太阳能污泥处置研究范文
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《过滤与分离杂志》2016年第3期
摘要：
近几年污泥处置问题持续得到关注。与传统污泥脱水干化方式相比，太阳能污泥脱水干化技术应用可观。重点从污泥深度脱水和干化、太阳能污泥减量、不同季节污泥含水率的变化三方面来探讨太阳能污泥处置的应用。
关键词：
太阳能；污泥处置；脱水；含水率
0引言
随着经济的迅速发展，城市的发展也随之加快，带来的环境污染问题也越来越严重。据统计，2015年6月底，中国已有城镇污水处理厂3802座，污水处理能力超过1.61亿立方米/天，实际处理量达到1.26亿立方米/天，脱水污泥（含水率以80%计）已经超过3200万吨/天。污泥是一种被废弃的资源，其中含有大量的有机质与微生物，有相当的再利用价值。污泥处置是以减量化、稳定化、无害化和资源化为原则。较新的污泥技术可分为三大类：一、污泥原位减量。如浙江菲达环保科技有限公司的微型动物（水蚯蚓）摄食技术，临沂进民水务有限公司的污泥侧流式原位减量技术，天津大学的臭氧预处理技术等。二、污泥处理技术。如同济大学的热水解结合厌氧技术，上海交通大学的污泥自热式高温好氧技术，山东省科学技术研究院的深度机械脱水技术等。三、污泥处置技术。包括土地利用、焚烧、填埋、建材利用等。无论哪种污泥处置方式，污泥的脱水干化都是关键的第一步，这使其在整个污泥处置体系中扮演着重要的角色。目前主要应用的污泥减量化脱水干化有两种方式：第一是传统热能污泥干化，第二是太阳能污泥干化。常规的污泥干燥机使用蒸汽，大量电热或化石燃料提供高耗能，低效率热源。然而，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源，以其独有的可再生性，清洁无污染和无需运输的特点，具有一定的经济和社会效应。太阳能污泥干化是指借助传统温室干燥技术，结合当代自动化技术的发展，利用太阳能这种清洁能源作为污泥干化的主要能量来源。采用太阳能干化污泥可达到杀菌、消毒、除臭三个目的，处理过程无臭、无三废，可实现零排放清洁型生产。我国太阳能年辐射量3520～6520MJ/m2之间，取平均值5020MJ/m2来计算，它相当于每平方米土地上每年产生120万千卡的热量，每平方米一年相当于170公斤标准煤。含水80％左右的污泥经太阳能干化后，污泥含水可降至20％左右。太阳能脱水干化技术在欧洲国家已经较为成熟，而在我国利用太阳能对污泥减量化也已列入科技攻关计划，国家的重视和投入使该项技术得到迅速的发展。因此，探讨太阳能污泥处置的应用有较强的现实意义。
1污泥深度脱水
和干化早期的污泥脱水干化大多采用污泥浓缩技术和污泥脱水技术，但脱水效果不理想。目前，污泥深度脱水技术和污泥干化技术得到了长足的发展，能够较好地实现污泥的脱水干化。
1.1污泥深度脱水
为进一步降低污泥含水率有两种方法：一是优化机械设计，二是在机械脱水前对污泥进行调理。
1.1.1优化机械设计
陈聪等［1］设计的机械加压污泥脱水机，可以将污泥的含水率从90%降到50%以下。张民良等［2］研制的污泥脱水柔韧管压榨机，可以将污泥的含水率从80%降到60%以下。LeeJE等［3］设计的电动压滤脱水机，在最佳工况下可将污泥含水率降低25%。因此，优化机械设计是一种可行的污泥深度脱水途径。
1.1.2污泥调理技术
污泥调理方法主要有物理调理法、化学调理法、微生物调理法和复合调理法。各种方法在实际中均有应用，但以化学调理法为主。
1.2污泥干化
污泥经过调理后机械脱水，不同的调理方法和不同的机械脱水工艺，污泥最终的含水率也不同，一般可达40%～70%。脱水污泥的含水率不能满足污泥处置的要求：如作为肥料或土壤改良剂用于土地利用，要求含水率降为20%～40%；直接填埋需要含水率低于60%；直接焚烧要求含水率低于50%。脱水污泥中的水分主要为细胞内部结合水和部分颗粒吸附水及毛细水。要进一步去除这部分水分，常规的脱水方法已不再适用。污泥干化主要有热干化、太阳能干化、微波加热干化、超声波干化以及热泵干化等技术。在新兴的污泥干化技术中太阳能干化是一种很有前途的技术，国内外已有许多学者展开研究。Celma等［4］研究表明在空气的相对湿度不超过58%，空气流量为0.036～0.042kg/s的条件下，经过两天时间太阳能间接对流干化，污泥含水率下降到原来含水率的1/3。
2太阳能污泥减量化
污泥减量化是使整个污水处理系统，在保证污水处理效能的前提下，利用太阳能使向外排放的生物量达到最少，从而实现从“源头”上减少污泥的产量。
2.1太阳能干化原理
污泥干化意味着将污泥中的液态水分转化成蒸汽进人空气，为了克服或消除各种水分的结合力，必须输入能量形成蒸发驱动力。这里的蒸发驱动力是指污泥中水蒸发压力和空气水蒸发压力之间的差值，污泥在温室内主要存在三种干化过程。
（1）辐射干化。当温室内的污泥接受外部太阳光线有效辐射后温度升高。使其内部水分得以向周围空气加速蒸发，从而增加了污泥表面的空气湿度，甚至于达到饱和。
（2）通过自然循环或通风。将温室内的湿空气排出，使污泥表面的湿度由原先的饱和状态进入非饱和状态，从而促使污泥内部水分进一步向周围空气蒸发。实验证明，后者污泥干化过程中占据更重要的位置。
（3）当污泥中的含水率减至近40％～60％时，污泥中有机物会在有氧的条件下进行发酵，从而可以观察到污泥堆的内部温度的进一步升高，起到加速干化作用，同时也使污泥得到稳定化处理。为了进一步加速污泥中的水分(包括污泥中的自由水分和间隙水分)蒸发，一些温室附属设备也得到了相应的开发和利用，其中包括：（1）大流量强制通风系统并附加气体收集和除臭装置，满足大面积温室处理污泥的需要；（2）半自动化甚至全自动化的翻泥系统，使污泥得到经常性的翻动并混合均一，从而不断翻新蒸发面积，同时也起到供氧作用，避免污泥堆内部出现局部厌氧而释放恶臭气体；（3）暖气系统，用于减小温室的设计面积，使其适应在不同天气和不同季节条件下干化作业的需求，缩短处理周期。
2.2太阳能干化技术工艺及其应用
太阳能污泥处置要点就在于太阳能干化装置，主要包括太阳能集热装置、温室、通风设备、翻泥设备、电控设备等。太阳能干化装置的主要目的是通过太阳辐射能量和空气非饱和程度将污泥水蒸发出来，所以尽可能通过以下技术手段来实现干化：（1）尽可能多地让太阳辐射能直接到达污泥表面，通过污泥吸附转化成热能；（2）尽可能多地通风，使大量非饱和空气在污泥表面上流动，带走污泥中的水分。而由此形成了在集热、翻泥、进料、收料等方面不断改进发展出来的干化工艺。太阳能污泥干化实际商业化应用最早见于1994年德国南部的污水处理厂ISTAnlagen—bauGmbH［5］。近几年，随着污泥产量的不断攀升以及相关环境卫生政策的出台制约了传统的污泥处置途径(如：填埋、农用等)，在欧洲尤其在法国和德国，该技术得到了应用和推广，在不同季节不同纬度污泥含水率各异。如威立雅的Solia工艺［6］，得利满的Helantis工艺，德国UniversityofHohenheim与Thermo—SystemIndustrie—undTrocknungstechnikGmbH联合报道的运用机器人的TherInosystem工艺［7-8］。
2.2.1Solia工艺
该工艺由VeoliaWater研发而成并将其商业化运用。温房采用园艺上常用的标准形式，其温室内污泥的放置方式采用三角堆式，可以增加水份传输面积，其面积在相同体积和宽度条件是最大的。该工艺采用密闭式系统，温室内饱和气体的排出，由中央控制系统软件根据对温室内外环境的监测结果进行实时控制。其关键设备是自动化翻泥系统，能够同时执行以下任务：（1）使污泥均化；（2）更新污泥表面；（3）并利用其顶部装载的储料器接收、运输、放置污泥到指定位置；（4）使新进入的湿污泥和已在进行干化的污泥混合均匀。
2.2.2Helantis工艺
该工艺由Degremont引入IST工艺开发而成，并将其命名为Helanfis。此工艺可以处理含水率最高为85％的脱水污泥，其处理结果可以达到最低的15%含水率。经预脱水的污泥被运输放置于温室内，并用专门设计的翻泥滚筒翻动污泥并将其逐步向出口移动，同时也起到了对污泥的强制通风作用，最终使污泥干化成为颗粒状。
2.2.3Heliocycle工艺
Stéreau公司设计开发了Heliocycle工艺，该工艺非常适用于中小型污水处理厂。其温室内部的底面由混凝土石板构成，一般宽度在9.6m，而长度则根据装置需要的处理能力来设计，两侧平行建有高度80cm的矮墙，使其成为一个污泥储存槽用以接受污泥。污泥的混合由装有转子的翻泥机来完成，该翻泥机可以沿着污泥槽做前后往返运动，其频率为平均为一天一次，使污泥在逐渐前进过程中得到干化。其温室内安装有通风设备，可以在6min内对整个温室内的气体实现更新。
2.2.4Thermosystem工艺
Thermosystem工艺概念主要由四部分组成：温室、通风系统、电器模块、可以根据气候条件来自动控制调节温室内部各设备的微电子处理系统。其温室为封闭系统，污泥被平铺放置在整个温室底平面，然后通过专门设计的机器人将污泥混合均匀该机器人由微电子处理系统程序控制，其工作强度和频率由污泥的干燥度和温度以及气候条件来决定。一个机器人最大工作面积为600m2。借助滤板技术，该工艺同样可以处理含水率为93％～97％的湿污泥，但其温室面积必须相应增加。
2.2.5HuberSRT工艺
HuberSRT干化系统太阳能干化装置主要由暖房、翻泥机、通风设备、测试仪器和电控系统等部分组成。以暖房形式建造透光大棚。覆盖材料可以采用含气薄膜、塑料阳光板或单层安全玻璃。在正常运转情况下，干化车间的端墙可通过拉门完全打开透气。太阳能干化装置的核心部件为桥架型翻泥机，由德国汉斯唬泊公司开发制作，可以沿整个干化车间的宽度前进后移，并对污泥进行360°整体旋转翻抛。翻泥机具有污泥翻滚、污泥切割、污泥混合和污泥运输等多种功能。翻泥滚筒直径约为lm，可以高低升降、前后翻滚和前移后退。污泥的前推程度、翻泥滚筒的转速和铲泥深度可以自由设置，并根据气象条件进行时间控制设置。根据不同的季节时间和期望的出泥干度，污泥在干化装置内的停留时间有所不同。若装置在设计时留有余量，则污泥可在整个冬季停留在干化车间内；夏季污泥可以干化至90％Ds以上。自2001年开始制作太阳能干化装置以来，至今在全世界已有近30套装置投入使用。
3不同季节污泥含水率的变化
太阳能—热泵技术。因太阳能存在季节性差异，冬季太阳光能量不足。为克服不足，逐渐兴起太阳能与热泵结合的污泥干燥技术。此技术是将太阳能和热泵结合起来组成新的热源，即充分利用太阳能集热器在低温时集热效果好、热泵系统(见图1)在其蒸发温度高时效率高的优点，将太阳能加热系统作为热泵系统的低位能源组成新的太阳能热泵供热系统。该系统主要由太阳能集热系统、干燥系统、热泵系统和微机监测与控制系统组成。当夏天阳光充足时，太阳能集热器能使空气温度升至70°C上，在这种情况下热泵系统不开动，完全利用太阳能进行干燥，充分节约能源。春秋季时太阳供能不是非常充足。当太阳能集热器的空气温度达不到70°C时，则启动热泵系统进行联合加热。当冬天太阳能不能提供热风时，则可以单独开启热泵系统，并利用其它余热对污泥进行加热干燥。我国江苏天雨环保集团有限公司开发出的“太阳能高温双热源热泵干燥装置“项目在江都市仙女镇泰州路北侧(新厂区)和真武镇广丰村(老厂区)开始产业化建设；山东福航新能源环保科技有限公司自主研发的太阳能与热泵结合污泥干化系统拥有6项国家专利，经过太阳能光热干化后的污泥含水量仅为25％到30％。郑宗和［9］等的脱水干燥实验中结果指出太阳辐射的季节性变化很大，但是经试验发现，冬季也可把污泥脱水至含水率<60%，只是时间要比夏季长(一般夏季所需时间为120～150min，冬季所需时间则为150～250min，冬季比夏季长约20%～25%)，这比干燥机的干燥时间(一般为1～2h)长了，但它更加节能、运行费用更低。同时，夏季还可以把污泥干燥至含水率<10%，而含水率<23%时就能完全抑制微生物的活性，所以可以使污泥处于稳定化状态。干燥可以使污泥性能全面改善，干燥后的污泥量仅是最初污泥量的4.5%，干燥污泥发热量提高，可相当于劣质煤，因此提高了污泥的有效利用价值。
4总结
太阳能脱水干化技术是一种很有前途的技术。污泥深度脱水和干化能更好地实现污泥的脱水干化；太阳能污泥减量能实现从源头上进行治理的“绿色生产”；在不同季节不同纬度污泥处置的含水率各异。相比较于传统的污泥处理工艺来说，太阳能污泥处置有以下优点：
（1）资源丰富，获取成本低。
（2）效果好，处理后的污泥体积可减少5倍左右。
（3）系统稳定，灰尘产量少。
（4）设备操作简单，维护方便，寿命长。
（5）可对污泥进行再利用，利于保护环境。
参考文献：
［1］陈聪，机械加压污泥脱水机的研究［D］.北京：北京化工大学，2010.
［2］张民良.用于活性污泥脱水的柔韧管压榨机的研制［J］.中国给水排水，2009，25(14):106-108.
［6］顾忠民，杨殿海.太阳能污泥干化在欧洲的应用［J］.四川环境，2008，27(6)：93-96.
［9］郑宗和，牛宝联，雷海燕.利用太阳能进行污泥脱水干燥的试验［J］.中国给水排水，2013，19(13):111-113.
作者:钱骅 单位:南方中金环境股份有限公司
