城市污泥太阳能光热干化技术研究进展

王盼丽，周雅雯，周全法

（江苏理工学院江苏省电子废弃物资源循环利用重点实验室，江苏常州213001）

城市污泥太阳能光热干化技术研究进展

王盼丽，周雅雯，周全法

（江苏理工学院江苏省电子废弃物资源循环利用重点实验室，江苏常州213001）

污泥干化是城市污泥无害化处置和资源化利用的前提和关键工序，需要消耗大量能源。将太阳能应用于城市污泥干化，可大幅度减少污泥干化过程对常规能源的依赖，经济高效地实现污泥的稳定化、减量化及资源化。对国内外城市污泥的处理处置和太阳能污泥干化技术的研究现状进行综述。

太阳能；光热利用；城市污泥；干化技术

根据国务院2015年颁布的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）的要求，2020年我国污泥的处理率必须达到90%以上[1]。相关资料显示，2017年我国仅城市污泥产生量就将高达3 000万t，城市污泥的处理处置已经成为制约城市发展的瓶颈问题之一。污泥干化可有效降低污泥含水率，减少运输、储存和后续处理成本，对实现污泥减量化、稳定化和资源化具有重要作用，是污泥处理处置的前提条件和关键工序。污泥干化过程实际上是通过加热方式进行脱水或去除液态物质的过程，能源消耗量较大。包括污泥干化在内的我国干燥作业所耗能源约占国民经济总能耗的12%左右[2]。如何开发利用廉价清洁能源并应用于污泥干化等干燥作业过程，对于破解能源危机具有重要意义。

太阳能作为取之不竭的廉价清洁能源，是污泥干化等低层次能源消耗的首选能源形式。我国幅员辽阔，太阳能资源丰富。我国2/3的陆地表面每年接受太阳辐射的时间超过2 200 h[3,4]，接受到的太阳辐射能约为50×1015MJ，相当于目前全年的煤、石油、天然气和各种柴草等全部常规能源所提供能量的2 000多倍。因此，世界各国都在积极开发太阳能光热技术并应用于污泥干化过程。文中对国内外污泥处理处置和太阳能污泥干化技术进行综合评述。

1 国内外污泥处理处置现状

1.1 国内污泥处理处置现状

随着我国经济的快速发展，污水排放量日益增大，污水处理过程产生的污泥量同步增加。我国目前污泥的处理处置方法主要有卫生填埋、干化及焚烧、制肥、建材及其他资源化利用[5]，其中卫生填埋占62.4%，干化及焚烧占9.6%，制肥占10.6%，用于建材占5.1%，其他资源化利用占12.4%。卫生填埋是我国污泥处置的主要形式，具有方法简单、技术要求和成本低的特点，但填埋过程所产生的渗滤液和气体，会对环境造成二次污染并危害人类身体健康。利用污泥好氧堆肥技术制备有机肥料的处理处置方式，能够较好地保留污泥中的氮源，所得有机肥料的肥效较高，但对于污泥的种类和品质要求较高，同时堆肥过程易产生臭气且占地面积大，所得产品的销售较为困难。焚烧处置方式对污泥的含水率要求较高。由于一般脱水污泥的含水率为60%～80%，热值低，需要外部提供能源或者与煤混合掺烧，建设与运行成本较高。污泥的建材利用一般是指制砖，应用较广，对污泥品质和含水率要求较高，且烧结制砖过程中产生的废气将对环境造成一定的二次污染。从国内污泥的各种处理处置方式分析可见，如何使用非常规能源实现污泥的高效率干化是制约污泥资源化利用和无害化处置的关键因素。

1.2 国外污泥处理处置现状

目前西方发达国家污泥处理处置的发展趋势是资源化综合利用，通常做法是使用厌氧消化或者好氧发酵技术先对污泥进行稳定化处理，然后再采用各种先进工艺进行处置。所用处置方式主要有填埋、焚烧和土地利用。各个国家和地区因经济发展状况和土地占有情况不同，所选择的污泥处置方式差异较大。美国、英国、德国、法国和日本所用污泥处置方式的占比如图1所示。美国、英国和法国以土地利用为主[6，7]，经过处理后的污泥用于土地利用的占比分别达到60%，54%和65%。德国和日本主要采用焚烧方式，占比分别达到50%和65%。在这些国家中卫生填埋方式相对较少，主要原因是随着城市发展速度的加快，土地资源越来越稀缺，有些国家已经开始限制或禁止使用填埋方式处置污泥。如英国从1996年就开始征收污泥填埋税，德国卫生填埋标准中要求填埋的污泥有机质含量必须低于5%。同时，因焚烧将带来大量难以处理的烟气，焚烧处置方式在上述国家也在逐步减少。

图1 西方发达国家污泥处置方式占比

2 我国污泥太阳能处理处置技术进展

我国在污泥光能干化方面的研究起步较晚。1993年，于忠民等人[8]对太阳能加热污泥进行了研究，发现污泥是较好的吸热体，集热效率高于水。雷海燕、郑宗和、赵磊等[9-11]对污泥光能干燥过程的影响因素、数学模型以及变化规律等进行了研究，得到了一些有价值的研究结果。21世纪初，我国开始研发光能干燥器。根据结构型式及运行方式，光能干燥器可以分为3类：温室型光能干燥器、集热型光能干燥器以及两者结合或与其他能源方式联合应用的光能干燥器，如集热-温室型光能干燥装置、集热-常规能源联合光能干燥装置、集热-蓄热光能干燥装置、集热-热泵等组合式光能干燥装置。2007年，王明根等[12]开展了光能和高温热泵干化污泥研究，认为这种组合干燥方法比普通热泵效率高70%，节能显著。该研究充分利用光能供热系统集热器在低温时集热效果高、热泵系统在其蒸发温度高时系统效率高的优点，将光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。2012年，饶宾期等[13]研究了太阳能热泵对污泥干燥的工作原理和相关系统的结构，对主要设备进行了计算设计并进行试验和性能分析。2013年，刘永付等[14]研究采用新型太阳能蒸汽发生装置产生的中高温饱和蒸汽辅助污泥干化，平均集热效率高达41.7%。2014年，孙林波等[15]研究了太阳能-中水热泵污泥干化系统（SHP）的工艺流程和调试运行情况，优化了翻抛系统的运行参数，提出了一套能够实现污泥高效干化的最佳工艺，提高了污泥干化速率。2015年，刘汉桥等[16]结合太阳能温室干燥技术和电厂烟气废热干燥技术，提出烟气废热/太阳能预干化新工艺，大大降低了污水厂污泥干燥的能耗。

3 国外污泥太阳能处理处置技术进展

自20世纪80年代末以来，污泥干化技术在欧美等发达国家已经得到了广泛应用。欧盟采用污泥热干化设备处理污泥的污水处理厂从最初的数家发展到了目前的200多家。美国自1995年以来，设计或安装了至少28座污泥干化装置[17，18]。随着世界人口的增多和能源危机的出现，太阳能作为可利用的新能源逐步成为国内外研究的重点，许多国家展开了污泥光能干化技术的研究和推广应用工作。光能污泥干化的实际商业化应用最早见于1994年德国南部的污水处理厂ISTAnlagenbau GmbH[19]。Luboschik[20]同年使用其公司的太阳能干化设备研究了污泥太阳能污泥干化问题，发现在德国南部每平方米地表面积的水分蒸发量可高达700～800 kg，如果循环使用废热，水分蒸发量可以提高2～3倍。尽管该套污泥干化装置的占地面积大，但运行费用非常低。Mathioudakis等[21]采用聚碳酸酯（PC）材质的干化箱并在底部铺上碎石，在干化箱内部设置通风用的换气扇，用太阳能热水器提供的热水作为热源并循环使用，可以大幅度提升污泥干化效率，在夏季时干化箱内温度可达35～60℃，而干化箱内外湿度却基本相同，将污泥含水率由85%降至6%只需要7～12 d，可使污泥体积减少80%～85%。Bennamoun等[22]研究了透明材料制成的温室对污泥干化的影响，发现污泥铺层越薄，越有利于水分的蒸发。近年在欧洲随着污泥产量的不断攀升以及相关环境卫生政策的出台，制约了填埋、农业应用等传统的污泥处置途径，促使了威立雅Solia工艺、得利满Helantis工艺、德国Thermosystem工艺等光能污泥干化新技术的大量应用和迅速推广。

4 污泥太阳能干化技术展望

利用太阳能干化污泥，不仅可以实现低成本的污泥减量化，同时也为污泥资源化提供了前置条件。虽然我国太阳能资源丰富，但因其具有间歇性、能流密度低和不稳定等弊端，使太阳能污泥干化技术的应用推广受到了一定限制。要实现太阳能干化的规模化应用，需要与相变蓄热技术或其他能源技术联合使用，提高太阳能光热利用效率，降低集热系统占地面积和使用成本，才能保证太阳能干化作业的连续性并提高干化效率。

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The research progress on solar thermal drying technology of municipal sludge

WANG Panli,ZHOU Yawen,ZHOU Quanfa
（Jiangsu Province Key Laboratory of E-Waste Recycling,Jiangsu University of Technology,Changzhou 213001,China）

Sludge drying is the precondition and key process of harm less disposal and resource utilization of m unicipal sludge,w hich need to consum e a great dealof energy.Using solar energy to dry m unicipal sludge can greatly reduce the dependence on conventionalenergy during the drying process,and achieve the goalof stabilization,reduction and resource utilization cheap ly and efficiently.In this paper,the research status of m unicipal sludge disposal and treatm ent and solar drying technology at hom e and abroad w as review ed.

solar energy;solar therm alutilization;m unicipalsludge;drying technology

X705

A

1674-0912（2017）08-0036-03

2017－07－19）

国家科技支撑计划项目（2014BAC03B06）；联合国开发计划署全球环境基金项目（20141201CN）

王盼丽（1992-），女，江苏东台人，硕士研究生，专业方向：资源综合利用。