1、背景介紹
伴隨我國(guó)城市污水處理率迅速提高，污泥產(chǎn)生量將不可避免地相應(yīng)增長(zhǎng)，消納問(wèn)題日益突出，亟待解決。
污泥具有含水率高、體積龐大、性質(zhì)復(fù)雜、難以處理的特點(diǎn)，在當(dāng)下的處置工藝有不同的制約：
綜合比較分析上述污泥處理與處置技術(shù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中所遇到的困難, 不難看出污泥的含水率是關(guān)鍵的影響因素。因此,降低污泥含水率是解決目前在污泥處理所遇到問(wèn)題的關(guān)鍵。
要達(dá)到對(duì)污泥的深度脫水,比較經(jīng)濟(jì)的方法是引入化工操作中常用的熱干燥技術(shù)。早在上世紀(jì)中期，日本和歐美就已經(jīng)用干燥器來(lái)干燥污泥。采用熱干化技術(shù)符合污泥“三化”要求：
減量化——干化可以使污泥大幅度縮減體積和質(zhì)量（可減少90%以上）。便于運(yùn)輸和處置；
無(wú)害化——污泥進(jìn)行了巴氏消毒，完全消除了病原體，干燥污泥性狀安全衛(wèi)生；
資源化——干燥后的污泥顆粒可作為肥料、土壤改良劑、燃料或建材化原材料等。
2、熱干化基本原理
污泥熱干化是指利用熱能，將脫水污泥加溫干化，使之成為干化產(chǎn)品。通常指利用熱能使物料中的濕份汽化，并將產(chǎn)生的蒸汽排除的過(guò)程。其本質(zhì)是被除去的濕份從固相轉(zhuǎn)移到氣相，固相為被干化的物料，氣相為干化介質(zhì)。
干化的機(jī)理可分為蒸發(fā)過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程：1）蒸發(fā)過(guò)程：物料表面的水分汽化，由于物料表面的水蒸氣壓低于介質(zhì)（氣體）中的水蒸氣分壓，水分從物料表面移入介質(zhì)。2）擴(kuò)散過(guò)程：是與汽化密切相關(guān)的傳質(zhì)過(guò)程。當(dāng)物料表面水分被蒸發(fā)掉，形成物料表面的濕度低于物料內(nèi)部濕度，此時(shí)，需要熱量的推動(dòng)力將水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面。上述兩個(gè)過(guò)程的持續(xù)、交替進(jìn)行，最終達(dá)到干化的目的。
因水分在污泥中的存在形態(tài)不同，在干化過(guò)程的去除速率也不同
自由水分：蒸發(fā)速率恒定時(shí)去除的水分。
間隙水分：蒸發(fā)速率第一次下降時(shí)期所去除的水分。通常指存在于泥餅顆粒間的毛細(xì)管中的水分。
表面水分：蒸發(fā)速率第二次下降時(shí)期所去除的水分。通常指吸附或黏附于固體表面的水分。
結(jié)合水分：在該干燥過(guò)程中不能被去除的水分。這部分水一般以化學(xué)力與固體顆粒相結(jié)合。
3、污泥熱干化設(shè)備分類及原理
干化設(shè)備傳遞熱能的方式有直接加熱和間接加熱2種，又稱為對(duì)流式加熱和熱傳導(dǎo)式（接觸式）加熱。
3.1 熱干化設(shè)備分類
按傳質(zhì)方式可分為直接加熱、間接加熱、直接和間接聯(lián)合加熱三類。
a.直接加熱干化設(shè)備
直接干化的實(shí)質(zhì)是對(duì)流干燥技術(shù)的運(yùn)用,即將燃燒室產(chǎn)生的熱氣與污泥直接進(jìn)行接觸混合,使污泥得以加熱,水分得以蒸發(fā)并最終得到干污泥產(chǎn)品。常用設(shè)備轉(zhuǎn)筒式等。
b.間接加熱干化設(shè)備
間接干燥實(shí)質(zhì)上就是傳導(dǎo)干燥,即將燃燒爐產(chǎn)生的熱氣通過(guò)蒸汽、熱油介質(zhì)傳遞,加熱器壁,從而使器壁另一側(cè)的濕污泥受熱、水分蒸發(fā)而加以去除。常用設(shè)備圓盤式等。
c.直接-間接加熱聯(lián)合干化設(shè)備
直接—間接聯(lián)合式干燥系統(tǒng)則是對(duì)流—傳導(dǎo)技術(shù)的整合。常用設(shè)備流化床等。
3.2 熱干化設(shè)備（系統(tǒng)）生產(chǎn)能力表示
1.蒸發(fā)量表示：濕物料被干燥后成為干物料時(shí)，從濕物料中去除的水分量。
E=D（1/di-1/do）
式中：
E—為蒸發(fā)量，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水的質(zhì)量，kgH2O/h；
D—為污泥干重,kg；di—為進(jìn)入干燥設(shè)備的污泥的初始含固率，%TS；
do—為排出干燥設(shè)備的污泥的初始含固率，%TS。
2.生產(chǎn)量表示：每天生產(chǎn)處理多少噸濕污泥。
3.比蒸發(fā)速率（SER）表示：用于間接干燥器。
SER=E/S
式中：
SER—為單位時(shí)間單位熱表面上蒸發(fā)的蒸汽的量，kg/（m2.h）；
E—為系統(tǒng)的總蒸發(fā)量，單位時(shí)間干化設(shè)備蒸發(fā)的蒸汽的量，kg/h；
S—為間接干燥器的熱表面積，m2
3.3 設(shè)備性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
干化設(shè)備單位耗熱量（STR）：
STR=QT/E
式中：
QT—干化系統(tǒng)所需的總熱能，kal/h；
E—干化設(shè)備的蒸發(fā)量，kg/h
4、污泥干化技術(shù)的要點(diǎn)及要求
設(shè)計(jì)或選擇污泥干燥設(shè)備應(yīng)重點(diǎn)考察以下幾個(gè)方面：能耗、安全性、環(huán)境友好、適應(yīng)性。
4.1 能耗
按照我國(guó)的能源價(jià)格，熱能的支出將占到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)干化系統(tǒng)運(yùn)行成本的80％以上。因此，熱能損耗的研究是對(duì)干化系統(tǒng)進(jìn)行考評(píng)的重中之重。
干化意味著水的蒸發(fā)，水分從環(huán)境溫度(假設(shè)20度)升溫至沸點(diǎn)（約100度），每升水需要吸收大約80大卡的熱量，之后從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵枰沾罅康臒崃浚可蠹s539大卡（環(huán)境壓力下）。兩者之和，相當(dāng)于620大卡/升水蒸發(fā)量的熱能，幾乎可以說(shuō)是所有干化系統(tǒng)必須付出的“基本熱能”代價(jià)。
然而，根據(jù)干化對(duì)象的性質(zhì)，這一“基本熱能”之外還會(huì)產(chǎn)生一定的消耗，這主要是工藝及其相關(guān)條件造成的。這些工藝相關(guān)條件可以概括為三大類：
減少熱損失原則：優(yōu)化熱源、換熱器選擇和組合，縮短傳輸距離，加強(qiáng)保溫。
物料：
工藝：
4.2 安全性
4.3 環(huán)境友好
4.4 適應(yīng)性
5、污泥干化技術(shù)展望
以上三個(gè)方面條件的不同，就形成了干化系統(tǒng)在能耗方面的差別。這一差別有時(shí)是如此之大，不經(jīng)分析是很難判斷一個(gè)干化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果的。
熱源：
加熱方式不同，熱損失不同。無(wú)論是熱傳導(dǎo)還是熱對(duì)流，通過(guò)熱交換器的換熱均形成一定的熱損失，一般來(lái)說(shuō)在8～15％之間。這部分的熱損失很難再降低。涉及熱源的傳輸、存儲(chǔ)的一些關(guān)鍵條件，如管線的大小、輸送距離、壓力、保溫條件、環(huán)境溫度等，都會(huì)對(duì)熱源利用的最終效率起到重要影響。
減少熱損失原則：優(yōu)化熱源、換熱器選擇和組合，縮短傳輸距離，加強(qiáng)保溫。
物料：
包括污泥的粒度、粘度、污染物含量和含水率等。穩(wěn)定的污泥含水率，在干燥過(guò)程較好的攪拌、粉碎工藝，都能減少熱損耗。此外，干燥水蒸汽和工藝氣體經(jīng)洗滌后分離，洗滌前后氣體的溫差大小，以及氣量本身的大小，決定了干燥系統(tǒng)的熱損失。
減少熱損失原則：合理降低最終產(chǎn)品含固率（使之優(yōu)化適應(yīng)最終處置要求），改善冷凝條件（如減少氣量、分步冷凝降低干燥蒸汽溫度等）。
工藝：
從工藝角度了解干化在能耗方面的特點(diǎn)，就是研究干化系統(tǒng)的干化效率。
熱傳導(dǎo)：含水率較高時(shí)熱傳導(dǎo)的干化效率較高，而要將最后的20～30％水分去除，則顯得力不從心，據(jù)研究半干化的升水蒸發(fā)量熱能凈耗一般要低于全干化20～30大卡。
熱對(duì)流：由于大量氣體能夠與已經(jīng)失去表面水的顆粒緊密接觸，在其周圍形成穩(wěn)定的汽化條件，為濕分在給定的傳質(zhì)條件下能夠持續(xù)進(jìn)行提供了極好的條件，因此熱對(duì)流方式對(duì)于含水率小于50%的污泥干燥效率更高。
兩種干燥方式的傳熱效率的差別受濕物料本身的性質(zhì)和攪拌、混合狀態(tài)影響至巨。
減少熱損失原則：減少工藝步驟、縮短工藝路線，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)以提高干燥效率。
4.2 安全性
對(duì)工藝安全性具有重要影響的要素包括：粉塵濃度 、工藝允許的最高含氧量、溫度（點(diǎn)燃能量）、濕度（氣體的濕度和物料的濕度對(duì)提高粉塵爆炸下限具有重要影響）
目前常采用的控制措施：
1 控制粉塵濃度：熱傳導(dǎo)工藝較熱對(duì)流工藝氣體量小，粉塵濃度低，污泥溫度低，氧氣含量小。對(duì)流式干燥系統(tǒng)一般是閉環(huán)回路：氣體進(jìn)入干燥器前通過(guò)冷卻水洗滌降低粉塵濃度。
2 控制含氧量：實(shí)時(shí)監(jiān)控干燥器內(nèi)氧氣濃度，自動(dòng)采取措施控制氧氣濃度在合理范圍。
4.3 環(huán)境友好
避免大量污染氣體釋放或/和臭氣外逸，造成二次污染。
措施：采用間接加熱或/和閉路循環(huán)，將必須外排的廢氣量和氣載污染物量降到最小；控制干燥溫度，降低有毒有害氣體的揮發(fā)量；對(duì)排出氣體進(jìn)行必要處理。
4.4 適應(yīng)性
污泥干燥產(chǎn)品要求：不同干燥產(chǎn)品對(duì)污泥最終含水率要求不同，污泥干燥設(shè)備要盡可能能夠適應(yīng)不同干燥含水率產(chǎn)品要求。
初始含水率要求：含水率因污泥來(lái)源不同（可能來(lái)自幾個(gè)不同的污水處理廠）、脫水機(jī)的運(yùn)行情況（機(jī)械故障、機(jī)械效率降低、更換絮凝劑或改變添加量）等原因?qū)е逻M(jìn)料含水率出現(xiàn)波動(dòng)。污泥干燥工藝應(yīng)能適應(yīng)進(jìn)料含水率的變化。
5、污泥干化技術(shù)展望
污泥干化技術(shù)脫胎于化工行業(yè)的干燥工藝，其采用的仍是幾十年前的傳統(tǒng)干燥技術(shù)，只不過(guò)經(jīng)過(guò)一定的改造，以使之更適應(yīng)污泥這種物料。在污泥干化領(lǐng)域，仍不斷有新的技術(shù)出現(xiàn)，但是在近期內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種更好的、革命性的技術(shù)來(lái)代替一切，其可能性很小。
對(duì)干化技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化努力，應(yīng)研發(fā)針對(duì)性干化設(shè)備，充分考慮污泥的特性，并以提高安全性和熱效率為目標(biāo)。
考慮到污泥干化完全是污水處理的延伸，我國(guó)乃至世界水環(huán)境的治理仍處于剛剛起步階段，因此其前景非常廣闊，所有的新技術(shù)、新工藝都將有一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。
考慮到污泥干化完全是污水處理的延伸，我國(guó)乃至世界水環(huán)境的治理仍處于剛剛起步階段，因此其前景非常廣闊，所有的新技術(shù)、新工藝都將有一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。
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