低温干化床污泥干化特性及优化方案

陈　成，司丹丹，李　欢，陈清武

(1.广东浩元环保科技发展有限公司，深圳　518055；2. 深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室 清华大学深圳研究生院，深圳　518055)



· 试验研究 ·

低温干化床污泥干化特性及优化方案

陈成1,2，司丹丹2，李欢2，陈清武1

(1.广东浩元环保科技发展有限公司，深圳518055；2. 深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室 清华大学深圳研究生院，深圳518055)

由于污泥热干化所需能耗较高，而传统的太阳能干化周期较长，采用集热式太阳能干化能够有效降低干化成本，提高干化效率。为了获得该方式下低温干化床污泥干燥特性，设计了模拟实验装置，分析了在不同污泥层厚度、翻泥频率、干化床温度等条件下污泥干化床的表现。实验结果表明，干化床单位面积的干燥能力随着污泥层厚度的增加而减少，污泥层的最佳厚度为10 cm；在干化过程中，翻泥能够促进污泥内部水分的扩散与蒸发，为节约翻泥能耗，以12 h的翻泥间隔为最优；温度对污泥干化速率的影响明显，水温70℃时其干化速率明显高于50℃、60℃时，但是需要较多额外辅助能源，为充分利用太阳能，适宜采用60℃作为干化床温度。

太阳能；污泥干燥；干化床

污泥干化是实现污泥含水率降低的有效方法，是污泥处理处置及资源化利用的前提[1]。污泥干化包括热干化、太阳能干化、微波加热干化、超声波干化及热泵干化等，其中应用最广泛的为热干化技术[2]。传统的机械热干化方式干化效率较高，但是所需能耗也较高。Bux.M等[3～5]人研究表明传统的热干化所需热能耗约为800～1 000 kWh/t水，相对的，如果加热能耗可由太阳能提供，则剩下部分电耗仅为70～90 kWh/t水，可以大大降低污泥干化成本。因此，在条件适宜的地区，采用太阳能代替常规化石能源干化污泥，能够有效降低干化成本，实现污泥的低碳处理。

污泥太阳能干化系统由暖房结构、通风系统、翻泥系统等组成，有时还增设辅助加热系统来提高干化效率，如红外灯、热泵、储热装置等[6]。太阳能干化系统主要包括温室型和集热式两类，这两种方式可以结合使用，还可与其它常规能源、热泵等联合应用[7]。温室型太阳能干化系统简单、运行成本低，目前多数太阳能干化项目采用这种模式，但该方法占地面积大，干化时间随季节和天气波动大，仅适合太阳能辐射强度常年较大的地区。Mathioudakis等[8]人利用温室型太阳能干化污泥，在夏季将污泥含水率由88%降至6%需要7～12 天，而在冬季将含水率降至10%需要9～33 天。考虑到太阳能间断、非稳定供应的特性[9]，可以采用蓄热装置[10]，将白天富余的太阳能储存起来供夜晚干燥作业使用。这种集热式太阳能干化系统首先将太阳能转换成热水，使热水在污泥干化床底部循环流动，通常还辅以热泵或沼气燃烧等方式保持水温恒定。这样，污泥干化得以稳定进行，便于系统设计和控制。在这种集热式太阳能干化系统中，低温干化床是工艺的核心环节，但目前对该条件下污泥的干燥特性还缺乏研究。

本研究结合某示范工程建设需求，开展模拟实验，探索低温干化床对脱水污泥的干燥效果，分析不同工艺参数对干燥效果的影响规律，为集热式太阳能干燥污泥项目提供优化运行方案。

1　实验材料和方法

1.1实验材料

采用深圳市某污水处理厂的脱水污泥为实验对象，其含水率约为76%，有机质含量约为55%。

1.2模拟装置

干燥实验用模拟温室尺寸为800 mm(长)×600 mm(宽)×600 mm(高)，如图1所示。温室材料采用有机玻璃(导热系数0.14～0.20 w/(m·k))，在顶部和侧面各开直径为100 mm的通风口并安装风机，用于促进干化室内空气的流通。温室底部为干化床，其结构包括三层，底层铺设聚乙烯保温材料(导热系数0.035 w/(m·k))，中间层为管径为20 mm的耐热聚乙烯并排热水管，铺设间距为100 mm，顶层为导热性能良好的陶瓷地砖(导热系数1～2 w/(m·k))。热水循环系统由一个小型水泵和尺寸为400 mm×400 mm×400 mm的热水箱组成，热水采用电加热控制温度。

图1　干化实验装置Fig.1　Equipment of drying experiment

1.3干化实验方案

用电子天平称取一定量污泥，分别放入不同高度的长方形不锈钢铁盒里，置于干化室内，通过底部热水循环散热传递热量给污泥层使其温度升高，同时通过向温室内通风带走水分，当含水率降至40%时停止实验。污泥干化时间主要受污泥层厚度、干化温度、翻泥频次、通风速率的影响。考虑到风速过大会使污泥表面结壳，降低干燥速率，有研究[11]表明风速宜控制在0.2～1.0 m/s，本实验中将控制污泥表面风速为0.4 m/s。Mathioudakis等[8]人在温室型太阳能干化实验中设置污泥层厚度为25 cm，其温室内温度可达35℃～60℃；孙林波等[12]人在太阳能-中水热泵中试试验中设置污泥层厚度为5～25 cm，控制热水温度为40℃～45℃，其室内空气温度的变化范围在11.6℃～35.6℃之间；Oikonomidis等[4]人在Pafos污水厂内建设了面积为3 853 m2温室型太阳能干化室，污泥层厚度小于15 cm，夏季室内温度变化范围为20℃～45℃。参照以上文献，将本实验中污泥层厚度设计为5、10、15、20、25、30 cm 6个工况。根据温室型太阳能干化装置所能达到的室内温度，将本实验的热水温度设计为50℃、60℃、70℃。通常太阳能集热器出水温度能达到55℃，实践中可利用沼气或者其它常规能源补充加热至所需温度。实验工况具体安排如下表所示。

表　实验工况

通过第一组实验根据污泥干燥速率、干化床单位面积处理量得出最佳的污泥层厚度，再进行第二组实验，通过比较干燥速率、翻泥机能耗得出最佳翻泥频次，最后进行第三组实验，根据污泥干燥速率选择最佳的干燥温度。实验过程中，每次翻泥时称量污泥的重量，测定污泥层温度，并读取干燥室内外温度及湿度。

1.4分析方法

污泥干燥效果以干燥速率、单位面积干燥能力及能耗来衡量。干燥速率以单位时间干基含水率的变化量表示，计算公式如下：

式中，X为干基含湿率，kgH2O/kgDS；dX/dt为干燥速率，kgH2O/(kgDS·h)；t表示相应时刻。

工程上以单位时间单位面积处理污泥量来衡量处理设备的干燥能力，计算公式如下：

式中，N为单位面积处理能力，m3湿污泥/(m2·d)；△m为湿污泥量，m3；△t 为污泥干燥至目标含水率(本文以40%计)所需时间，d；s为湿污泥在不同铺设厚度下所需面积，m2。

2　结果与分析

2.1污泥层厚度的影响

图2为不同污泥层厚度的干燥曲线，由图可知在60℃加热温度下，污泥的含水率由76%降至40%，厚度为5、10、15、20、25、30cm的污泥层所需的干化时间分别为52、112、216、304、434、506h。污泥层较薄时(5、10cm)，内部水分扩散到污泥表面的速率较快，在干化初期内部水分扩散速率大于表面水分蒸发速率，随着污泥层温度的升高，表面水分蒸发速率增大，干燥速率相应增大，干化后期污泥内部水分迁移速率减小，因此干燥速率表现为下降趋势(图3)。当污泥层较厚时(15cm及以上)，污泥层内部水分向表面扩散的阻力较大，其内部水分扩散速率低于表面水分蒸发速率，其干化缓慢但平稳，整个干化过程取决于内部水分迁移速率，呈匀速干化状态(图3)。

图2　不同污泥层厚度下的干燥曲线Fig.2　Drying curves under different sludge-layer thicknesses

图3　不同污泥层厚度下的干燥速率变化曲线Fig.3　Drying rate variation curves under different sludge-layer thicknesses

理论上，污泥层越薄，干燥速率应越大，但对于污泥处理而言，还需要考虑减少操作成本和设施占地面积。图4为采用不同厚度污泥层时干化床单位面积的干燥能力。可以看出，随着污泥层厚度的增加干燥能力总体呈下降趋势。据此可以估算太阳能干化床所需面积，例如处理1 m3含水率80%的脱水污泥，采用5、10、15、20、25、30 cm铺泥厚度所需干化床面积分别为43、48、60、63、72、70 m2。尽管当污泥层厚度为5 cm时其干化时间最短，单位面积干燥能力最大，但是由于污泥翻泥机在污泥层厚度小于8 cm时工作效率不理想，因此10 cm为最佳污泥层厚度。孙林波等[12]人试验结果也表明，污泥层厚度为10 cm时，翻泥机的摊铺效率与干燥效率能够达到最佳协同效果。在实际工程中，污泥层厚度的选择还可以结合天气条件、处理需求、场地面积等综合考虑。

图4　不同污泥层厚度下干化床的单位面积处理能力Fig.4　The processing capacity per unit area of the drying bed under different sludge-layer thicknesses

2.2翻泥频次的影响

不同翻泥频次对干燥速率的影响如图5所示。污泥含水率由76%降至40%时，不同翻泥频次所需干化时间的差距较小，其中间隔6 h翻泥一次的干化时间最短约为120 h。增加翻泥频次，可以避免污泥层表面结壳，促进水分蒸发，提高干化效率。然而相对于6 h的翻泥间隔，4 h翻泥间隔所需干化时长反而增加至126 h。引起这种现象的原因可能是翻泥频次过快使污泥内部温度降低，减缓了内部水分的扩散速率，进而降低干化效率。在整个干化周期，4、6、8、12 h不同翻泥间隔下所需的翻泥次数分别为32次、20次、17次、11次。污泥太阳能干化过程的电能消耗中翻泥所需能耗约占28%～40%左右[8-9]，减少翻泥次数能有效降低干化能耗，若选择12 h的翻泥间隔，则翻泥能耗相对于6 h节省45%，总能耗节省约12%～18%。

图5　不同翻泥频次下的干燥曲线Fig.5　Drying curves under different stirring frequencies

12 h的翻泥间隔其所需能耗最低，6 h的翻泥间隔其干化效率最高。在实际工程中，还需考虑污泥翻抛机性能，因为污泥机在每次翻泥过程中都会将污泥往干化方向推进一定的距离，不同的处理规模其干化床的宽度不定，那么污泥在干化时间内由干化起始端推进至干化结束端所需的推进次数将会不同。因此，翻泥频次的选择还需结合实际工程计算而得。

2.3干化温度的影响

干化床水温对污泥干化的影响如图6所示。水温70℃时污泥的干燥速率较50℃和60℃度时明显提高，将含水率由77%降至40%所需时间约90 h，干燥速率较60℃约提高25%。水温70℃、60℃、50℃时污泥层平均温度分别为39℃、38℃、31℃，干燥室内空气平均温度约为31℃、30℃、27℃。加热水温越高污泥层温度及室内温度将越高，干燥速率也越大。有研究[13]表明，在污泥干化的预热阶段和恒速阶段，主要为表面水分汽化，这一阶段干燥速率主要受表面水蒸气扩散系数的影响，加热温度越高扩散系数越大。对比70℃、60℃、50℃条件下污泥层平均温度及室内平均温度可发现，当水温由50℃升高到60℃时，污泥层及室内温度分别提高为7℃和3℃，而当水温由60℃升高到70℃时，污泥层及室内温度提高仅1℃。

图6　不同温度下的干燥曲线Fig.6　Drying curves under different temperatures

污泥干燥室为相对封闭状态，在污泥干燥过程中，热水管向外不断散发热量，可使污泥层温度与室内温度升高，同时随着水分的蒸发空气湿度相应增大。如图7所示，室内空气的温度受室内散热量与室外温度的影响，在整个干燥过程中，室内外温湿度波动均较小；而干燥速率变化主要取决于污泥干化程度。

图7　室内外温度与干燥速率变化曲线Fig.7　Variation of drying rate under indoor and outdoor temperature

空气湿度大小反应了其携湿能力的大小，当空气湿度大时，单位空气量能够携带走的水分将会减少，则蒸发单位质量的水分所需要的空气量将会增多，即需要提高通风量才能达到设定的干化效果；相反，空气湿度小则可减小通风量，从而降低能耗。在本实验中室内平均相对湿度为62.7%，室外平均相对湿度为56.5%，干化过程中水分的蒸发可使室内相对湿度比室外相对湿度约高出2%～17%。实验中，污泥铺设厚度为10 cm，干化时间为5 d，每天处理的污泥量为1.3 kg时，通过物料和热量核算得出所需空气量为222 m3/d，理论通风速率为0.33 m/s，与实验中设置的0.4 m/s接近。因此，在方案设计中可采用实验数据30℃～40℃为干燥室内计算温度，室内外相对湿度差可取2%～17%，通过计算可得出理论空气需求量。为了减少通风热损失量且降低系统能耗，可选择湿度差上限为设计依据。

3　优化方案

实际工程中，由于太阳能辐射的不连续性，通常需添加辅助能源补充太阳能的不足，可以考虑将污泥厌氧消化产生的沼气作为补充能源之一。从节能环保的前提出发，若按沼气(常规能源)和太阳能分别提供1/3和2/3的能量计算，沼气能够将热水由20℃加热至100℃，而太阳能热水器只能提供最高55℃的热水，在不添加常规能源的条件下，经过热量平衡计算:

式中：c为水的比热容，4.2×103J/(kg·℃)；m1、m2分别为辅助能源加热的热水质量和太阳能加热的热水质量，kg。

采用保温水箱，因此热水混合过程中的热损失在计算中可忽略，那么由沼气(常规能源)加热所得质量为m1的100℃的热水与太阳能加热所得质量为m2的55℃热水混合后能够得到温度为T混：

cm1(100-T混)=cm2(T混-55)

T混=63.1

可以得出系统所能提供的最高温度为63℃。同理，若需要得到70℃的热水，则所需沼气能(常规能源)与太阳能能量比为8/7。太阳能集热式干化污泥技术的目的是利用免费的太阳能降低干化成本，辅助能源的添加是为了达到更好的干化效果，但是其添加比例过大反而会增加干化成本。

若是污泥干化前增加厌氧消化工艺，利用其产生的沼气作为辅助能源，那么可以根据沼气产量计算所能提供的最高温度。在低有机质污泥的高固体厌氧消化中，沼气产率约为0.4m3/kgVS[14-15]，以处理1m3含水率80%的脱水污泥为例，有机质含量取55%，经厌氧消化可产生的沼气含量为：

V=0.4×1000×20%×55%=44 m3

沼气热值为20～25MJ/m2，取22MJ/m2，沼气利用效率按80%计，得出沼气能提供的热量为：

Q沼气=44×22×80%=0.77×106kJ

干化污泥层温度按实验结果取为40℃，污泥初始温度取20℃，则污泥干化所需热量为：

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污泥为含水率80%的污泥比热容，kJ/kg·℃；△t为污泥在干化床中被加热所提高的温度，℃；L为40℃水的汽化潜热，kJ/kg；m水为污泥由含水率80%降至40%所需蒸发的水分质量，kg。

在污泥干化过程中的热损失(散热和通风)以30%计，则干化系统所需热量为2.17×106kJ，则太阳能提供的热量需为1.4×106kJ按前述的热量平衡计算方法可得，由沼气和太阳能加热所得混合热水温度为64℃。

因此，在污泥消化与干化联合的工艺中若不添加常规能源，将无法提供70℃热水，从充分利用清洁能源降低干化成本的角度出发，可选取60℃作为最佳的干化温度。

4　结　论

4.1采用低温干化床干化污泥，将含水率为76%的脱水污泥干化至含水率为40%的过程中，污泥层厚度、干化温度、翻泥频次是影响干燥速率的主要因素。

4.2污泥层厚度越薄，单位面积的处理能力越高，在工程中宜采用10cm为污泥层最佳铺设厚度

4.3翻泥可促进污泥水分蒸发，翻泥间隔越长所需能耗越低，但以间隔6h时干燥速率最大，间隔12h能耗最低。

4.4温度越高，干燥速率越大，为充分利用太阳能集热器，干化温度宜为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

水体污染控制与治理科技重大专项课题(2011ZX0730 2001);国家自然科学基金(51008174);深圳市科技计划项目(JSGG20130918153404812)。

陈成(1988-)，女，重庆人，清华大学深圳研究生院能源与环境学部环境工程专业2013级在读硕士研究生，研究方向为固体废物处理处置。

李欢，lihuansz@qq.com。

X703

A

1001-3644(2016)05-0001-06