

隨著經濟的迅速發展，城市的發展也隨之加快，帶來的環境污染問題也越來越嚴重。據統計，2015年6月底，中國已有城鎮污水處理廠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與微生物，有相當的再利用價值。污泥處置是以減量化、穩定化、無害化和資源化為原則。較新的污泥技術可分為三大類：一、污泥原位減量。如浙江菲達環保科技有限公司的微型動物（水蚯蚓）攝食技術，臨沂進民水務有限公司的污泥側流式原位減量技術，天津大學的臭氧預處理技術等。二、污泥處理技術。如同濟大學的熱水解結合厭氧技術，上海交通大學的污泥自熱式高溫好氧技術，山東省科學技術研究院的深度機械脫水技術等。三、污泥處置技術。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：第一是傳統熱能污泥干化，第二是太陽能污泥干化。常規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的特點，具有一定的經濟和社會效應。太陽能污泥干化是指借助傳統溫室干燥技術，結合當代自動化技術的發展，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，可實現零排放清潔型生產。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在歐洲國家已經較為成熟，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得到迅速的發展。因此，探討太陽能污泥處置的應用有較強的現實意義。

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和污泥脫水技術，但脫水效果不理想。目前，污泥深度脫水技術和污泥干化技術得到了長足的發展，能夠較好地實現污泥的脫水干化。

1.1污泥深度脫水

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

1.1.1優化機械設計

陳聰等［1］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污泥調理技術

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

1.2污泥干化

污泥經過調理后機械脫水，不同的調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部結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。在新興的污泥干化技術中太陽能干化是一種很有前途的技術，國內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，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，從而實現從“源頭”上減少污泥的產量。

2.1太陽能干化原理

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

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

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

（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酵，從而可以觀察到污泥堆的內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，一些溫室附屬設備也得到了相應的開發和利用，其中包括：（1）大流量強制通風系統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，使污泥得到經常性的翻動并混合均一，從而不斷翻新蒸發面積，同時也起到供氧作用，避免污泥堆內部出現局部厭氧而釋放惡臭氣體；（3）暖氣系統，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條件下干化作業的需求，縮短處理周期。

2.2太陽能干化技術工藝及其應用

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出來，所以盡可能通過以下技術手段來實現干化：（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展出來的干化工藝。太陽能污泥干化實際商業化應用最早見于1994年德國南部的污水處理廠ISTAnlagen—bauGmbH［5］。近幾年，隨著污泥產量的不斷攀升以及相關環境衛生政策的出臺制約了傳統的污泥處置途徑(如：填埋、農用等)，在歐洲尤其在法國和德國，該技術得到了應用和推廣，在不同季節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研發而成并將其商業化運用。溫房采用園藝上常用的標準形式，其溫室內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，溫室內飽和氣體的排出，由中央控制系統軟件根據對溫室內外環境的監測結果進行實時控制。其關鍵設備是自動化翻泥系統，能夠同時執行以下任務：（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，其處理結果可以達到最低的15%含水率。經預脫水的污泥被運輸放置于溫室內，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公司設計開發了Heliocycle工藝，該工藝非常適用于中小型污水處理廠。其溫室內部的底面由混凝土石板構成，一般寬度在9.6m，而長度則根據裝置需要的處理能力來設計，兩側平行建有高度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。其溫室內安裝有通風設備，可以在6min內對整個溫室內的氣體實現更新。

2.2.4Thermosystem工藝

Thermosystem工藝概念主要由四部分組成：溫室、通風系統、電器模塊、可以根據氣候條件來自動控制調節溫室內部各設備的微電子處理系統。其溫室為封閉系統，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，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°整體旋轉翻拋。翻泥機具有污泥翻滾、污泥切割、污泥混合和污泥運輸等多種功能。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、翻泥滾筒的轉速和鏟泥深度可以自由設置，并根據氣象條件進行時間控制設置。根據不同的季節時間和期望的出泥干度，污泥在干化裝置內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；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不同季節污泥含水率的變化

太陽能—熱泵技術。因太陽能存在季節性差異，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合的污泥干燥技術。此技術是將太陽能和熱泵結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(見圖1)在其蒸發溫度高時效率高的優點，將太陽能加熱系統作為熱泵系統的低位能源組成新的太陽能熱泵供熱系統。該系統主要由太陽能集熱系統、干燥系統、熱泵系統和微機監測與控制系統組成。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不開動，完全利用太陽能進行干燥，充分節約能源。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，則啟動熱泵系統進行聯合加熱。當冬天太陽能不能提供熱風時，則可以單獨開啟熱泵系統，并利用其它余熱對污泥進行加熱干燥。我國江蘇天雨環保集團有限公司開發出的“太陽能高溫雙熱源熱泵干燥裝置“項目在江都市仙女鎮泰州路北側(新廠區)和真武鎮廣豐村(老廠區)開始產業化建設；山東福航新能源環保科技有限公司自主研發的太陽能與熱泵結合污泥干化系統擁有6項國家專利，經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果指出太陽輻射的季節性變化很大，但是經試驗發現，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定化狀態。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%，干燥污泥發熱量提高，可相當于劣質煤，因此提高了污泥的有效利用價值。

4總結

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

（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）系統穩定，灰塵產量少。

（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］.四川環境，2008，27(6)：93-96.

［9］鄭宗和，牛寶聯，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:南方中金環境股份有限公司