城市污泥太陽能光熱干化技術(shù)研究進(jìn)展

王盼麗，周雅雯，周全法

（江蘇理工學(xué)院江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)利用重點實驗室，江蘇常州213001）

城市污泥太陽能光熱干化技術(shù)研究進(jìn)展

王盼麗，周雅雯，周全法

（江蘇理工學(xué)院江蘇省電子廢棄物資源循環(huán)利用重點實驗室，江蘇常州213001）

污泥干化是城市污泥無害化處置和資源化利用的前提和關(guān)鍵工序，需要消耗大量能源。將太陽能應(yīng)用于城市污泥干化，可大幅度減少污泥干化過程對常規(guī)能源的依賴，經(jīng)濟高效地實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、減量化及資源化。對國內(nèi)外城市污泥的處理處置和太陽能污泥干化技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

太陽能；光熱利用；城市污泥；干化技術(shù)

根據(jù)國務(wù)院2015年頒布的《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）的要求，2020年我國污泥的處理率必須達(dá)到90%以上[1]。相關(guān)資料顯示，2017年我國僅城市污泥產(chǎn)生量就將高達(dá)3 000萬t，城市污泥的處理處置已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的瓶頸問題之一。污泥干化可有效降低污泥含水率，減少運輸、儲存和后續(xù)處理成本，對實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化和資源化具有重要作用，是污泥處理處置的前提條件和關(guān)鍵工序。污泥干化過程實際上是通過加熱方式進(jìn)行脫水或去除液態(tài)物質(zhì)的過程，能源消耗量較大。包括污泥干化在內(nèi)的我國干燥作業(yè)所耗能源約占國民經(jīng)濟總能耗的12%左右[2]。如何開發(fā)利用廉價清潔能源并應(yīng)用于污泥干化等干燥作業(yè)過程，對于破解能源危機具有重要意義。

太陽能作為取之不竭的廉價清潔能源，是污泥干化等低層次能源消耗的首選能源形式。我國幅員遼闊，太陽能資源豐富。我國2/3的陸地表面每年接受太陽輻射的時間超過2 200 h[3,4]，接受到的太陽輻射能約為50×1015MJ，相當(dāng)于目前全年的煤、石油、天然氣和各種柴草等全部常規(guī)能源所提供能量的2 000多倍。因此，世界各國都在積極開發(fā)太陽能光熱技術(shù)并應(yīng)用于污泥干化過程。文中對國內(nèi)外污泥處理處置和太陽能污泥干化技術(shù)進(jìn)行綜合評述。

1 國內(nèi)外污泥處理處置現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)污泥處理處置現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，污水排放量日益增大，污水處理過程產(chǎn)生的污泥量同步增加。我國目前污泥的處理處置方法主要有衛(wèi)生填埋、干化及焚燒、制肥、建材及其他資源化利用[5]，其中衛(wèi)生填埋占62.4%，干化及焚燒占9.6%，制肥占10.6%，用于建材占5.1%，其他資源化利用占12.4%。衛(wèi)生填埋是我國污泥處置的主要形式，具有方法簡單、技術(shù)要求和成本低的特點，但填埋過程所產(chǎn)生的滲濾液和氣體，會對環(huán)境造成二次污染并危害人類身體健康。利用污泥好氧堆肥技術(shù)制備有機肥料的處理處置方式，能夠較好地保留污泥中的氮源，所得有機肥料的肥效較高，但對于污泥的種類和品質(zhì)要求較高，同時堆肥過程易產(chǎn)生臭氣且占地面積大，所得產(chǎn)品的銷售較為困難。焚燒處置方式對污泥的含水率要求較高。由于一般脫水污泥的含水率為60%～80%，熱值低，需要外部提供能源或者與煤混合摻燒，建設(shè)與運行成本較高。污泥的建材利用一般是指制磚，應(yīng)用較廣，對污泥品質(zhì)和含水率要求較高，且燒結(jié)制磚過程中產(chǎn)生的廢氣將對環(huán)境造成一定的二次污染。從國內(nèi)污泥的各種處理處置方式分析可見，如何使用非常規(guī)能源實現(xiàn)污泥的高效率干化是制約污泥資源化利用和無害化處置的關(guān)鍵因素。

1.2 國外污泥處理處置現(xiàn)狀

目前西方發(fā)達(dá)國家污泥處理處置的發(fā)展趨勢是資源化綜合利用，通常做法是使用厭氧消化或者好氧發(fā)酵技術(shù)先對污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理，然后再采用各種先進(jìn)工藝進(jìn)行處置。所用處置方式主要有填埋、焚燒和土地利用。各個國家和地區(qū)因經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和土地占有情況不同，所選擇的污泥處置方式差異較大。美國、英國、德國、法國和日本所用污泥處置方式的占比如圖1所示。美國、英國和法國以土地利用為主[6，7]，經(jīng)過處理后的污泥用于土地利用的占比分別達(dá)到60%，54%和65%。德國和日本主要采用焚燒方式，占比分別達(dá)到50%和65%。在這些國家中衛(wèi)生填埋方式相對較少，主要原因是隨著城市發(fā)展速度的加快，土地資源越來越稀缺，有些國家已經(jīng)開始限制或禁止使用填埋方式處置污泥。如英國從1996年就開始征收污泥填埋稅，德國衛(wèi)生填埋標(biāo)準(zhǔn)中要求填埋的污泥有機質(zhì)含量必須低于5%。同時，因焚燒將帶來大量難以處理的煙氣，焚燒處置方式在上述國家也在逐步減少。

圖1 西方發(fā)達(dá)國家污泥處置方式占比

2 我國污泥太陽能處理處置技術(shù)進(jìn)展

我國在污泥光能干化方面的研究起步較晚。1993年，于忠民等人[8]對太陽能加熱污泥進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)污泥是較好的吸熱體，集熱效率高于水。雷海燕、鄭宗和、趙磊等[9-11]對污泥光能干燥過程的影響因素、數(shù)學(xué)模型以及變化規(guī)律等進(jìn)行了研究，得到了一些有價值的研究結(jié)果。21世紀(jì)初，我國開始研發(fā)光能干燥器。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式及運行方式，光能干燥器可以分為3類：溫室型光能干燥器、集熱型光能干燥器以及兩者結(jié)合或與其他能源方式聯(lián)合應(yīng)用的光能干燥器，如集熱-溫室型光能干燥裝置、集熱-常規(guī)能源聯(lián)合光能干燥裝置、集熱-蓄熱光能干燥裝置、集熱-熱泵等組合式光能干燥裝置。2007年，王明根等[12]開展了光能和高溫?zé)岜酶苫勰嘌芯?，認(rèn)為這種組合干燥方法比普通熱泵效率高70%，節(jié)能顯著。該研究充分利用光能供熱系統(tǒng)集熱器在低溫時集熱效果高、熱泵系統(tǒng)在其蒸發(fā)溫度高時系統(tǒng)效率高的優(yōu)點，將光能加熱系統(tǒng)作為熱泵系統(tǒng)的低位能源，組成新的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)。2012年，饒賓期等[13]研究了太陽能熱泵對污泥干燥的工作原理和相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對主要設(shè)備進(jìn)行了計算設(shè)計并進(jìn)行試驗和性能分析。2013年，劉永付等[14]研究采用新型太陽能蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的中高溫飽和蒸汽輔助污泥干化，平均集熱效率高達(dá)41.7%。2014年，孫林波等[15]研究了太陽能-中水熱泵污泥干化系統(tǒng)（SHP）的工藝流程和調(diào)試運行情況，優(yōu)化了翻拋系統(tǒng)的運行參數(shù)，提出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)污泥高效干化的最佳工藝，提高了污泥干化速率。2015年，劉漢橋等[16]結(jié)合太陽能溫室干燥技術(shù)和電廠煙氣廢熱干燥技術(shù)，提出煙氣廢熱/太陽能預(yù)干化新工藝，大大降低了污水廠污泥干燥的能耗。

3 國外污泥太陽能處理處置技術(shù)進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代末以來，污泥干化技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。歐盟采用污泥熱干化設(shè)備處理污泥的污水處理廠從最初的數(shù)家發(fā)展到了目前的200多家。美國自1995年以來，設(shè)計或安裝了至少28座污泥干化裝置[17，18]。隨著世界人口的增多和能源危機的出現(xiàn)，太陽能作為可利用的新能源逐步成為國內(nèi)外研究的重點，許多國家展開了污泥光能干化技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用工作。光能污泥干化的實際商業(yè)化應(yīng)用最早見于1994年德國南部的污水處理廠ISTAnlagenbau GmbH[19]。Luboschik[20]同年使用其公司的太陽能干化設(shè)備研究了污泥太陽能污泥干化問題，發(fā)現(xiàn)在德國南部每平方米地表面積的水分蒸發(fā)量可高達(dá)700～800 kg，如果循環(huán)使用廢熱，水分蒸發(fā)量可以提高2～3倍。盡管該套污泥干化裝置的占地面積大，但運行費用非常低。Mathioudakis等[21]采用聚碳酸酯（PC）材質(zhì)的干化箱并在底部鋪上碎石，在干化箱內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)用的換氣扇，用太陽能熱水器提供的熱水作為熱源并循環(huán)使用，可以大幅度提升污泥干化效率，在夏季時干化箱內(nèi)溫度可達(dá)35～60℃，而干化箱內(nèi)外濕度卻基本相同，將污泥含水率由85%降至6%只需要7～12 d，可使污泥體積減少80%～85%。Bennamoun等[22]研究了透明材料制成的溫室對污泥干化的影響，發(fā)現(xiàn)污泥鋪層越薄，越有利于水分的蒸發(fā)。近年在歐洲隨著污泥產(chǎn)量的不斷攀升以及相關(guān)環(huán)境衛(wèi)生政策的出臺，制約了填埋、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等傳統(tǒng)的污泥處置途徑，促使了威立雅Solia工藝、得利滿Helantis工藝、德國Thermosystem工藝等光能污泥干化新技術(shù)的大量應(yīng)用和迅速推廣。

4 污泥太陽能干化技術(shù)展望

利用太陽能干化污泥，不僅可以實現(xiàn)低成本的污泥減量化，同時也為污泥資源化提供了前置條件。雖然我國太陽能資源豐富，但因其具有間歇性、能流密度低和不穩(wěn)定等弊端，使太陽能污泥干化技術(shù)的應(yīng)用推廣受到了一定限制。要實現(xiàn)太陽能干化的規(guī)?；瘧?yīng)用，需要與相變蓄熱技術(shù)或其他能源技術(shù)聯(lián)合使用，提高太陽能光熱利用效率，降低集熱系統(tǒng)占地面積和使用成本，才能保證太陽能干化作業(yè)的連續(xù)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）

國家科技支撐計劃項目（2014BAC03B06）；聯(lián)合國開發(fā)計劃署全球環(huán)境基金項目（20141201CN）

王盼麗（1992-），女，江蘇東臺人，碩士研究生，專業(yè)方向：資源綜合利用。