陳　成，司丹丹，李　歡，陳清武

(1.廣東浩元環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，深圳　518055；2. 深圳市環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳　518055)

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· 試驗(yàn)研究 ·

低溫干化床污泥干化特性及優(yōu)化方案

陳成1,2，司丹丹2，李歡2，陳清武1

(1.廣東浩元環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，深圳518055；2. 深圳市環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055)

由于污泥熱干化所需能耗較高，而傳統(tǒng)的太陽能干化周期較長，采用集熱式太陽能干化能夠有效降低干化成本，提高干化效率。為了獲得該方式下低溫干化床污泥干燥特性，設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)裝置，分析了在不同污泥層厚度、翻泥頻率、干化床溫度等條件下污泥干化床的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干化床單位面積的干燥能力隨著污泥層厚度的增加而減少，污泥層的最佳厚度為10 cm；在干化過程中，翻泥能夠促進(jìn)污泥內(nèi)部水分的擴(kuò)散與蒸發(fā)，為節(jié)約翻泥能耗，以12 h的翻泥間隔為最優(yōu)；溫度對污泥干化速率的影響明顯，水溫70℃時(shí)其干化速率明顯高于50℃、60℃時(shí)，但是需要較多額外輔助能源，為充分利用太陽能，適宜采用60℃作為干化床溫度。

太陽能；污泥干燥；干化床

污泥干化是實(shí)現(xiàn)污泥含水率降低的有效方法，是污泥處理處置及資源化利用的前提[1]。污泥干化包括熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化及熱泵干化等，其中應(yīng)用最廣泛的為熱干化技術(shù)[2]。傳統(tǒng)的機(jī)械熱干化方式干化效率較高，但是所需能耗也較高。Bux.M等[3～5]人研究表明傳統(tǒng)的熱干化所需熱能耗約為800～1 000 kWh/t水，相對的，如果加熱能耗可由太陽能提供，則剩下部分電耗僅為70～90 kWh/t水，可以大大降低污泥干化成本。因此，在條件適宜的地區(qū)，采用太陽能代替常規(guī)化石能源干化污泥，能夠有效降低干化成本，實(shí)現(xiàn)污泥的低碳處理。

污泥太陽能干化系統(tǒng)由暖房結(jié)構(gòu)、通風(fēng)系統(tǒng)、翻泥系統(tǒng)等組成，有時(shí)還增設(shè)輔助加熱系統(tǒng)來提高干化效率，如紅外燈、熱泵、儲熱裝置等[6]。太陽能干化系統(tǒng)主要包括溫室型和集熱式兩類，這兩種方式可以結(jié)合使用，還可與其它常規(guī)能源、熱泵等聯(lián)合應(yīng)用[7]。溫室型太陽能干化系統(tǒng)簡單、運(yùn)行成本低，目前多數(shù)太陽能干化項(xiàng)目采用這種模式，但該方法占地面積大，干化時(shí)間隨季節(jié)和天氣波動大，僅適合太陽能輻射強(qiáng)度常年較大的地區(qū)。Mathioudakis等[8]人利用溫室型太陽能干化污泥，在夏季將污泥含水率由88%降至6%需要7～12 天，而在冬季將含水率降至10%需要9～33 天。考慮到太陽能間斷、非穩(wěn)定供應(yīng)的特性[9]，可以采用蓄熱裝置[10]，將白天富余的太陽能儲存起來供夜晚干燥作業(yè)使用。這種集熱式太陽能干化系統(tǒng)首先將太陽能轉(zhuǎn)換成熱水，使熱水在污泥干化床底部循環(huán)流動，通常還輔以熱泵或沼氣燃燒等方式保持水溫恒定。這樣，污泥干化得以穩(wěn)定進(jìn)行，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制。在這種集熱式太陽能干化系統(tǒng)中，低溫干化床是工藝的核心環(huán)節(jié)，但目前對該條件下污泥的干燥特性還缺乏研究。

本研究結(jié)合某示范工程建設(shè)需求，開展模擬實(shí)驗(yàn)，探索低溫干化床對脫水污泥的干燥效果，分析不同工藝參數(shù)對干燥效果的影響規(guī)律，為集熱式太陽能干燥污泥項(xiàng)目提供優(yōu)化運(yùn)行方案。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用深圳市某污水處理廠的脫水污泥為實(shí)驗(yàn)對象，其含水率約為76%，有機(jī)質(zhì)含量約為55%。

1.2模擬裝置

干燥實(shí)驗(yàn)用模擬溫室尺寸為800 mm(長)×600 mm(寬)×600 mm(高)，如圖1所示。溫室材料采用有機(jī)玻璃(導(dǎo)熱系數(shù)0.14～0.20 w/(m·k))，在頂部和側(cè)面各開直徑為100 mm的通風(fēng)口并安裝風(fēng)機(jī)，用于促進(jìn)干化室內(nèi)空氣的流通。溫室底部為干化床，其結(jié)構(gòu)包括三層，底層鋪設(shè)聚乙烯保溫材料(導(dǎo)熱系數(shù)0.035 w/(m·k))，中間層為管徑為20 mm的耐熱聚乙烯并排熱水管，鋪設(shè)間距為100 mm，頂層為導(dǎo)熱性能良好的陶瓷地磚(導(dǎo)熱系數(shù)1～2 w/(m·k))。熱水循環(huán)系統(tǒng)由一個(gè)小型水泵和尺寸為400 mm×400 mm×400 mm的熱水箱組成，熱水采用電加熱控制溫度。

圖1　干化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Equipment of drying experiment

1.3干化實(shí)驗(yàn)方案

用電子天平稱取一定量污泥，分別放入不同高度的長方形不銹鋼鐵盒里，置于干化室內(nèi)，通過底部熱水循環(huán)散熱傳遞熱量給污泥層使其溫度升高，同時(shí)通過向溫室內(nèi)通風(fēng)帶走水分，當(dāng)含水率降至40%時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。污泥干化時(shí)間主要受污泥層厚度、干化溫度、翻泥頻次、通風(fēng)速率的影響?？紤]到風(fēng)速過大會使污泥表面結(jié)殼，降低干燥速率，有研究[11]表明風(fēng)速宜控制在0.2～1.0 m/s，本實(shí)驗(yàn)中將控制污泥表面風(fēng)速為0.4 m/s。Mathioudakis等[8]人在溫室型太陽能干化實(shí)驗(yàn)中設(shè)置污泥層厚度為25 cm，其溫室內(nèi)溫度可達(dá)35℃～60℃；孫林波等[12]人在太陽能-中水熱泵中試試驗(yàn)中設(shè)置污泥層厚度為5～25 cm，控制熱水溫度為40℃～45℃，其室內(nèi)空氣溫度的變化范圍在11.6℃～35.6℃之間；Oikonomidis等[4]人在Pafos污水廠內(nèi)建設(shè)了面積為3 853 m2溫室型太陽能干化室，污泥層厚度小于15 cm，夏季室內(nèi)溫度變化范圍為20℃～45℃。參照以上文獻(xiàn)，將本實(shí)驗(yàn)中污泥層厚度設(shè)計(jì)為5、10、15、20、25、30 cm 6個(gè)工況。根據(jù)溫室型太陽能干化裝置所能達(dá)到的室內(nèi)溫度，將本實(shí)驗(yàn)的熱水溫度設(shè)計(jì)為50℃、60℃、70℃。通常太陽能集熱器出水溫度能達(dá)到55℃，實(shí)踐中可利用沼氣或者其它常規(guī)能源補(bǔ)充加熱至所需溫度。實(shí)驗(yàn)工況具體安排如下表所示。

表　實(shí)驗(yàn)工況

通過第一組實(shí)驗(yàn)根據(jù)污泥干燥速率、干化床單位面積處理量得出最佳的污泥層厚度，再進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)，通過比較干燥速率、翻泥機(jī)能耗得出最佳翻泥頻次，最后進(jìn)行第三組實(shí)驗(yàn)，根據(jù)污泥干燥速率選擇最佳的干燥溫度。實(shí)驗(yàn)過程中，每次翻泥時(shí)稱量污泥的重量，測定污泥層溫度，并讀取干燥室內(nèi)外溫度及濕度。

1.4分析方法

污泥干燥效果以干燥速率、單位面積干燥能力及能耗來衡量。干燥速率以單位時(shí)間干基含水率的變化量表示，計(jì)算公式如下：

式中，X為干基含濕率，kgH2O/kgDS；dX/dt為干燥速率，kgH2O/(kgDS·h)；t表示相應(yīng)時(shí)刻。

工程上以單位時(shí)間單位面積處理污泥量來衡量處理設(shè)備的干燥能力，計(jì)算公式如下：

式中，N為單位面積處理能力，m3濕污泥/(m2·d)；△m為濕污泥量，m3；△t 為污泥干燥至目標(biāo)含水率(本文以40%計(jì))所需時(shí)間，d；s為濕污泥在不同鋪設(shè)厚度下所需面積，m2。

2　結(jié)果與分析

2.1污泥層厚度的影響

圖2為不同污泥層厚度的干燥曲線，由圖可知在60℃加熱溫度下，污泥的含水率由76%降至40%，厚度為5、10、15、20、25、30cm的污泥層所需的干化時(shí)間分別為52、112、216、304、434、506h。污泥層較薄時(shí)(5、10cm)，內(nèi)部水分?jǐn)U散到污泥表面的速率較快，在干化初期內(nèi)部水分?jǐn)U散速率大于表面水分蒸發(fā)速率，隨著污泥層溫度的升高，表面水分蒸發(fā)速率增大，干燥速率相應(yīng)增大，干化后期污泥內(nèi)部水分遷移速率減小，因此干燥速率表現(xiàn)為下降趨勢(圖3)。當(dāng)污泥層較厚時(shí)(15cm及以上)，污泥層內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的阻力較大，其內(nèi)部水分?jǐn)U散速率低于表面水分蒸發(fā)速率，其干化緩慢但平穩(wěn)，整個(gè)干化過程取決于內(nèi)部水分遷移速率，呈勻速干化狀態(tài)(圖3)。

圖2　不同污泥層厚度下的干燥曲線Fig.2　Drying curves under different sludge-layer thicknesses

圖3　不同污泥層厚度下的干燥速率變化曲線Fig.3　Drying rate variation curves under different sludge-layer thicknesses

理論上，污泥層越薄，干燥速率應(yīng)越大，但對于污泥處理而言，還需要考慮減少操作成本和設(shè)施占地面積。圖4為采用不同厚度污泥層時(shí)干化床單位面積的干燥能力?？梢钥闯?，隨著污泥層厚度的增加干燥能力總體呈下降趨勢。據(jù)此可以估算太陽能干化床所需面積，例如處理1 m3含水率80%的脫水污泥，采用5、10、15、20、25、30 cm鋪泥厚度所需干化床面積分別為43、48、60、63、72、70 m2。盡管當(dāng)污泥層厚度為5 cm時(shí)其干化時(shí)間最短，單位面積干燥能力最大，但是由于污泥翻泥機(jī)在污泥層厚度小于8 cm時(shí)工作效率不理想，因此10 cm為最佳污泥層厚度。孫林波等[12]人試驗(yàn)結(jié)果也表明，污泥層厚度為10 cm時(shí)，翻泥機(jī)的攤鋪效率與干燥效率能夠達(dá)到最佳協(xié)同效果。在實(shí)際工程中，污泥層厚度的選擇還可以結(jié)合天氣條件、處理需求、場地面積等綜合考慮。

圖4　不同污泥層厚度下干化床的單位面積處理能力Fig.4　The processing capacity per unit area of the drying bed under different sludge-layer thicknesses

2.2翻泥頻次的影響

不同翻泥頻次對干燥速率的影響如圖5所示。污泥含水率由76%降至40%時(shí)，不同翻泥頻次所需干化時(shí)間的差距較小，其中間隔6 h翻泥一次的干化時(shí)間最短約為120 h。增加翻泥頻次，可以避免污泥層表面結(jié)殼，促進(jìn)水分蒸發(fā)，提高干化效率。然而相對于6 h的翻泥間隔，4 h翻泥間隔所需干化時(shí)長反而增加至126 h。引起這種現(xiàn)象的原因可能是翻泥頻次過快使污泥內(nèi)部溫度降低，減緩了內(nèi)部水分的擴(kuò)散速率，進(jìn)而降低干化效率。在整個(gè)干化周期，4、6、8、12 h不同翻泥間隔下所需的翻泥次數(shù)分別為32次、20次、17次、11次。污泥太陽能干化過程的電能消耗中翻泥所需能耗約占28%～40%左右[8-9]，減少翻泥次數(shù)能有效降低干化能耗，若選擇12 h的翻泥間隔，則翻泥能耗相對于6 h節(jié)省45%，總能耗節(jié)省約12%～18%。

圖5　不同翻泥頻次下的干燥曲線Fig.5　Drying curves under different stirring frequencies

12 h的翻泥間隔其所需能耗最低，6 h的翻泥間隔其干化效率最高。在實(shí)際工程中，還需考慮污泥翻拋機(jī)性能，因?yàn)槲勰鄼C(jī)在每次翻泥過程中都會將污泥往干化方向推進(jìn)一定的距離，不同的處理規(guī)模其干化床的寬度不定，那么污泥在干化時(shí)間內(nèi)由干化起始端推進(jìn)至干化結(jié)束端所需的推進(jìn)次數(shù)將會不同。因此，翻泥頻次的選擇還需結(jié)合實(shí)際工程計(jì)算而得。

2.3干化溫度的影響

干化床水溫對污泥干化的影響如圖6所示。水溫70℃時(shí)污泥的干燥速率較50℃和60℃度時(shí)明顯提高，將含水率由77%降至40%所需時(shí)間約90 h，干燥速率較60℃約提高25%。水溫70℃、60℃、50℃時(shí)污泥層平均溫度分別為39℃、38℃、31℃，干燥室內(nèi)空氣平均溫度約為31℃、30℃、27℃。加熱水溫越高污泥層溫度及室內(nèi)溫度將越高，干燥速率也越大。有研究[13]表明，在污泥干化的預(yù)熱階段和恒速階段，主要為表面水分汽化，這一階段干燥速率主要受表面水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)的影響，加熱溫度越高擴(kuò)散系數(shù)越大。對比70℃、60℃、50℃條件下污泥層平均溫度及室內(nèi)平均溫度可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溫由50℃升高到60℃時(shí)，污泥層及室內(nèi)溫度分別提高為7℃和3℃，而當(dāng)水溫由60℃升高到70℃時(shí)，污泥層及室內(nèi)溫度提高僅1℃。

圖6　不同溫度下的干燥曲線Fig.6　Drying curves under different temperatures

污泥干燥室為相對封閉狀態(tài)，在污泥干燥過程中，熱水管向外不斷散發(fā)熱量，可使污泥層溫度與室內(nèi)溫度升高，同時(shí)隨著水分的蒸發(fā)空氣濕度相應(yīng)增大。如圖7所示，室內(nèi)空氣的溫度受室內(nèi)散熱量與室外溫度的影響，在整個(gè)干燥過程中，室內(nèi)外溫濕度波動均較小；而干燥速率變化主要取決于污泥干化程度。

圖7　室內(nèi)外溫度與干燥速率變化曲線Fig.7　Variation of drying rate under indoor and outdoor temperature

空氣濕度大小反應(yīng)了其攜濕能力的大小，當(dāng)空氣濕度大時(shí)，單位空氣量能夠攜帶走的水分將會減少，則蒸發(fā)單位質(zhì)量的水分所需要的空氣量將會增多，即需要提高通風(fēng)量才能達(dá)到設(shè)定的干化效果；相反，空氣濕度小則可減小通風(fēng)量，從而降低能耗。在本實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)平均相對濕度為62.7%，室外平均相對濕度為56.5%，干化過程中水分的蒸發(fā)可使室內(nèi)相對濕度比室外相對濕度約高出2%～17%。實(shí)驗(yàn)中，污泥鋪設(shè)厚度為10 cm，干化時(shí)間為5 d，每天處理的污泥量為1.3 kg時(shí)，通過物料和熱量核算得出所需空氣量為222 m3/d，理論通風(fēng)速率為0.33 m/s，與實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的0.4 m/s接近。因此，在方案設(shè)計(jì)中可采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)30℃～40℃為干燥室內(nèi)計(jì)算溫度，室內(nèi)外相對濕度差可取2%～17%，通過計(jì)算可得出理論空氣需求量。為了減少通風(fēng)熱損失量且降低系統(tǒng)能耗，可選擇濕度差上限為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3　優(yōu)化方案

實(shí)際工程中，由于太陽能輻射的不連續(xù)性，通常需添加輔助能源補(bǔ)充太陽能的不足，可以考慮將污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣作為補(bǔ)充能源之一。從節(jié)能環(huán)保的前提出發(fā)，若按沼氣(常規(guī)能源)和太陽能分別提供1/3和2/3的能量計(jì)算，沼氣能夠?qū)崴?0℃加熱至100℃，而太陽能熱水器只能提供最高55℃的熱水，在不添加常規(guī)能源的條件下，經(jīng)過熱量平衡計(jì)算:

式中：c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；m1、m2分別為輔助能源加熱的熱水質(zhì)量和太陽能加熱的熱水質(zhì)量，kg。

采用保溫水箱，因此熱水混合過程中的熱損失在計(jì)算中可忽略，那么由沼氣(常規(guī)能源)加熱所得質(zhì)量為m1的100℃的熱水與太陽能加熱所得質(zhì)量為m2的55℃熱水混合后能夠得到溫度為T混：

cm1(100-T混)=cm2(T混-55)

T混=63.1

可以得出系統(tǒng)所能提供的最高溫度為63℃。同理，若需要得到70℃的熱水，則所需沼氣能(常規(guī)能源)與太陽能能量比為8/7。太陽能集熱式干化污泥技術(shù)的目的是利用免費(fèi)的太陽能降低干化成本，輔助能源的添加是為了達(dá)到更好的干化效果，但是其添加比例過大反而會增加干化成本。

若是污泥干化前增加厭氧消化工藝，利用其產(chǎn)生的沼氣作為輔助能源，那么可以根據(jù)沼氣產(chǎn)量計(jì)算所能提供的最高溫度。在低有機(jī)質(zhì)污泥的高固體厭氧消化中，沼氣產(chǎn)率約為0.4m3/kgVS[14-15]，以處理1m3含水率80%的脫水污泥為例，有機(jī)質(zhì)含量取55%，經(jīng)厭氧消化可產(chǎn)生的沼氣含量為：

V=0.4×1000×20%×55%=44 m3

沼氣熱值為20～25MJ/m2，取22MJ/m2，沼氣利用效率按80%計(jì)，得出沼氣能提供的熱量為：

Q沼氣=44×22×80%=0.77×106kJ

干化污泥層溫度按實(shí)驗(yàn)結(jié)果取為40℃，污泥初始溫度取20℃，則污泥干化所需熱量為：

Q=c污泥·m泥·△t+L·m水=3.62×1000×(40-20)+2402×{1000-1000×20%/(1-40%)}=1.67×106kJ

式中，c污泥為含水率80%的污泥比熱容，kJ/kg·℃；△t為污泥在干化床中被加熱所提高的溫度，℃；L為40℃水的汽化潛熱，kJ/kg；m水為污泥由含水率80%降至40%所需蒸發(fā)的水分質(zhì)量，kg。

在污泥干化過程中的熱損失(散熱和通風(fēng))以30%計(jì)，則干化系統(tǒng)所需熱量為2.17×106kJ，則太陽能提供的熱量需為1.4×106kJ按前述的熱量平衡計(jì)算方法可得，由沼氣和太陽能加熱所得混合熱水溫度為64℃。

因此，在污泥消化與干化聯(lián)合的工藝中若不添加常規(guī)能源，將無法提供70℃熱水，從充分利用清潔能源降低干化成本的角度出發(fā)，可選取60℃作為最佳的干化溫度。

4　結(jié)　論

4.1采用低溫干化床干化污泥，將含水率為76%的脫水污泥干化至含水率為40%的過程中，污泥層厚度、干化溫度、翻泥頻次是影響干燥速率的主要因素。

4.2污泥層厚度越薄，單位面積的處理能力越高，在工程中宜采用10cm為污泥層最佳鋪設(shè)厚度

4.3翻泥可促進(jìn)污泥水分蒸發(fā)，翻泥間隔越長所需能耗越低，但以間隔6h時(shí)干燥速率最大，間隔12h能耗最低。

4.4溫度越高，干燥速率越大，為充分利用太陽能集熱器，干化溫度宜為60℃；

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Characteristics and Optimization of Sludge Drying Bed Using Solar Collector

CHEN Cheng1,2, SI Dan-dan2, LI Huan2, CHEN Qing-wu1

(1.GuangdongHaoyuanEnvironmentalProtectionTechnologyDevelopmentCo.,Ltd,Shenzhen518055,China; 2.KeyLaboratoryofMicroorganismApplication&RiskControlofShenzhen,GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China)

Since sludge heat drying consumes high energy and traditional solar sludge drying takes long drying period, solar collector can be used to reduce the cost for sludge drying and improve the drying efficiency. In order to get the feature of low-temperature drying bed, a device simulating the conditions of solar collector drying was designed to analyze the performance of sludge drying under different sludge-layer thicknesses, temperatures and stirring frequencies. The results show that the processing capacity per unit area is reduced along with the increase of the sludge-layer thickness， the optimal thickness of sludge layer is 10cm. In the drying process, periodic stirring can promote the diffusion and evaporation of internal water in the sludge, for energy consumption reduction, the optimal stirring frequency is once every 12 hours. In addition, temperature has obvious impact on sludge-drying rate. The drying rate is significantly higher when the temperature of hot water was 70℃ than when it was 50℃ or 60℃. However, more additional auxiliary power was needed to provide hotter water. Therefore, to make full use of solar energy, the optimal heating temperature of drying bed is 60℃ .

Solar energy; sludge drying; drying bed

2016-05-23

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX0730 2001);國家自然科學(xué)基金(51008174);深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JSGG20130918153404812)。

陳成(1988-)，女，重慶人，清華大學(xué)深圳研究生院能源與環(huán)境學(xué)部環(huán)境工程專業(yè)2013級在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣腆w廢物處理處置。

李歡，lihuansz@qq.com。

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1001-3644(2016)05-0001-06