4种污泥干化技术及设备的比较与展望

第1期（总第164期）2013年2月CHINAMUNICIPALENGINEERING80李家祥1，贺阳1，范跃华2（1.南京市绿岛环境工程有限公司，江苏南京210046；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074）摘要：为了降低我国城市污水处理厂出厂污泥的含水率，实现污泥减量化目标，污泥干化技术将是今后一个重点发展领域。介绍了4种有发展前景的污泥干化技术，从能耗、投资成本、运行成本等技术经济综合指标与传统热干化技术进行了比较。关键词：污泥脱水；污泥干化；干化设备；含水率中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1004-4655（2013）01-0080-041脱水污泥的干化要求现阶段我国大多数城市污水处理厂都采用活性污泥法，在运行中会产生大量的剩余污泥，经常规方法浓缩脱水后，能使污泥的含水率从99%左右降到70%~85%，然后外运处置。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，泥饼水分偏高，不利于分散和装袋运输，需要含水率降为20%~40%；如直接填埋，则脱水泥饼体积大，填埋场土地容积利用系数低，土力学性能差，渗沥液量大，需要含水率＜60%；如脱水泥饼直接焚烧，也因含水率＞50%，热值不足以维持燃烧，需加入辅助燃料，使处理成本增加［1］。因此，进一步降低脱水污泥含水率是解决以上问题的关键。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。污泥干化是在机械脱水后，利用热能对污泥进行深度脱水操作，水分吸热变为水蒸气散失，得到含水率10%~50%的干化污泥［2］。经过干化处理后的污泥体积可以减为原来的五分之一左右，呈颗粒状或粉状，产品稳定且无臭味、无病原体生物，可用于焚烧回收热值或用作肥料和土壤改良剂（若重金属不超标）。这样一方面实现了污泥的有效减容，另一方面方便了污泥的存储、运输和利用。2几种污泥干化技术及设备2.1间接加热转盘式干化技术早在20世纪40年代，挪威的巴茨发明了转盘式干燥机，主要由定子（外壳）、转子（转盘）和驱动装置组成。转子中心轴和转盘都是中空的，热油（180~220℃）、热水或者高压蒸汽（0.4~1.1MPa）通过其中并加热转盘，将热量传递给干化产品。转盘边缘的搅拌器将污泥均匀缓慢地推进，通过整个干燥机，产生的热蒸汽冷凝在转盘腔的内壁上，形成冷凝水并导出干燥机。为了防止污泥粘附在转盘上，在转盘之间装有刮刀，使得转盘干燥机不仅能进行污泥的全干化，也能适应污泥的半干化，区别仅在于其辅助设备（造粒机）以及电控系统［3］。在污泥全干化工艺中，一部分已烘干的污泥（含水率10%）被回流，与湿污泥相混合再送入干燥机（称为干料返混工艺），返混后含水率30%~40%。干燥后产生的尾气需经除尘处理，再被冷凝液化。全干化产品为小颗粒状，主要用于土地利用。在污泥半干化工艺中（含固率＜50%），干燥物质不经返混而被一次性干燥后排出。所排废气不需除尘可以直接进行冷凝液化。用于半干化的干燥器一般与1个焚烧炉相连，将半干化污泥进行自给自足的焚烧，产生的热能足以给干燥机供热，因为不需外加能源，大大降低了运行费用。干燥机负压运行［-(20~40)Pa］，避免了干化过程中废蒸汽泄露；废气中含氧量约2%，能够有效地预防粉尘爆炸。全干化蒸发单位水需耗热约DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2013.01.028收稿日期：2012-11-12第一作者简介：李家祥（1966—），男，高级工程师，工程硕士，江苏省环境科学学会理事，中国环境科学学会高级会员，研究工业废水及污泥处理。812013年第1期2750kJ/kg，耗电约45kWh/t，效率为77.5%；半干化蒸发单位水需耗热约3000kJ/kg，耗电约30kWh/t，效率为72.6%。可见返混工艺可以提高热效率。低温干化，污泥营养物质和热值流失少。转盘式干化技术因为投资较少、运行费用低、运行安全、干化产品质量好，特别是其特有的工艺灵活性，在多国得到使用。例如，荷兰的SNB污泥干燥焚烧站，德国德雷斯顿市污水厂等。2.2微波加热干化技术微波是指频率为300MHz~300GHz，波长为1mm~1m之间的电磁波。在微波高频交变电场中，水分子随着电场方向的变换而转动，水分子之间相互摩擦碰撞，部分能量转化为热能使得水分子吸热成水蒸气。可见微波是对水分子直接加热，几乎没有热传导的限制，所以加热均匀，干燥速度快，产品含水均匀，质量稳定。因水分子的介电常数比干物料大，电场释放的绝大部分能量都被物料中的水分子吸收，因此热效率高，能耗较低。图1是美国BurchBioWave®微波干化设备，实现了污泥的连续干化处理。该系统采用不锈钢材质履带，标准的铝质辐射屏蔽材料，100kW微波发射器，完全自动化运行，能将污泥含水率从85%降至10%。改变进料方式或停留时间，可以实现污泥的全干化或半干化。电能占总能耗的90%，使用干料返混工艺，能效可达80%。测试显示，干化污泥中100%的病原菌被杀灭，而营养成分没有改变。图1BurchBioWave®微波干化设备由于微波干燥效果可控，干燥速度快，产品质量好，能效高，完全自动化，所以得到越来越多的研究和应用。至2007年，美国俄亥俄州有3家处理厂使用了该微波干化设备。2.3太阳能热泵联合干化技术太阳能干化技术是环保部、住房及城乡建设部支持下的，国家高新技术计划、国家重点新产品计划、建设部科技攻关项目等多个国家级项目的重点研究课题。太阳能干化技术的核心是利用廉价的太阳能进行污泥干化。其干化过程如下：太阳能辐射加热，使污泥水分蒸发；利用通风系统排出室内湿空气，降低污泥表面空气湿度；当污泥含水率减至40%~60%时，污泥好氧发酵加速干化。太阳能干化技术与传统热干化技术相比，主要优点在于：能耗小，运行管理费用低；低温干化，农用价值高；运行稳定安全，灰尘少；操作维护简单；清洁能源，符合可持续发展需要。不过其缺点也十分突出：占地面积大；在大多情况下有臭气产生；处理效果受天气和季节影响较大［4］。为了克服太阳能干化的缺点，同时利用温室大棚的密闭性，特将热泵干燥技术引入其中。热泵系统［5］（见图2）由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成。系统内运行的工质在蒸发器中吸取湿热空气中的热量，从低压液态工质蒸发成低压蒸汽，经压缩机增压成为高温高压蒸汽；在冷凝器中高温高压工质蒸汽冷凝释放热量进入干燥气体，而工质自身变成高压液体，流过节流装置，由于阻塞效应使得工质变回低压低温液体，进入蒸发器中；如此反复循环，将低温热量输送到高温介质中去，形成热泵循环。在热量传递的同时，干燥室内的相对湿度因为冷凝水的排出不断降低，从而物料的水分得到去除。高温干燥气体被干物料冷凝器湿热气体冷凝水排出节流装置压缩机蒸发器图2热泵系统示意图李家祥，贺阳，范跃华：4种污泥干化技术及设备的比较与展望822013年第1期热泵干燥系统工作温度为50~85℃，没有湿热空气的排放，通过2个密闭循环系统，物料中的水分最终以液态水排除，既节约能源，又不污染环境。热泵性能系数KCOP=冷凝器供热量/压缩机功耗=4~5，即热泵提高热量是电耗热量的4~5倍；热泵比脱水率ηWPE=脱水量/热泵能耗=5~6，即每千瓦小时电可脱水5~6kg。干化过程中产生的有害臭气可以做到不外泄，有利于在居民点附近进行干化操作。热泵技术能有效地克服天气和季节对太阳能干化的影响，同时解决了污泥堆晒产生臭气的问题，并且能耗低。太阳能和热泵两者的联合应用是比较有前途的新兴技术，受到国内外学者的重视。太阳能热泵联合干化技术采用大流量强制通风系统并附加气体收集和除臭装置，半自动或全自动翻泥机经常性翻新污泥蒸发面并供氧，以及空气集热和热泵系统以适应不同天气和不同季节下的干化作业，实现了太阳能污泥干化高效连续地运行。在无除臭系统的条件下，蒸发1t水耗电量仅为25~30kWh，而传统热干化技术则为800~1060kWh，节能显著。2.4生石灰干化技术生石灰在与污泥内的水分发生化学反应时，1kg生石灰能以化学形式结合去除0.32kg的水，另外，所产生的反应热又可蒸发去除0.5kg水。设初始污泥含水率为A，干化污泥含水率为B，石灰与污泥配比为x，则理论石灰投加比（1）由式（1）可得，要使污泥含水率80%降至40%，理论石灰投加比x≈0.39，即1t污泥需0.39t石灰。生石灰市场价格为300~600元/t，则药剂成本为120~240元/t。反应中较高的温度和碱度，使得病菌和微生物减少，实现污泥的无害化处理。加入石灰后的污泥体积有所增加，但水的蒸发、变化不明显。干化产品一般用作酸性土壤的改良剂或建筑材料。工艺过程为：控制系统根据进出污泥含水率确定最佳配料比，控制电子称对污泥和活性石灰分别计量，称重后两者投加至搅拌筒内进行充分搅拌；搅拌完成后输送至反应釜内进行反应：CaO+H2O→Ca(OH)2，反应时温度逐渐上升，最高可达到102~105℃。此时反应釜内产生大量的气体，当温度达到102℃时，控制系统将排气阀开启，废气带走部分水分，余热回收后通过废气处理系统排出；当反应釜内温度下降至100℃（也可用户自设）时控制系统关闭阀门。石灰稳定干化后，污泥含水率可迅速降低到40%左右，污泥堆置8d后，含水率最多可降至5%；干化后有机含量降低明显，堆置5d大肠杆菌和粪大肠杆菌均未检出［6］。3污泥干化技术比较与展望根据文献资料，对上述4种干化技术与传统的热干化方法进行技术经济比较（见表1）。表1污泥干化技术的比较项目传统热干化转盘式热干化微波干化太阳能热泵联合干化生石灰干化能耗高，3100~3500kJ/kg水，能效64%~73%较高，2750~3000kJ/kg水，能效73%~78%较高，90%为电能，能效约80%低，辅助系统用电25~30kWh/t水低，搅拌和控制系统用电单位投资①/万元·t-1·a-1较高，10~15较高，10~15较低，9~12高，45~60比热干化低，10~12运行费用②/元·t-1高，600~850较高，600~700较高，550~650低，80~100中，150~300劳动力少少少较多较热干化多占地小小小大较大产品体积为原体积的1/4~1/5为原体积的1/4~1/5为原体积的1/4~1/5为原体积的1/4~1/5所加石灰抵消了蒸发的水分，故体积基本不变产品肥分高温干化，养分物质流失较多低温干化，挥发性物质有部分流失低温干化，挥发性物质有部分流失低温干化，农用价值高添加碱性物质使养分含量下降，pH值升高产品外观颗粒状或粉状颗粒状粉状颗粒状或粉状无定型膨松状环境影响设备密闭运行，气体经过严格除臭除尘排放设备密闭运行，车间负压，少量气体经过严格除臭除尘排放基本无臭密闭空气条件下操作，需设置除臭设备有一定的臭味处理周期一般30min一般30min一般30min2~7d，略受天气影响碱性稳定,后腐熟风干5~8d天气影响无无无略受天气和气温影响需堆放腐熟，故受天气影响技术难度和测试全自控、易操作、运行稳定全自控、易操作、运行稳定全自控、易操作、运行稳定全自控、易操作污泥性质对石灰投加比影响较大安全防粉尘爆炸防粉尘爆炸防粉尘爆炸常温安全需防腐蚀注：①单位投资包括场地征用费、设备费用等，t为干重单位；②运行费用含能耗、人工费、折旧费等，电价以0.8元/kWh计，t为处理污泥重量单位。李家祥，贺阳，范跃华：4种污泥干化技术及设备的比较与展望832013年第1期1）太阳能和生石灰干化技术能耗最低，常规热干化技术能耗最高；微波干化技术虽然能效高，但耗能以电能为主，相比热干化可使用价格更低的煤炭或废热提供能源而言并不一定经济。2）太阳能干化技术占地面积大，导致投资费用最高，不过其运行费用最低，且利用清洁能源符合可持续发展需要，性价比较高。3）微波干化和热干化设备投资较大，运行费用高，但处理效率快。4）生石灰干化方法的主要问题是操作环境较差。由于干化工艺的选择主要取决于污泥的最终处置方式，所以在满足一定的干化率、无二次污染的前提下，应充分利用废热、厌氧消化气等能源，以