经济实用的太阳能污泥干化处理工艺

2020-10-10 08:49

经济实用的太阳能污泥干化处理工艺

Economically Feasible Solar Sludge Drying Technology

为了对污水处理厂产生的市政污泥进行减量化和稳定化处理,在欧洲和德国已建造了450多座太阳能干化处理装置。结果表明,通过太阳能干化处理,可将污泥固含量提高至95%DR。干化时间则和气候条件,污泥类型,进泥固含量等因素有关。在一般情况下,大约需要15 ~25天,有辅助热源情况下,大约需要1~3天,可将各种污泥的固含量从20% DR提高至75%DR 

每蒸发1吨水时,平均消耗的电能在20 - 30 kWh/t H2O之内,而传统干化工艺的电能能耗一般是在70-110 kWh /t H2O范围之内。 

从现在获得的性能数据来看,如果市政污泥的后处置费用到达大约每吨300元人民币时,则可以在中国立即选用太阳能干化处理工艺。实验结果表明,进泥固含量愈高,则阳能干化处理工艺的运转也愈经济有效。因此,建议在进行太阳能干化之前,应该对市政污泥进行有效地机械性脱水处理。

To reduce the amount of sludge produced at wastewatertreatment plants and stabilise the sludge for beneficial reuse, more than 300solar drying plants have been set up in European und Germany. The resultscollected so far confirm that the solar dryer is capable of increasing the drysolids content up to 95% w/w. The drying period was dependant on climaticconditions, sludge type, initial dry solids content and equipment failure. Ittook approximately 15 to 25 days to increase the dry solids content of various sludgefrom 20 to 75% w/w. 

The average electrical power consumption ranged from 20to 30 kWh/ton of water extracted, compared to 70-110 kWh required forconventional drying processes. In one experiment the volatile solids contentwas reduced by 7.1%, however the solar dryer has not to date produced sludgethat complies with Grade A Standards of the NSW guidelines for the use anddisposal of Biosolids products. 

Based on the performance results achieved so far, ithas been estimated that solar drying sludge in China becomes economicallyfeasible when the unit cost of sludge disposal exceeds approximately RMB 300per ton of wet sludge. The trial results also show that solar drying processbecomes more economical the drier the feed sludge is, and therefore mechanicaldewatering is recommended prior to solar drying.  

关键词:   太阳能污泥干化,太阳能,污泥干化

Keywords:   Solarsludge drying; solar energy, sludge drying  

一.太阳能污泥干化的工作原理

太阳能污泥干化是指利用太阳能为主要能源对污泥进行干化处理。该工艺借助传统温室干燥技术,结合当代自动化技术的发展将其应用于污泥处理领域,主要目的是利用太阳能这种清洁能源作为污泥干化的主要能量来源。

在太阳能市政污泥干化处理工艺过程中,利用了辐射干化和传导干化的工作原理。污泥在温室内的干化过程中,主要是在技术上利用了以下简单的物理现象和这些物理条件之间的协调过程:

¨  辐射干化,当温室内的污泥接受外部太阳光线有效辐射后温度升高,使其内部水分得以向周围空气加速蒸发,从而增加了污泥表面的空气湿度,甚至于达到饱和

¨  空气本身的吸水能力。空气的绝对吸水能力是和空气温度有关,温度愈高,空气的吸水能力则愈大。

¨  决定水挥发过程的蒸发压力差(这一蒸发过程也是和温度参数有关)。为了对进料污泥进行干化处理,处理系统必须设法克服湿泥中的水份结合力,是水份从污泥固相转移到气相之中。此时所需要的驱动力就是污泥中水含量和空气中水蒸气分压之间的水蒸气压力差。空气中水蒸气分压是由空气中溶解水含量而决定,一般在在污泥表面的此水含量远高于干化暖房的上部。通过自然循环或通风,将温室内的湿空气排出,使污泥表面的湿度由原先的饱和状态进入非饱和状态,从而促使污泥内部水分进一步向周围空气蒸发。

¨  相对冷空气来说,热空气的比重相对较轻。与寒冷空气相比较,热空气含有较大的水份吸收能力。在同样体积情况下,热空气能够运输较多的水份含量。

¨  相对干燥空气来说,湿空气的比重相对较轻。不要以为“干”的东西一定比“湿”的东西轻。其实,干空气的分子量是28.966,而水汽的分子量是18.016,故干空气分子要比水汽分子重。在相同状况下,干空气的密度也比水汽的密度大。水汽的密度仅为干空气密度的62%左右。

与干燥空气相比较,潮湿空气含有较高的水蒸气分压,在温度较高情况下,这一现象往往被忽视。在同样温度情况下,潮湿空气的比重也较轻,通过比重差异导致潮湿空气向上转移。 

因此在进行污泥干化处理时,要获得最佳的水分蒸发或污泥干化结果,因该采用干燥热空气。但这些热能必须抵达污泥表面,因为只有在那里热气体才能吸收水份,并离开污泥! 为了加热污泥,从技术角度看可以采用以下措施:

¨  建造暖房隔离雨水,防止雨水进入污泥
¨  配置工艺鼓风机,定向进行进风和排风或环流通风,以获得最佳水挥发效率。其工作方式如头发吹干机,此时,空气最好处于干热状态,具有较大的吸水能力,空气必须和污泥表面强化接触

 ¨  配置混合翻泥装置,定时更新空气和污泥之间的交接面积,也就是说,必须经常不断地对污泥进行翻滚处理,这样才能将污泥中的水份通过毛细管作用和空气相接触。 

太阳能污泥干化的过程是和环境条件有关,其中最关键主要的影响参数是“全球辐射能量“(单位是kWh/m2),并且被定义为在单位时间内(一个月)和单位面积内(m2),直接太阳能辐射能量Q和辐射日光(间接太阳能辐射能量)q的总和。表明在规定面积内可以提供的所有短波辐射能量的总和。 

因为对于市政污泥干化来说,空气的吸湿能力或空气的相对湿度是一关键参数,但在冬季期间,空气的自然干化能力明显下降。同时,在这段时间内的全球辐射能量也最低,在暖房内空气温度的上升,或吸湿能力的提高相对很少。 

在一般情况下,向太阳能干化装置提供的污泥是经过脱水处理之后的市政污泥。在对固含量为20%DS的污泥进行纯太阳能干化处理时,福航污泥研究中心的研究结果显示 

出泥固含量为60%DS: 蒸发水量为800 – 900 升水/m2 每年

出泥固含量为70%DS: 蒸发水量为700 – 850 升水/m2 每年

出泥固含量为80%DS: 蒸发水量为500 – 750 升水/m2 每年 

在一年不同的季节内,每月水蒸发能力的差异十分巨大。在夏季时间内,有些地区的水蒸发能力最大可达全年水蒸发量的70%,而在秋季或冬季则必需在暖房内部或外部建造湿泥料仓,对脱水污泥进行储存平衡处理。否则,在冬季进行干化处理时,出泥固含量将明显下降。 

如果要求干化装置整年,尤其是在冬季时间内出泥固含量在80%DS以上,则可以通过额外注入外来热能来提高水蒸发能力。一般情况下是采用低品位蒸汽、废热水、烟气余热、污泥消化处理时产生的沼气等等: 

¨  采用蒸汽换热器产生热风,污泥表面直接吸收辐射热能,同时加热污泥。但必须对污泥定时翻抛处理,否则底部污泥会始终处于低温状态。

¨  采用热水进行底部加热,或冷却水通过热水热交换器对环流工艺空气进行加热,从上部对污泥进行加热处理。

¨  采用烟气余热通过加热地板,从下部对污泥进行辐射加热处理,这是散热效率最高的一种方式,处理量也相应最大。也必须对污泥定时翻抛处理,否则上部部污泥会始终处于低温状态。 

二.各种类型的翻泥设备和暖房

因为污泥本身的本身的传热性能很差,干化过程不管是通过辐射热能在污泥表面进行,还是通过地板传导加热在污泥底层进行,都必须经常不断地对污泥进行翻抛处理。通过污泥的翻动来不停更新污泥的表面,使污泥表层水分蒸发,同时利用通风系统将含湿气体排出。因此,在目前太阳能干化市场上,各公司都开发了自己的翻泥装置,工作方式各不相同,但可以分成以下三种翻泥设备: 

¨  点式翻泥装置,也称污泥猪污泥鼹鼠。一般是以批式方式工作:即通过铲车将脱水污泥送入太阳能干化车间,并进行均匀布料,一般用于小规模污泥干化处理。此设备由德国Thermosystems公司开发生产。 

¨  桥式翻泥装置,桥架型翻泥装置横跨整个干化大厅的宽度,前移翻泥。一般用于较大规模的太阳能污泥干化处理,适用于大面积操作。此设备由德国HUBER公司开发生产。 

¨  跨越式翻抛装置,横跨宽度可达16~20米,集自动摊铺、定时翻抛、定向收集、表面送风、干料返混、在线监测等功能于一体,是三种设备中应用最多的一款。用于较大规模的太阳能污泥干化处理项目,适用于大面积操作。此设备由山东福航新能源环保股份有限公司开发生产,拥有完全自主知识产权,自动化程度较高,无需现场操作人员。 

通过全自动化的翻泥系统,使污泥得到经常性的翻动并混合均一,从而不断翻新蒸发面积,同时也起到供氧作用,避免污泥堆内部出现局部厌氧而释放恶臭气体。

 

干化产品的质量低于原污泥的10%,而且大多情况下气味可以和泥土的气味相比。

太阳能可杀菌、消毒、除臭;处理过程无臭、无三废,可实现零排放、清洁型生产。

全封闭型进口加厚太阳能专用塑料膜棚,具有高透光、防老化性能,可有效积聚太阳热源,棚内温度比室外高35 45℃;污泥发酵、除臭、干化一步完成;3至5天时间就可干化完毕。 

干化面积的设计是根据单位面积上的水蒸发能力而设计。但根据不同产商所提供的污泥干化技术,例如翻泥装置的工作方式和干化原理,可以确定干化面积上的泥层高度。但必须注意,在进行设计工作时必须注意一年四季内的气候变化情况。  

比较内容

单层安全玻璃

双层阳光板

含气隔膜

费用

--

+

++

防冰雹程度

O

+

++

透明程度

-

-

O

k-数值(隔热性能)

-

+

+

外观

+

O

-

牢固程度

+

O

-

技术特点:

¨  整个干化场由绝缘且高度透光的材料密封,可以承受冰雹、高达120 km/h强风和25-250 kg/m2的雪压,这一覆盖层可以防止室内外空气随意交换,从而避免热量的损失。

¨  通风设备会一直设定污泥上方的空气最佳速度,不论场外的物理情况如何。

¨  换气由换气窗控制到最精确程度。

¨  根据周围的空气情况,通风设备时常输送大量新鲜空气,因此最大程度上利用了周围空气的干化潜能,这种能量来源不取决于在干化场表面的太阳辐射。

¨  由于干化房具有风速控制系统,无需额外安装除臭系统,外放的气体即可达排放标准。

¨  干化过程可选择全自动、半自动或手动。

¨  电子传感器测量内外部所有相关的参数,现代化的微处理器监控每个部件。

太阳能污泥干化优点和缺点

与传统的热干化技术相比,太阳能污泥干化的优点主要在于:

¨  能耗小,运行管理费用低(在无附加除臭系统的条件下,蒸发1吨水耗电量仅为20 - 30kWh,而传统的热干化技术需耗电为800 - 1060kWh)

¨  处理后污泥体积减少可达3 - 5倍,实现稳定化并仍保留其原有的农业再利用价值(低温干化);

¨  系统运行稳定安全,温度低,灰尘产生量小

¨  低温运转,操作维护简单,使用寿命长

¨  系统透明程度高,环境协调性好

¨  可同时解决污泥存储的需要

¨  利用可再生能源太阳能作为主要能源来源,满足可持续发展的需求。

¨  毋需石化燃料

¨  可额外配置低温/中温辅助热源

其主要缺点在于:

¨  占地面积大,需要在污水处理厂有足够可利用的场地空间

¨  处理效果受天气和季节性条件约束

¨  在密闭空气条件下作业;在大多数情况下,需要设置除臭设备

¨  产品不卫生 (除非添加石灰)。低温干化装置的缺点是不能产生等级A卫生污泥。如果要获得卫生污泥,则必须添加石灰,但此时会产生粉尘和臭味,引起额外费用,增加污泥产量。

¨  固体停留时间长 & 装置体积大

¨  产品质量差 (含粉尘或固含量低)

.总结

太阳能污泥干化处理是污泥处理工艺的一种创新方法,可对市政和工业污泥进行全干化处理,也能进行半干化处理。 

污泥通过太阳能全干化处理之后,污泥可作为替代燃料,或作为农肥直接被回收利用; 在通过半干化处理之后,产品可以与不同的污泥处置途径相结合,从而达到降低污泥处置费用,提高处置手段的灵活性。 

通过太阳能的照射和产生的辐射能量,可对污泥进行杀菌、消毒、除臭;同时通过翻泥装置不断进行抛翻通气,使污泥始终处于好氧状态。整个处理过程无臭、无废气废水产生,实现零排放、清洁型生产。 

太阳能是一种非常好的巨大的清洁型能源,我国太阳能年辐射量35206520 MJ/m2之间,取平均值5020 MJ/m2计算,它相当于每平方米土地上每年产生120万千卡的热量,相当于170公斤标准煤;若建一个2500平方米的太阳能干化棚,热利用率70%,相当于每年节省300吨标准煤(节省燃料费24万元),建塑料膜棚设备费用约23万元,1年节省的燃料费就可收回设备投资,还可节省烘干的操作费用。 

太阳能干化装置属于低温干化装置。尤其是在长江以南地区,太阳辐射强度小、空气湿度大,污泥干化时需要很长的停留时间,因此装置需要很大占地面积。因为这一原因,需要注入辅助热能,例如,通过电厂或者砖瓦厂的烟气余热等。

在一些辐射强很高,相对空气湿度较低的 区域,特别是在干旱区域,中国的西北部,即使在气候条件很好情况下,太阳能低成本干化工艺是不二首选。

太阳能干化装置采用太阳辐射作为能源。脱水污泥被铺设在暖房内干化床之上。污泥层的厚度是在100  250 mm 之间, 通过机械方法不断翻滚,使污泥和热空气之间有充分接触。根据处理方式,可将太阳能干化装置分成二大类型

¨  批式运转装置

     采用遥控移动车,称之为鼹鼠  污泥猪”,在暖房内随意无序行走,进行翻泥运动(见图 1)。进料和排料按批式方式进行。

¨  连续型运转装置

     采用跨越式翻抛机,将污泥从一侧均匀下料,依顺序向另一侧边翻新边收集(见图3)。达到目标含水率后,掉落至皮带机,统一收集输送至指定位置。在干化车间内,工艺鼓风机和空气流动是由计算机优化控制。

根据所在地的阳光辐射程度,环境温度和湿度,可以确定所需要的装置体积,但一般情况下装置体积很大。通过辅助热能,例如采用热泵技术,可以降低污泥停留时间,缩小装置体积 (见图 11)

因为机械翻滚,暖房内会产生一定量的粉尘。但因为操作温度很低,不会产生粉尘燃烧或爆炸事件。如果污泥是通过铲车进行进泥铺料和干泥排料,则司机的工作条件不是很好。

在暖房内,空气中不仅含有粉尘,而且含有病菌。

太阳能干化装置结构简单,对小型污水处理厂十分合适,特别是温暖干旱地区。在干化过程,会同时进行污泥好氧分解和污泥稳定化作用。目前设计的太阳能干化装置都将污泥进行半干化处理至70 %DS  

太阳能污泥干化工艺与传统的耗能干燥工艺进行经济对比和节能分析,结果表明太阳能干燥有着明显的优势。将太阳能应用到污泥干化中,解决了污泥干燥处置费用较高,综合效益较低的技术性难题,为污泥处理与处置走资源化道路开辟了新思路。

参考文献

[1]高颖: 利用太阳能进行市政污泥干化处理和生物能源回收.太阳能(月刊)20104月号: 29 – 32. ISSN: 1003-0417.

[2]高颖,王冰:太阳能污泥干化技术的理论和实践.装备制造.专刊(《2011年中国节能减排技术装备发展国际论坛论文集》3月: 18 – 24. CN11-5637/TH.

[3]高颖: SRT太阳能污泥干化处理系统--采用各种辅助热能的运转经验. 太阳能(月刊)2011年1月号上半月刊: 25-28. ISSN: 1003-0417

[4]高颖: 德国Hayingen污水厂太阳能污泥干化装置的运转情况. 太阳能(月刊)2011年年第11:38-39. ISSN: 1003-0417

[5]高颖:太阳能污泥干化装置的外围设备.太阳能(月刊)2012年第1: 26-29. ISSN: 1003 – 0417

[6]高颖,黄志强: 德国太阳能污泥干化处理系统. 太阳能(月刊)2012年年第7: 21-25. ISSN: 1003 – 0417

[7]高颖:改良型太阳能污泥干化装置.太阳能(月刊)2013年第1: 43 - 45.ISSN: 1003-0417

 

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